[发明专利]一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

钙钛矿类材料具有非常优异的晶体学特征及光电性能。首先，钙钛矿材料拥有近乎完美的结晶度，这是砷化镓和晶体硅等无机太阳能电池材料共有的特征，但制造完美的无机太阳能材料通常需要非常高的温度、昂贵的真空设备和复杂的生长工艺，而高结晶度的钙钛矿类材料能在低温下，通过简易的化学方法合成。同时，钙钛矿类材料具有优异的光吸收性能，带隙宽度约为1.5eV，光吸收能力比有机染料高10倍以上，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子。另外，钙钛矿类材料具有长程载流子扩散性能，掺氯的甲胺碘酸铅载流子有效扩散长度超过了1μm，是有机太阳能电池材料载流子扩散长度的100倍。再者，钙钛矿类电池光电转换过程的基本能量损失很小，约为0.4eV，与商业化的单晶硅电池能量相当，远优于传统的染料敏化电池（0.8eV）。

钙钛矿太阳能电池是一种使用钙钛矿类材料作为光吸收层的新型有机无机杂化的光伏体系。相比与其它种类的太阳能电池，光电转换效率为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍（理论计算可达50%），制造工序更为简单，能耗更低，原材料资源丰富，商用潜力无限，结合了有机和无机太阳能电池的特性，关键的吸光层材料是有机无机杂化的钙钛矿结构，具有结晶性好，缺陷少，吸光特性好，载流子扩散距离长、基本能量损耗少等优点，有望在实际应用领域得到更大的发展。

现有的钙钛矿太阳能电池制备过程中，采用了二氧化钛致密层和二氧化钛介孔层，总共两层二氧化钛结构，层界面之间存在大量晶界缺陷，同时需要对两层TiO₂进行两次单独高温退火，整体制备工艺复杂，能耗高，光电转换效率低，严重降低了大批量制造此类太阳能电池的良率，从而限制了此类电池器件的商业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法，舍弃了传统敏化太阳能电池中的介孔TiO₂层，简化了器件结构和制备工艺。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种平面异质结钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，其特征在于：所述电子传输层为TiO₂致密层，所述钙钛矿光吸收层的材料为氯离子掺杂的钙钛矿材料。

所述透明导电电极为FTO导电玻璃，所述钙钛矿光吸收层的材料为CH₃NH₃PbI_3-xCl_x，0＜x＜3，所述空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD，所述金属电极为Au。

制备方法，包括如下步骤：

（1）、将透明导电电极经过超声清洗后，氮气吹干，进行氧等离子体处理；

（2）、采用旋涂工艺将有机钛前驱体溶液旋涂至透明导电电极表面，再在500～550℃保温20～40min，自然冷却至室温，得到TiO₂致密层；其中，有机钛前驱体溶液的制备过程为：将0.45~0.48mol/L的钛酸异丙酯的异丙醇溶液和0.025~0.028mol/L的盐酸的异丙醇溶液等体积混合，搅拌均匀后即得；

（3）、制备完成TiO₂致密层后，进行氧等离子体处理；

（4）、采用逐层旋涂工艺将钙钛矿溶液旋涂至TiO₂致密层上，然后在110～130℃保温100～120min，得到钙钛矿光吸收层；

（5）、将空穴传输层溶液旋涂至钙钛矿光吸收层上，得空穴传输层；

（6）、采用真空热蒸镀工艺在空穴传输层上蒸镀金属电极，至此制得平面异质结钙钛矿太阳能电池。

步骤（2）中：旋涂速度为3900~4100r/min、旋涂时间为25~35s。

步骤（4）中：钙钛矿溶液为0.85~0.90mol/L氯化铅和2.45~2.50mol/L碘甲胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液；旋涂次数为4~6次；每次旋涂时，旋涂速度为1900~2100r/min、旋涂时间为25~35s。

步骤（5）中：空穴传输层溶液的制备过程为：将72~73mgspiro-OMeTAD、28~29μL4-叔丁基吡啶、17～18μL浓度为520～530mg/mL的双三氟甲烷磺酰亚胺锂乙腈溶液，混合于0.5~1.5ml氯苯中即得；旋涂速度为2900~3100r/min、旋涂时间为25~35s。