[发明专利]一种钙钛矿太阳能电池的制备方法

说明书

一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，该电池采用p‑i‑n结构，包括ITO玻璃、空穴输运层、钙钛矿结构吸收层、电子输运层、背电极，所述空穴传输层采用咔唑三苯基胺类衍生物膦酸，该物质能够与ITO衬底牢固接触且能有效传输空穴；钙钛矿吸收层的制备采用两步法，制备过程中通过严格控制含水量和退火气体氛围，得到了大尺寸晶粒和平坦光滑的薄膜，最终制备出了高质量高效率的电池器件。

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，属于太阳能光伏制造技术领域。

背景技术

近年来随着化石能源的日渐短缺及环境污染的日趋严峻，人类发展可再生能源的脚步越来越快，太阳能光伏发电技术取得了快速发展。特别是自2009年有机无机杂化卤化物钙钛矿材料用于太阳能光伏电池以来，其转换效率快速提高，目前实验室0.1平方厘米面积的效率已经超过23%，显示出了区别于常规晶硅和薄膜电池的巨大发展潜力。按照受光的先后顺序，常规的钙钛矿电池通常为n-i-p结构，依次包括TCO导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、背电极，n-i-p结构器件存在一些问题，例如其电子传输层通常采用致密的TiO2，其制备过程需要经过高温加热，不利于制备柔性器件；器件的电压电流存在回滞现象；空穴传输层材料较昂贵且不稳定、背电极需要Au或Ag等贵金属。因此，科技人员又开发了p-i-n结构的钙钛矿电池器件，依次包括TCO导电衬底、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、背电极，其中空穴传输层通常选择PEDOT：PSS或PTAA，然而PEDOT：PSS具有一定的吸湿性和酸性，对器件的稳定性不利，PTAA昂贵、在可见光短波处有吸收且受后续工序的影响较大。为了提高p-i-n钙钛矿电池的性能，一方面需要选择合适的空穴传输材料，既需要完全覆盖并与TCO衬底结合牢固，否则器件开压降低；厚度也不能太厚，否则自身吸收大影响透过率；当然还需要能级匹配、空穴迁移率高等；另一方面，钙钛矿吸收层薄膜的制备质量要高，需要晶粒大、缺陷低，从而提高光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于采用合适的空穴传输材料、精心设计的制备步骤，从而制作出高性能高质量的钙钛矿太阳能电池。

本发明的技术方案如下：一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，该电池采用p-i-n结构，包括ITO玻璃、空穴传输层、钙钛矿结构吸收层、电子输运层、背电极，所述空穴传输层采用咔唑三苯基胺类衍生物膦酸，其化学结构通式为：

其中，R为苯的衍生物；所述钙钛矿结构吸收层为CH₃NH₃PbI₃，电子输运层为掺杂富勒烯衍生物PCBM，电池制备步骤如下：

第一步、ITO玻璃清洗：以ITO玻璃为衬底，依次采用去离子水、丙酮、异丙醇分别超声清洗3-5min，用氮气吹干，然后进行臭氧等离子体清洗5-10min，备用；

第二步、空穴传输层生长：将第一步所得样品浸入到0.005mol/L的咔唑三苯基胺类衍生物膦酸和正丁基膦酸混合的异丙醇溶液中50℃保温静置10-20h，取出100℃退火1h，然后用异丙醇冲洗；

第三步、钙钛矿吸收层制备：将第二步得到的样品预热到100℃，在2000rpm转速下旋涂滴加85℃的1mol/L的PbI₂/二甲基甲酰胺/水前驱体溶液30s，静置1min；接着在2000rpm转速下旋涂滴加80℃的0.5mol/L的CH₃NH₃I/异丙醇/水前驱体溶液20s，静置1min；然后保持衬底温度60℃在DMF气氛下退火10min，接着加热衬底温度到100℃在大气气氛下退火10min，得到钙钛矿吸收层；

第四步、电子输运层制备：将第三步得到的样品在1000rpm转速下旋涂滴加2%质量分数的掺杂富勒烯衍生物PCBM的氯苯溶液30s，然后在氯苯气氛下静置12h；

第五步、背电极沉积：采用电子束蒸发的方法钙钛矿吸收层上沉积铝薄膜背电极，得到钙钛矿太阳能电池。