可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。所述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池中陰極修飾層的材質(zhì)為金屬的乙酰丙酮螯合物膜材料。本發(fā)明將金屬的乙酰丙酮螯合物引入太陽電池中可選擇性的收集電子，阻擋空穴，與活性層之間可形成歐姆接觸，使器件的開路電壓達(dá)到最優(yōu)值，電流與填充因子也有相應(yīng)的提高，且具有光學(xué)間隔作用，使得內(nèi)部光電場(chǎng)重新分配，從而增強(qiáng)光吸收，在聚合物太陽能電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。本發(fā)明的鈣鈦礦太陽電池的制備也具有工藝簡單，成本低廉，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。
【專利說明】可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來興起的鈣鈦礦型太陽能電池具有效率高、成本低、質(zhì)量輕，制作工藝簡單、可制備成大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注?；阝}鈦礦材料CH3NH3PbI3的太陽電池由于其結(jié)構(gòu)簡單，高效而成為近年的研究重點(diǎn)。近兩年，鈣鈦礦電池的發(fā)展十分迅速，由不到5%的效率發(fā)展到16%的效率僅用了不到四年的時(shí)間。因此在短期內(nèi)，該類型的太陽電池已成為領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)及熱點(diǎn)。2013年，鈣鈦礦太陽電池研究入選世界年度十大科技進(jìn)展。
[0003]鈣鈦礦太陽電池具體來說是指用具有ABO3構(gòu)型的鈣鈦礦材料如CH3NH3PbI3等作為光吸收層的太陽電池，無論是以TiO2作為骨架，還是致密TiO2作為電子收集層的鈣鈦礦太陽能電池，其制作工藝復(fù)雜需要500°c的溫度條件，在一定程度上限制了在高分子材料等柔性襯底上通過印刷等工藝大規(guī)模生產(chǎn)的可能。本發(fā)明分別采用PEDOT:PSS和PC6tlBM作為空穴和電子傳輸層，用二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦(TIPD)作為低功函的陰極修飾層，采用溶液加工的方法，整個(gè)流程都在150°C以下，相比于TiO2與spiro-OMeTAD成本大大降低，工藝簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。
[0005]一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池，所述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池中襯底、透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層、陽極修飾層、鈣鈦礦層、電子傳輸層、陰極修飾層和陰極層順次相連；所述陰極修飾層的材質(zhì)為金屬的乙酰丙酮螯合物膜材料。所述金屬的乙酰丙酮螯合物為二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦、乙酰丙酮鋯、乙酰丙酮鉭或乙酰丙酮鎳。在透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層的一端上沉積有金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線連接負(fù)載或測(cè)試裝置的一端，陰極層連接負(fù)載或測(cè)試裝置的另一端。入射光從襯底方向射入。PED0T:PSS主要作用為收集空穴，阻擋電子和導(dǎo)電基底復(fù)合的作用；鈣鈦礦吸收光并轉(zhuǎn)化為電子和空穴；電子傳輸層起到輸運(yùn)電子的作用；TIPD的作用是阻擋空穴，輸運(yùn)電子；金屬電極則負(fù)責(zé)收集電子。
[0006]一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其具體步驟如下:
[0007]a.透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層的制備:在玻璃或聚酯薄膜的襯底上濺射金屬氧化物制備透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層；
[0008]b.陽極修飾層的制備:在經(jīng)紫外-臭氧表面處理設(shè)備處理后的透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層上旋涂PEDOT:PSS，涂膜厚度為IOnm?50nm，經(jīng)熱退火，得到陽極修飾層；
[0009]c.鈣鈦礦層的制備JfPbI2與CH3NH3I按1:1的質(zhì)量比例溶于溶劑中，加熱，制備鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液，將所得鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液旋涂于陽極修飾層上，經(jīng)熱退火，得到鈣鈦礦層；
[0010]d.電子傳輸層的制備:將PC6tlBM溶液旋涂于鈣鈦礦層上面，得到電子傳輸層；
[0011]e.陰極修飾層的制備:將金屬的乙酰丙酮螯合物溶液旋涂于電子傳輸層上面，經(jīng)熱退火，得到陰極修飾層；
[0012]f.陰極層的制備:在陰極修飾層上真空蒸鍍Al作為陰極層。
[0013]所述步驟b中熱退火溫度為150°C，時(shí)間為15min。
[0014]所述步驟c中的溶劑為DMF、Y-丁內(nèi)酯中的一種或兩種；加熱溫度為90°C?200°C，加熱時(shí)間為12h ;鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液的總濃度為30wt% ;旋涂轉(zhuǎn)速為2000rpm?5000rpm ;熱退火溫度為90°C?200°C，時(shí)間為2h ;所得鈣鈦礦層的厚度為350nm。
[0015]所述步驟d中的PC6tlBM溶液的溶劑為鄰二氯苯、間二氯苯、對(duì)二氯苯和氯苯中的一種或多種；PC6QBM溶液中PC6tlBM的濃度為10mg/mL?30mg/mL ;旋涂轉(zhuǎn)速為IOOOrpm?4000rpm ;所得電子傳輸層的厚度為IOnm?120nm。
[0016]所述步驟e中金屬的乙酰丙酮螯合物溶液的溶劑為醇類；金屬的乙酰丙酮螯合物溶液中金屬的乙酰丙酮螯合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?20%;旋涂轉(zhuǎn)速為IOOOrpm?5000rpm ；熱退火溫度為100°c,時(shí)間為IOmin ;所得陰極修飾層的厚度為IOnm?50nm。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:
[0018]采用溶液加工的方法在鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)中引入陰極修飾層金屬的乙酰丙酮螯合物，大大的降低了載流子在活性層界面的復(fù)合，有效提高材料的抗溶劑性能，顯著的提高了器件的性能。本發(fā)明還具有制備工藝簡單，成本低廉，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖中標(biāo)號(hào):1_襯底；2_透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層；3_陽極修飾層；4_鈣鈦礦層；5-電子傳輸層；6_陰極修飾層；7_陰極層；8_金屬導(dǎo)線;9_負(fù)載或測(cè)試裝置；10_入射光；[0021 ] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所得FTO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC60BM/Al的電流-電壓特性曲線；
[0022]圖3 為本發(fā)明實(shí)施例 2 所得 FTO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC60BM/TIPD/Al 的電流-電壓特性曲線；
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例3所得FTO/PEDOT:PSS/CH3NH3Pb13/PC6QBM/乙酰丙酮鋯/Al的電流-電壓特性曲線；
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例4所得FTO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC60BM/乙酰丙酮鉭/Al的電流-電壓特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明提供了一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池及其制備方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026]一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池，所述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池中襯底1、透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層2、陽極修飾層3、鈣鈦礦層4、電子傳輸層5、陰極修飾層6和陰極層7順次相連；所述陰極修飾層6的材質(zhì)為金屬的乙酰丙酮螯合物膜材料。所述金屬的乙酰丙酮螯合物為二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦、乙酰丙酮鋯、乙酰丙酮鉭或乙酰丙酮鎳。在透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層2的一端上沉積有金屬導(dǎo)線8，金屬導(dǎo)線8連接負(fù)載或測(cè)試裝置9的一端，陰極層7連接負(fù)載或測(cè)試裝置9的另一端。入射光10從襯底I方向射入。
[0027]實(shí)施例1
[0028]將濺射有摻雜氟SnO2(FTO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，立即放入紫外臭氧表面處理設(shè)備(UVO)中處理IOmin?20min，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PEDOT =PSS溶液，空氣中在150°C溫度下熱退火15分鐘，得到陽極修飾層3，其厚度為300 A左右。然后將PbI2與CH3NH3I按1:1的質(zhì)量比例溶于DMF(N，N-二甲基甲酰胺)溶液中，加熱12h，制備鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液，將總濃度為30被％的前驅(qū)體溶液以2000rpm?5000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂于陽極修飾層3上面，之后熱退火2h，得到鈣鈦礦層4，其厚度為350nm。之后再將PC6tlBM濃度為10mg/mL?30mg/mL的PC6tlBM溶液在IOOOrpm轉(zhuǎn)速下旋涂于上述鈣鈦礦層4上，得到電子傳輸層，其厚度為IOnm?20nm;最后，在5X10_4帕下真空蒸鍍IOOnm厚的鋁作為陰極。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.83伏，短路電流為16.1mA/cm2，填充因子為57%，轉(zhuǎn)換效率為7.72%。圖2給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
[0029]實(shí)施例2
[0030]將濺射有摻雜氟SnO2(FTO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，立即放入紫外臭氧表面處理設(shè)備(UVO)中處理IOmin?20min，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PEDOT =PSS溶液，空氣中在150°C溫度下熱退火15分鐘，得到陽極修飾層3，其厚度為300 A左右。然后將PbI2與CH3NH3I按1:1的質(zhì)量比例溶于DMF(N，N-二甲基甲酰胺)溶液中，加熱12h，制備鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液，將總濃度為30被％的前驅(qū)體溶液以2000rpm?5000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂于陽極修飾層3上面，之后熱退火2h，得到鈣鈦礦層4，其厚度為350nm。之后再將PC6tlBM濃度為10mg/mL?30mg/mL的PC6tlBM溶液在IOOOrpm轉(zhuǎn)速下旋涂于上述鈣鈦礦層4上，得到電子傳輸層5，其厚度為IOnm?20nm。之后將TIH)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的TIH)溶液在3000rpm轉(zhuǎn)速下旋涂于電子傳輸層5上,在100°C溫度下熱退火IOmin,得到陰極修飾層6,其厚度為Inm?10nm。最后，在5X10—4帕下真空蒸鍍IOOnm厚的鋁作為陰極層7。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.85伏，短路電流為16.88mA/cm2，填充因子為69%，轉(zhuǎn)換效率為10%。圖3給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
[0031]實(shí)施例3
[0032]將濺射有摻雜氟SnO2(FTO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈桑⒓捶湃胱贤獬粞醣砻嫣幚碓O(shè)備(UVO)中處理IOmin?20min，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PEDOT =PSS溶液，空氣中在150°C溫度下熱退火15分鐘，得到陽極修飾層3，其厚度為300 A左右。然后將PbI2與CH3NH3I按1:1的質(zhì)量比例溶于DMF (N，N-二甲基甲酰胺)溶液中，加熱12h，制備鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液，將總濃度為3(^1:%的前驅(qū)體溶液以2000rpm~5000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂于陽極修飾層3上面,之后熱退火2h，得到鈣鈦礦層4，其厚度為350nm。之后再將PC6tlBM濃度為10mg/mL~30mg/mL的PC6tlBM溶液在1000rpm轉(zhuǎn)速下旋涂于上述鈣鈦礦層4上，得到電子傳輸層5，其厚度為IOnm~20nm。之后將乙酰丙酮錯(cuò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙酰丙酮錯(cuò)溶液在1000rpm轉(zhuǎn)速下旋涂于電子傳輸層5上，在100°C溫度下熱退火lOmin，得到陰極修飾層6，其厚度為Inm~IOnm0最后，在5X10_4帕下真空蒸鍍IOOnm厚的鋁作為陰極層7。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.91伏，短路電流為18.96mA/cm2，填充因子為57%，轉(zhuǎn)換效率為10%。圖4給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
[0033]實(shí)施例4
[0034]將濺射有摻雜氟SnO2(FTO)的透明導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗2次，氮?dú)獯蹈?，立即放入紫外臭氧表面處理設(shè)備(UVO)中處理IOmin~20min，在2000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂PEDOT =PSS溶液，空氣中在150°C溫度下熱退火15分鐘，得到陽極修飾層3，其厚度為300 A左右。然后將PbI2與CH3NH3I按1:1的質(zhì)量比例溶于DMF (N，N-二甲基甲酰胺)溶液中，加熱12h，制備鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液，將總濃度為3(^1:%的前驅(qū)體溶液以2000rpm~5000rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂于陽極修飾層3上面,之后熱退火2h，得到鈣鈦礦層4，其厚度為350nm。之后再將PC6tlBM濃度為10mg/mL~30mg/mL的PC6tlBM溶液在1000rpm轉(zhuǎn)速下旋涂于上述鈣鈦礦層4上，得到電子傳輸層5，其厚度為IOnm~20nm。之后將乙酰丙酮鉭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙酰丙酮鉭溶液在2000rpm轉(zhuǎn)速下旋涂于電子傳輸層5上，在100°C溫度下熱退火lOmin，得到陰極修飾層6，其厚度為Inm~IOnm0最后，在5X10_4帕下真空蒸鍍IOOnm厚的鋁作為陰極層7。所制得的器件在100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下開路電壓為0.92伏，短路電流為19.64mA/cm2，填充因子為63%，轉(zhuǎn)換效率為11.3 %。圖5給出了該器件在未經(jīng)光照射和經(jīng)100毫瓦每平方厘米的模擬太陽光照射下的電流-電壓曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:所述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池中襯底(I)、透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層(2)、陽極修飾層(3)、鈣鈦礦層(4)、電子傳輸層(5)、陰極修飾層(6)和陰極層(7)順次相連；所述陰極修飾層(6)的材質(zhì)為金屬的乙酰丙酮螯合物膜材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:所述金屬的乙酰丙酮螯合物為二異丙氧基雙乙酰丙酮鈦、乙酰丙酮鋯、乙酰丙酮鉭或乙酰丙酮鎳。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于，具體步驟如下: a.透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層(2)的制備:在玻璃或聚酯薄膜的襯底(I)上濺射金屬氧化物制備透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層(2); b.陽極修飾層(3)的制備:在經(jīng)紫外-臭氧表面處理設(shè)備處理后的透明導(dǎo)電金屬氧化物陽極層(2)上旋涂PEDOT:PSS，涂膜厚度為IOnm~50nm，經(jīng)熱退火，得到陽極修飾層(3)； c.鈣鈦礦層(4)的制備:將PbI2與CH3NH3I按I:1的質(zhì)量比例溶于溶劑中，加熱，制備鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液，將所得鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液旋涂于陽極修飾層(3)上，經(jīng)熱退火，得到鈣鈦礦層⑷； d.電子傳輸層(5)的制備:將PC6tlBM溶液旋涂于鈣鈦礦層上面，得到電子傳輸層(5)； e.陰極修飾層(6)的制備:將金屬的乙酰丙酮螯合物溶液旋涂于電子傳輸層(5)上面，經(jīng)熱退火，得到陰極修飾層(6)； f.陰極層的制備:在陰極修飾層(6)上真空蒸鍍Al作為陰極層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述步驟b中熱退火溫度為150°C，時(shí)間為15min。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述步驟c中的溶劑為DMF、Y-丁內(nèi)酯中的一種或兩種；加熱溫度為90°C~200°C，加熱時(shí)間為12h ;鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液的總濃度為30wt% ;旋涂轉(zhuǎn)速為2000rpm~5000rpm ;熱退火溫度為90°C~200°C，時(shí)間為2h ;所得鈣鈦礦層的厚度為350nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述步驟d中的PC6tlBM溶液的溶劑為鄰二氯苯、間二氯苯、對(duì)二氯苯和氯苯中的一種或多種；PC6QBM溶液中PC6tlBM的濃度為10mg/mL~30mg/mL ;旋涂轉(zhuǎn)速為1000rpm~4000rpm ;所得電子傳輸層(5)的厚度為IOnm~120nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可溶液加工的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述步驟e中金屬的乙酰丙酮螯合物溶液的溶劑為醇類；金屬的乙酰丙酮螯合物溶液中金屬的乙酰丙酮螯合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~20% ;旋涂轉(zhuǎn)速為1000rpm~5000rpm ;熱退火溫度為100°C,時(shí)間為IOmin ;所得陰極修飾層(6)的厚度為IOnm~50nm。
【文檔編號(hào)】H01L51/48GK104022224SQ201410268785
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】譚占鰲, 李聰, 于露, 屈江江 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)