一種基于鈣鈦礦材料的太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明屬于太陽能應用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于鈣鈦礦材料的太陽能電池及 其制備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 基于鈣鈦礦材料的太陽能電池是一種使用諸如（CH3NH3PbX3- nYn)形式的化合物作 為吸光材料的太陽能電池，其中乂、￥=(：1』^1等。電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，從下往上依次 分為透明基底層、透明導電電極、空穴/電子傳輸層、鈣鈦礦層、電子/空穴傳輸層、金屬電 極。其中研發(fā)重點關(guān)注的是鈣鈦礦層。
[0005] 現(xiàn)有的形成鈣鈦礦層的主要方法首先將無水碘化鉛粉末(PbI2)直接溶解于N，N_ 二甲基甲酰胺(DMF)，加熱溶液，此后將溶解好的溶液旋涂在玻璃基底表面，形成一層PbI 2 薄膜，加熱這層薄膜使得溶劑完全揮發(fā)；然后將載有PbI2薄膜的玻璃基底在甲基碘化銨 (MAI)的異丙醇（IPA)溶液中浸泡30秒左右之后取出、旋轉(zhuǎn)甩干、再滴一定量的異丙醇，甩 干;或者直接在PbI 2上面旋涂MAI溶液。此后，把薄膜連同玻璃基底轉(zhuǎn)移到加熱臺上，70~100 攝氏度加熱10~120分鐘。在這個過程中MAI將與PbI 2反應，轉(zhuǎn)化成大小不一的（CH3NH3)PbI3 晶體。由于PbI2厚度較厚（一般大于200納米），不易于MAI完全反應，反應不完全，因此當形 成了（CH 3NH3)PbI3晶體后，仍舊會有少量的PbI2雜質(zhì)殘留在薄膜中，影響薄膜性質(zhì)穩(wěn)定，降 低了太陽能吸收效率。此外，還影響了薄膜的平整度，造成薄膜的厚度不一，平整度差。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于鈣鈦礦材料的太陽能電池及其制 備方法，公開了一種鈣鈦礦層材料的合成技術(shù)，降低了 CH3NH3PbX3-Jn晶體轉(zhuǎn)化條件，減少 PbX2雜質(zhì)殘留，提高薄膜的平整度，從而極大地提高鈣鈦礦層薄膜的光能吸收效率。
[0008] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，提供一種基于鈣鈦礦材料的太陽能電池，由表層向里層依 次包括透明基底層、透明導電電極、空穴傳輸層或電子傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層或空 穴傳輸層以及金屬導電層，鈣鈦礦層包括鹵化鉛絡合物，鹵化鉛絡合物的化學通式為:PbX 2 (U)，其中，X為CUI以及Br三種元素中的任意一種，U為二甲基亞礬(簡稱DMS0)、N，N-二甲 基甲酰胺(簡稱DMiO以及甲胺(簡稱MA)三種化合物中的任意一種； 鹵化鉛絡合物是將無水鹵化鉛粉末(化學通式PbX2，X是Cl、I、Br三種元素中的任意一 種）與二甲基亞礬溶劑、或N，N-二甲基甲酰胺溶劑、或甲胺的四氫呋喃溶液相混合，使得 PbX2粉末完全溶解于二甲基亞礬溶劑、或N，N-二甲基甲酰胺溶劑、或甲胺的四氫呋喃溶液 中，再加入氯苯溶劑攪拌混合后靜置，并經(jīng)過過濾后得到的析出物。
[0009] 進一步地，透明基底層的材料包括但不限于玻璃基底和聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)基底中的至少一種。
[0010] 進一步地，透明導電電極沉積在透明基底層上，透明導電電極的材料包括但不限 于摻銦氧化錫（ITO)、摻氟氧化錫(FTO)和石墨烯中的至少一種。
[0011] 進一步地，空穴傳輸層或電子傳輸層沉積在透明導電電極上，空穴傳輸層或電子 傳輸層的材料包括但不限于石墨烯、PED0T:PSS、PTAA、CuSCN、CuI、Mo0x、V205、Ni0、spiro-0MeTAD、PEIE、PEI、Zn0、Ti0 2、PCBM中的至少一種；其沉積方法包括但不限于真空蒸發(fā)法、電 子束蒸發(fā)法、磁控濺射法、原子層沉積法、光刻法、化學氣相沉積法、絲網(wǎng)印刷法、水熱法、電 化學沉積法、旋涂（spin-coating)、刀片刮涂(blade-coating)、棒式涂布(bar coating)、 夾縫式擠壓型涂布（slot-die coating)、噴涂（spray coating)、噴墨印刷（ink-jet printing)中的至少一種。
[0012] 進一步地，鈣鈦礦層沉積在空穴傳輸層或電子傳輸層上形成半導體吸光層。
[0013] 進一步地，電子傳輸層或空穴傳輸層沉積在鈣鈦礦層上，電子傳輸層或空穴傳輸 層的材料包括但不限于石墨烯、PED0T:PSS、PTAA、CuSCN、CuI、Mo0x、V205、Ni0、spiro-0MeTAD、PEIE、PEI、Zn0、Ti0 2、PCBM中的至少一種；其沉積方法包括但不限于真空蒸發(fā)法、電 子束蒸發(fā)法、磁控濺射法、原子層沉積法、光刻法、化學氣相沉積法、絲網(wǎng)印刷法、水熱法、電 化學沉積法、旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夾縫式擠壓型涂布、噴涂、噴墨印刷中的至少一種。
[0014] 進一步地，金屬導電層沉積在電子傳輸層或空穴傳輸層形成金屬電極。
[0015] 本發(fā)明還公開了一種制備上述基于鈣鈦礦材料的太陽能電池的方法，包括在空穴 傳輸層或電子傳輸層上沉積鈣鈦礦層的方法，整個沉積過程在純氮氣環(huán)境中進行，環(huán)境氣 壓為1~2大氣壓，環(huán)境溫度為20~30攝氏度，所述沉積方法包括以下步驟： 第一步，將所述鹵化鉛絡合物溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶劑，攪拌5~10分鐘，得到溶液 B，溶液B的濃度為0.5~1.5摩爾/升； 第二步，將甲基碘化銨按照30~60mg/mL的質(zhì)量/體積比例溶解于異丙醇溶劑中（簡稱 IPA)形成溶液C; 第三步，將溶液B加熱到60~80攝氏度并保持不斷攪拌； 第四步，取適量加熱到60~80攝氏度的溶液B，迅速均勻涂抹在空穴傳輸層或電子傳輸 層的表面，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夾縫式擠壓型涂布、噴涂、 噴墨印刷； 第五步，在涂抹溶液B形成的薄膜上再涂抹溶液C; 第六步，然后，將涂抹了溶液B和C的薄膜在70~100攝氏度下加熱10~120分鐘，形成鈣鈦 礦層，即半導體吸光層。
[0016] 進一步地，鹵化鉛絡合物為碘化鉛絡合物。
[0017]進一步地，在第四步驟中，溶液B中的溶劑揮發(fā)后形成的薄膜厚度為300~1000納 米，在空穴傳輸層或電子傳輸層的表面涂抹溶液B后的靜置條件是:室溫~100攝氏度，30~90 秒，溶液B內(nèi)的溶劑基本揮發(fā);在第五步驟中，涂抹溶液C后的靜置條件是:放置20~60秒，溶 液C內(nèi)的溶劑基本揮發(fā)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于鈣鈦礦材料的太陽能電池及其制備方法，具有以 下特點： 1、在鈣鈦礦層，由鹵化鉛絡合物形成的薄膜可以直接與MAI反應，不需要進行加熱處 理，常溫下就可以生成鈣鈦礦薄膜，節(jié)能、簡化流程； 2、 鹵化鉛完全轉(zhuǎn)化成鹵化鉛絡合物，節(jié)約原材料； 3、 向CH3NH3PbX3-nYn化合物轉(zhuǎn)化的窗口條件(包括退火溫度，退火時間以及MAI濃度等） 更寬，可以在40~100攝氏度，10分鐘~20個小時，MAI濃度40~50mg mL-1的窗口范圍內(nèi)選擇，性 能波動小，且均能保持高效率;相比【背景技術(shù)】里薄膜處理的條件苛刻、窗口小的問題，適應 性更強； 4、 利用鹵化鉛絡合物制成的太陽能電池效率更高，穩(wěn)定性更好。
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【附圖說明】
[0020] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中鈣鈦礦層太陽能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為經(jīng)本發(fā)明的鹵化鉛絡合物（即Pb 12 (DMSO)或Pb 12 (DMF))轉(zhuǎn)化得到的CH3NH3Pb 13薄 膜和經(jīng)傳統(tǒng)的PbI2單體轉(zhuǎn)化得到的CH3NH3PbI3薄膜，再經(jīng)歷五種不同的退伙條件后最終得 到的薄膜進行XRD測試的結(jié)果比較示意圖； 圖3為經(jīng)本發(fā)明的鹵化鉛絡合物（即PbI2(DMSO)或PbI2(DMF))轉(zhuǎn)化得到的CH 3NH3PbI3薄 膜和經(jīng)傳統(tǒng)的PbI2單體轉(zhuǎn)化得到的CH3NH3PbI3薄膜進行瞬時光致發(fā)光測量得到的光致發(fā)光 響應曲線示意圖； 圖4為圖2的薄膜進行穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光測量得到的薄膜發(fā)光強度曲線示意圖； 圖5為經(jīng)本發(fā)明的鹵化鉛絡合物（即PbI2(DMSO)或PbI2(DMF))轉(zhuǎn)化得到的CH 3NH3PbI3薄 膜和經(jīng)傳統(tǒng)的Pb 12單體轉(zhuǎn)化得到的CH3NH3Pb 13薄膜的表面SEM圖像