光活性層的平面鈣鈦礦太陽能電池及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子器件技術領域，特別涉及太陽能電池，具體是一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，可用于光電轉換。
【背景技術】
[0002]當今社會，經濟的迅猛發展帶來了諸如能源危機和全球變暖等嚴峻問題，可再生清潔能源的發展與利用已經受到全世界的廣泛關注。區別于煤、石油、天然氣等傳統能源，太陽能是一種綠色、清潔、可再生能源，取之不盡用之不竭，有潛力成為未來能源供給中的重要組成部分。太陽能電池作為一種光電轉換器件，其研宄與應用已經受到越來越多的重視。與成本高昂的硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池采用有機-無機鈣鈦礦材料作為光活性層，具有成本低廉、光吸收系數高、質地輕、柔韌性好等特點。隨著近年來國內外相關研宄的不斷深入，特別是采用介孔電池結構和異質結的光活性層結構后，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和穩定性不斷提升。鈣鈦礦太陽能電池中常見的介孔結構，通常是在平面結構的基礎上再次旋涂納米顆粒，這一過程不但增加了工藝的復雜度，還提高了鈣鈦礦太陽能電池的成本。因而，平面結構的鈣鈦礦太陽能電池越來越受到重視。
[0003]為了提高平面結構鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率，通常需要控制光活性層的平整度以及界面處的載流子復合。在平面結構鈣鈦礦太陽能電池中，常用的光活性材料有CH3NH3PbI3^ CH3NH3PbI3_xClx等等，由于CH 3NH3PbI3在平面上的成膜困難，界面處的載流子復合較為嚴重，從而降低了平面結構鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率。而CH3NH3PbIhClj^的較高的氯含量使得CH3NH3PbI3_xClx的可見光吸收率較低，因而無法有效地進行光電轉換。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種基于CH3NH3PbImClh光活性層的平面鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，以提高平面鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率，簡化鈣鈦礦太陽能電池的制作工藝，降低鈣鈦礦太陽能電池的成本。
[0005]為了現上述目的，本發明的太陽能電池自下而上包括:襯底、陰極、電子傳輸層、光活性層、空穴傳輸層、陽極，其特征在于:
[0006]光活性層，采用CH3NH3PbI2Jlh材料，作為光電轉換有源層，用于形成平整的光活性層，有效地吸收入射光，并將光能轉化為電能。
[0007]為實現上述目的，本發明制作平面結構鈣鈦礦太陽能電池的方法包括如下步驟:
[0008](I)清洗襯底基片:將氟摻雜氧化錫FTO陰極玻璃基片依次置于去離子水、丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗10?20min，清洗完成后用氮氣槍吹干；
[0009](2)制備C-T12前驅體溶液:
[0010](2a)取1.464mL的75%質量分數的二乙酰丙酮基鈦酸二異丙酯TiAc溶液，并向該溶液中加入18.536mL的1- 丁醇稀釋，對該稀釋后的溶液超聲處理10_20min獲得0.15M/L的C-T12前驅體溶液；
[0011](2b)取2.928mL的75%質量分數的二乙酰丙酮基鈦酸二異丙酯TiAc溶液，并向該溶液中加入17.072mL的1- 丁醇稀釋，對該稀釋后的溶液超聲處理10_20min獲得0.3M/L的C-T12前驅體溶液；
[0012](3)在氟摻雜氧化錫FTO陰極玻璃基片上旋涂C-T12前驅體溶液，并在溫度為100-500°C的烘箱中退火5-15min，形成C-T12電子傳輸層；
[0013](4)淀積 Pb I LxClpx層:
[0014](4a)配制 Pbl2ig PbI Wx溶液:
[0015]取460mg的PbI2溶解在Iml的二甲基乙酰胺DMF中，在90°C溫度下攪拌6h得到澄清PbI2溶液；
[0016]取39Img的PbIjP 41.7mg的PbCl 2溶解在Iml的二甲基乙酰胺DMF中，在90°C溫度下攪拌6h得到PbIpxClh澄清溶液；
[0017](4b)旋涂 Pbl# PbI ^xClh溶液:
[0018]先在步驟(3)所得的基片上旋涂PbI2溶液，旋涂時的轉速為2000-6000r/min，旋涂的時間為30-60s，并在70°C的溫度下退火5-15min ;然后旋涂PbI1+xClh溶液，旋涂時的轉速為2000-6000r/min，旋涂的時間為30_60s，再在70°C的溫度下退火5_15min，蒸發殘留的有機溶劑；
[0019](5)將步驟⑷所得的基片浸泡在CH3NH3I溶液中，在60°C下保持5_20min，以保證PbWx與CH 3NH3I這兩種材料充分反應，形成CH3NH3PbI2Jlh光活性層;
[0020](6)在空氣氣氛下，將經過步驟(5)所得基片在90°C下退火45min ;
[0021](7)在CH3NH3PbI2Jlh光活性層上旋涂Spiro-MeOTAD空穴傳輸層，旋涂時的轉速為2000?4500r/min，旋涂的時間為45s ；
[0022](8)在空穴傳輸層上淀積Au金屬陽極。
[0023]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0024]1.提升了提升鈣鈦礦太陽能電池的性能
[0025]本發明采用CH3NH3PbI2Jlh材料作為光活性層，該材料具有高的可見光吸收率與平整度，能有效地減少光活性層與電子輸運層界面處的載流子復合，從而提高了鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓，短路電流密度和填充因子，最終實現了平面結構的鈣鈦礦太陽能電池的高能量轉化效率。
[0026]2.降低了鈣鈦礦太陽能電池的成本
[0027]本發明使用旋涂Pbl# PbI LxClh溶液再在CH 3NH3I溶液中浸泡形成CH3NH3PbI2Jlh光活性層的方法，該方法操作簡單、成本低廉，可以實現大面積薄膜制備；同時，平面結構的采用避免了介孔層的使用，簡化了工藝，增加了太陽能電池的成品率，利于降低鈣鈦礦太陽能電池的成本。
[0028]相比其他制備方法，本發明通過使用旋涂PbIjP PbI hClh溶液再在CH 3NH3I溶液中浸泡形成CH3NH3PbI2+XC1 h光活性層的方法具有更好的性能。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明的CH3NH3PbI2txClh鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖；
[0030]圖2是本發明制作CH3NH3PbI2Jlh鈣鈦礦太陽能電池的流程圖。
【具體實施方式】
[0031]為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0032]參照圖1，本發明的CH3NH3PbI2Jlh鈣鈦礦太陽能電池的結構自下而上包括:襯底1、陰極2、電子傳輸層3、光活性層4、空穴傳輸層5、陽極6 ;
[0033]襯底I采用厚度為1.9mm的玻璃，陰極2采用氟摻雜氧化錫FTO，厚度為Ium ；電子傳輸層3采用致密二氧化鈦C-T12,厚度為70?10nm ;光活性層4采用CH3NH3PbI2Jlh,厚度為150?300nm ;空穴傳輸層5采用Spiro-MeOTAD，厚度為10?30nm ;陽極6采用金屬Au，厚度為lOOnm。
[0034]參照圖2，本發明制作CH3NH3PbI2Jlh鈣鈦礦太陽能電池的方法，給出如下三種實施例。
[0035]實施例1，制作CH3NH3PbImxCI^厚度為150nm的太陽能電池。
[0036]步驟I，清洗襯底基片。
[0037]將含有氟摻雜氧化錫FTO的1.9mm玻璃基片依次置于去離子水、丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗lOmin，清洗完成后用氮氣槍吹干。
[0038]步驟2，淀積C-T12電子傳輸層。
[0039]2a)制備前驅體溶液:
[0040]先取1.464mL的75%質量分數的二乙酰丙酮基鈦酸二異丙酯TiAc溶液，并向該溶液中加入18.536mL的1- 丁醇稀釋，對該稀釋后的溶液超聲處理1min獲得濃度為0.15M/L的C-T12前驅體溶液；
[0041]再取2.928mL的75%質量分數的二乙酰丙酮基鈦酸二異丙酯TiAc溶液，并向該溶液中加入17.072mL的1- 丁醇稀釋，對該稀釋后的溶液超聲處理1min獲得濃度為0.3M/L的C-T12前驅體溶液；
[0042]2b)旋涂C-T12前驅體溶液:
[0043]先在經過步驟I的基片上第一次旋涂濃度為0.15M/L的C-T12前驅體溶液，旋涂轉速為6000r/min，時間為60s，并在溫度為100°C的烘箱中退火5min ；
[0044]再在旋涂過濃度為0.15M/L的C-T12前驅體溶液的基片上第二次旋涂濃度為0.3M/L的C-T12前驅體溶液，旋涂轉速為4000r/min，時間為40s，并在溫度為125°C的烘箱中退火1min ；
[0045]最后在旋涂過濃度為0.3M/L的C-T12前驅體溶液的基片上第三次旋涂濃度為
0.3M/L的C-T12前驅體溶液，旋涂轉速為4000r/min，時間為30s，在溫度為500°C的熱臺上退火，時間為15min ;獲得的C-T12厚度為70nmo
[0046]步驟3，旋涂 PbIjP PbI LxCl^ 溶液。
[0047]3a)制備 PbIjP PbI PxCVx 溶液
[0048]先取460mg的PbI2溶解在Iml的二甲基乙酰胺DMF中，在90°C溫度下攪拌6h得到澄清PbI2溶液；
[0049]再取391mg的PbIjP 41.7mg的PbCl 2溶解在Iml的二甲基乙酰胺DMF中，在90°C溫度下攪拌6h得到PbIpxClh澄清溶液；
[0050]3b)旋涂 Pbl# PbI ^xCVx溶液
[0051]首先，在經過步驟2的基片上旋涂PbI2溶液，旋涂轉速為4500r/min，旋涂時間為60s，并在烘箱中烘干30min以上；
[0052]然后，在旋涂過PbI2溶液的基片上旋涂PbI xClh溶液，旋涂轉速為4500r/min，旋涂時間為60s，并在烘箱中烘干30min以上，得到的PbI^Cl^薄膜的厚度為lOOnm。
[0053]步驟4，形成 CH3NH3PbI2^Clh材料。
[0054]首先，將80mg的CH3NH3I溶解在40ml的異丙醇IPA中，超聲處理1min獲得CH3NH3I溶液；
[0055]然后，將經過步驟3的基片浸泡在CH3NH3I溶液中，在60 °C下保持5min后拿出，并用異丙醇IPA清洗，再用氮氣槍吹干，在90 °C下退火45min，得到厚度為150nm的CH3NH3Pb UxClh 材料。
[0056]步驟5，旋涂Spiro-MeOTAD空穴傳輸層。
[0057]將90mg 的 Spiro-MeOTAD 溶解在 Iml 氯苯 CB 中，得到 90mg/ml 的 Spiro-MeOTAD氯苯CB溶液；再在經過步驟4的基片上旋涂Spiro-MeOTAD氯苯CB溶液，旋涂轉速4500r/min，時間45s，得到厚度1nm的Spiro-MeOTAD空穴輸運層。
[0058]步驟6，淀積Au金屬陽極。
[0059]將經過步驟5的基片置于金屬蒸鍍室中熱蒸發Au，本底真空度4X10_4Pa，電流80A，得到厚度為10nm的Au陽極。
[0060]步驟7，器件測試與表征。
[0061]對制備好的器件在AM 1.5G太陽光譜下進行光電響應測試。
[0062]通過上述步驟制備了采用CH3NH3PbI2Jlh光活性層的平面結構鈣鈦礦太陽能電池，其器件有效面積為7_2，測試得到器件的能量轉化效率達到8.5%，開路電壓為0.82V，短路電流密度為-19.6mA/cm2，填充因子為48%。
[0063]實施例2，制作CH3NH3PbUxCl^厚度為200nm的太陽能電池。
[0064]步驟一，清洗襯底基片。
[0065]將含有氟摻雜氧化錫FTO的1.9mm玻璃基片依次置于去離子水、丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗15min，清洗完成后用氮氣槍吹干。
[0066]步驟二，淀積C-T12電子傳輸層。
[0067]