一种含CsPbIBr2钙钛矿光活性层的太阳能电池及其制备方法与流程

一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池及其制备方法
技术领域
1.本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。有机金属卤化物钙钛矿的优点显著，具有带隙可调、载流子扩散长度长、迁移率高、缺陷密度低等诸多优异的光、电学性质。这使得钙钛矿太阳能电池具有同硅基太阳能电池相当的效率，此外由于其光电转换效率高、制备工艺简单且成本低廉等潜在，使其成为了近年来光电器件研究领域的热点。
3.目前，由于有机-无机杂化铅卤钙钛矿包含有易挥发、亲水性的有机阳离子组份，使得它们在高温、高湿或者持续光照条件易于分解而退化。因此，在高温、高湿或者持续光照等极端条件下，有机-无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池在可靠性差的问题难以避免，另一方面，大多数钙钛矿光伏器件包含有机的电荷传输层和金属电极，前者自身就有稳定性差的问题。加之，器件金属电极中的原子倾向于扩散至有机-无机杂化铅卤钙钛矿薄膜/ 电荷传输层界面，与薄膜中的卤素发生化学反应，进一步加剧了器件的衰退。然而，碳基cspbibr2无机钙钛矿太阳能电池，其完全避免了使用稳定性较差的有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料、有机电荷传输材料以及金属电极，因而，成为克服钙钛矿光伏器件所面临的可靠性问题的重要途径之一。另外，由于采用了廉价的碳电极取代了金属电极和有机电荷传输层，器件的制造成本得到了进一步的降低。
4.但是，目前的cspbibr2钙钛矿光活性层通常采用一步溶液旋涂法或两步旋涂法来制备，而在两步旋涂法中第二步大多采用甲醇等有机溶剂作为溶剂，并且在空气环境中进行实验，这样在实验过程中就不可避免的产生有毒溶剂挥发，而这些溶剂大多都属于易燃易爆有毒有害物质，会对环境造成一定的污染，且会对人体造成一定程度的伤害。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池及其制备方法。
6.本发明的一个实施例提供了一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法，包括：
7.选取带有fto电极阴极的玻璃衬底；
8.在所述fto电极阴极上制备tio2电子传输层得到fto/tio2基底；
9.在所述tio2电子传输层上制备pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底；
10.利用csi水溶液在所述pbbr2薄膜上制备cspbibr2钙钛矿光活性层得到 fto/tio2/cspbibr2基底；
11.在所述cspbibr2钙钛矿光活性层上沉积碳电极阳极制备得到含 cspbibr2钙钛矿
光活性层的太阳能电池。
12.在本发明的一个实施例中，选取带有fto电极阴极的玻璃衬底包括：
13.将所述带有fto电极阴极的玻璃衬底依次放入decon-90水溶液、去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，其中，fto电极阴极的厚度为 100nm～120nm，不包括fto电极阴极的玻璃衬底厚度为1.5mm～2.5mm；
14.将清洗过的带有fto电极阴极的玻璃衬底放在uv-ozone中处理 15min～30min。
15.在本发明的一个实施例中，在所述fto电极阴极上制备tio2电子传输层得到fto/tio2基底包括：
16.将80μl的tio2溶胶在空气环境中以3000rpm的转速在uv-ozone处理后的带有fto电极阴极的玻璃衬底上旋涂30s；
17.将旋涂有tio2的带有fto电极阴极的玻璃衬底置于马弗炉中，并以空气氛围500℃退火1h制备了厚度为50nm～80nm的tio2电子传输层得到所述fto/tio2基底。
18.在本发明的一个实施例中，在所述tio2电子传输层上制备pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底包括：
19.取质量为367mg的pbbr2固体溶于1ml的二甲基甲酰胺溶液中，90℃下搅拌直至完全溶解得到pbbr2溶液；
20.将所述fto/tio2基底置于手套箱n2环境中，并将80μl浓度为 367mg/ml的pbbr2溶液以2000rpm的转速在所述fto/tio2基底上旋涂30s；
21.将旋涂有pbbr2溶液的fto/tio2基底置于90℃热台上退火30min制备了厚度为200nm～400nm的pbbr2薄膜得到所述fto/tio2/pbbr2基底。
22.在本发明的一个实施例中，利用csi水溶液在所述pbbr2薄膜上制备 cspbibr2薄膜得到fto/tio2/cspbibr2基底包括：
23.取质量为260mg的csi固体溶于1ml去离子水中，常温下搅拌直至完全溶解得到csi水溶液；
24.将所述fto/tio2/pbbr2基底置于空气室温环境中，并将70μl～100μl 浓度为2600mg/ml～300mg/ml的csi水溶液以2000rpm的转速在所述 fto/tio2/pbbr2基底上旋涂30s；
25.将旋涂有csi溶液的fto/tio2/pbbr2基底置于250℃热台上退火5min 制备了厚度为400nm～600nm的cspbibr2钙钛矿光活性层得到所述 fto/tio2/cspbibr2基底。
26.在本发明的一个实施例中，在所述cspbibr2钙钛矿光活性层上沉积碳电极阳极得到含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池包括：
27.在室温环境下，使用丝网印刷方法在所述cspbibr2钙钛矿光活性层上淀积导电的碳浆，并置于120℃的热台上退火15min得到厚度为5μm～10μm、面积为0.09cm2的碳电极阳极，以完成钙钛矿太阳能电池的制备。
28.本发明的另一个实施例提供了一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池，根据上述任意一项所述的含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法制备而得，包括自下而上依次分布的玻璃衬底、fto电极阴极、tio2电子传输层、cspbibr2钙钛矿光活性层，以及在所述cspbibr2钙钛矿光活性层上方设有碳电极阳极。
29.在本发明的一个实施例中，所述玻璃衬底的厚度为1.5mm～2.5mm，所述fto电极阴
极厚度为100nm～120nm，所述tio2电子传输层厚度为 50nm～80nm，所述cspbibr2钙钛矿光活性层厚度为400nm～600nm，所述碳电极阳极厚度为5μm～10μm、面积为0.09cm2。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果：
31.本发明提供的含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法，采用两步法旋涂，通过csi水溶液与pbbr2薄膜反应来制备cspbibr2钙钛矿光活性层，引入了水这种绿色溶剂，避免了甲醇等有机溶剂的使用，减少了钙钛矿制备过程中由溶剂所产生的毒性物质，降低了对环境的污染和对人体的伤害。
32.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法的流程示意图；
34.图2a～图2e本发明实施例提供的一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法的结构示意图；
35.图3是本发明实施例提供的一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的结构示意图；
36.图4是本发明实施例提供的两种制备方法制备的太阳能电池的性能对比示意图。
37.1-玻璃衬底；2-fto电极阴极；3-tio2电子传输层；4-pbbr2薄膜； 5-cspbibr2钙钛矿光活性层；6-碳电极阳极。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
39.实施例一
40.请参见图1、图2a～图2e，图1是本发明实施例提供的一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法的流程示意图，图2a～图2e本发明实施例提供的一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法的结构示意图。本实施例提出了一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法，该含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
41.步骤1、选取带有fto电极阴极的玻璃衬底。
42.具体而言，请再参见图2a，本实施例选取带有fto电极阴极的玻璃衬底包括：将带有fto电极阴极的玻璃衬底依次放入decon-90水溶液、去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗15min。其中，fto电极阴极的厚度为 100nm～120nm，不包括fto电极阴极的玻璃衬底厚度为1.5mm～2.5mm；将清洗过的带有fto电极阴极的玻璃衬底放在uv-ozone(紫外臭氧)中处理 15min～30min。其中，带有fto电极阴极的玻璃衬底为掺杂氟的sno2透明导电玻璃(sno2：f)；decon-90水溶液为迪康decon 90碱性清洗液，其为一种表面活性清洁剂，可用于实验室、医疗及专门工业的各种用途，以非黏性浓缩液体形式提供，用水进行稀释，可生物递降分解、完全可漂洗且不易燃烧。
43.步骤2、在fto电极阴极上制备tio2电子传输层得到fto/tio2基底。
44.具体而言，请再参见图2b，本实施例在fto电极阴极上制备tio2电子传输层得到fto/tio2基底包括：使用匀胶机将80μl的tio2溶胶在空气环境中以3000rpm的转速在uv-ozone处理后的带有fto电极阴极的玻璃衬底上直接旋涂30s；将旋涂有tio2的带有fto电极阴极的玻璃衬底置于马弗炉中，并以空气氛围500℃退火1h制备了厚度为50nm～80nm的tio2电子传输层得到fto/tio2基底。
45.步骤3、在tio2电子传输层上制备pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底。
46.具体而言，请再参见图2c，本实施例在tio2电子传输层上制备pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底包括：取质量为367mg的pbbr2固体溶于1ml 的二甲基甲酰胺溶液中，90℃下搅拌直至完全溶解得到pbbr2溶液；将 fto/tio2基底置于手套箱n2环境中，并使用匀胶机将80μl浓度为 367mg/ml的pbbr2溶液以2000rpm的转速在fto/tio2基底上旋涂30s；将旋涂有pbbr2溶液的fto/tio2基底置于90℃热台上退火30min制备了厚度为200nm～400nm的pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底。
47.步骤4、利用csi水溶液在pbbr2薄膜上制备cspbibr2钙钛矿光活性层得到fto/tio2/cspbibr2基底。
48.具体而言，水虽然是一种最常见的绿色溶剂，却通常会加剧钙钛矿器件的衰退，在这种认知的情况下，在制备钙钛矿材料的过程中通常都不会使用水溶液来制备。而请再参见图2d，本实施例利用csi水溶液在pbbr2薄膜上制备cspbibr2钙钛矿光活性层得到fto/tio2/cspbibr2基底包括：取质量为260mg的csi固体溶于1ml去离子水中，常温下搅拌直至完全溶解得到csi水溶液；将fto/tio2/pbbr2基底置于空气室温环境中，并使用匀胶机将70μl～100μl浓度为260mg/ml～300mg/ml的csi水溶液以2000rpm 的转速在fto/tio2/pbbr2基底上旋涂30s；将旋涂有csi溶液的 fto/tio2/pbbr2基底置于250℃热台上退火5min，由于pbbr2薄膜和csi水溶液发生了反应，最后制备了厚度为400nm～600nm的cspbibr2钙钛矿光活性层得到fto/tio2/cspbibr2基底。
49.步骤5、在cspbibr2钙钛矿光活性层上沉积碳电极阳极制备得到含 cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池。
50.具体而言，请再参见图2e，本实施例在cspbibr2钙钛矿光活性层上沉积碳电极阳极制备得到含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池包括：在室温环境下，使用丝网印刷方法在cspbibr2钙钛矿光活性层上淀积导电的碳浆，并置于120℃的热台上退火15min得到牢固的厚度为5μm～10μm、面积为 0.09cm2的碳电极阳极，以完成钙钛矿太阳能电池的制备。
51.请参见图4，图4是本发明实施例提供的两种制备方法制备的太阳能电池的性能对比示意图，图4中横坐标表示将太阳能电池置于100mw/cm2的光源照射下，在其两端所施加的电压，纵坐标表示电流密度，以及图4中一步法为传统制备太阳能电池的方法，两步法为本发明提出的制备太阳能电池的方法，voc(v)表示开路电压，jsc(ma/cm2)表示短路电流密度，ff(％)表示填充因子，pce表示电池转换效率，从图4可以看出，本发明制备得到的太阳能电池的电池转换效率pce和填充因子ff得到了很大的提升，从整体曲线来看，本发明太阳能电池的性能更优。
52.综上所述，本实施例提出的含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法，采用两步法旋涂，通过csi水溶液与pbbr2薄膜反应来制备 cspbibr2钙钛矿光活性层，引
入了水这种绿色溶剂，避免了甲醇等有机溶剂的使用，减少了钙钛矿制备过程中由溶剂所产生的毒性物质，降低了对环境的污染和对人体的伤害。此外，第二步采用csi水溶液来制备的cspbibr2钙钛矿太阳能电池与一步法制备的相比，不但保证了cspbibr2薄膜的完整性，而且其光电转换效率还有部分提升，且具有较好的水、氧可靠性。另外，第二步采用csi水溶液来制备cspbibr2薄膜是在空气环境中进行的，有效的避免了氮气氛围，避免了甲醇等有机溶剂的使用，降低了制备成本和对实验环境的严苛要求。本发明同时兼顾了制作工艺难度和成本的要求，减少了对环境的污染和对人体的伤害，展现了强大的应用潜力，是一种可减少环境污染的简易钙钛矿太阳能电池的制备方法。
53.实施例二
54.在上述实施例一的基础上，请再参见图1、图2a～图2e，本实施例提出了一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法，该含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
55.步骤1、选取带有fto电极阴极的玻璃衬底。
56.具体而言，请再参见图2a，本实施例选取带有fto电极阴极的玻璃衬底包括：将带有fto电极阴极的玻璃衬底依次放入decon-90水溶液、去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗15min，其中，fto电极阴极的厚度为 100nm～120nm，不包括fto电极阴极的玻璃衬底厚度为1.5mm～2.5mm；将清洗过的带有fto电极阴极的玻璃衬底放在uv-ozone中处理15min ～30min。
57.步骤2、在fto电极阴极上制备tio2电子传输层得到fto/tio2基底。
58.具体而言，请再参见图2b，本实施例在fto电极阴极上制备tio2电子传输层得到fto/tio2基底包括：使用匀胶机将80μl的tio2溶胶在空气环境中以3000rpm的转速在uv-ozone处理后的带有fto电极阴极的玻璃衬底上直接旋涂30s；将旋涂有tio2的带有fto电极阴极的玻璃衬底置于马弗炉中，并以空气氛围500℃退火1h制备了厚度为50nm～80nm的tio2电子传输层得到fto/tio2基底。
59.步骤3、在tio2电子传输层上制备pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底。
60.具体而言，请再参见图2c，本实施例在tio2电子传输层上制备pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底包括：取质量为367mg的pbbr2固体溶于1ml 的二甲基甲酰胺溶液中，90℃下搅拌直至完全溶解得到pbbr2溶液；将 fto/tio2基底置于手套箱n2环境中，并使用匀胶机将80μl浓度为 367mg/ml的pbbr2溶液以2000rpm的转速在fto/tio2基底上旋涂30s；将旋涂有pbbr2溶液的fto/tio2基底置于90℃热台上退火30min制备了厚度为200nm～400nm的pbbr2薄膜得到fto/tio2/pbbr2基底。
61.步骤4、利用csi水溶液在pbbr2薄膜上制备cspbibr2钙钛矿光活性层得到fto/tio2/cspbibr2基底。
62.具体而言，水虽然是一种最常见的绿色溶剂，却通常会加剧钙钛矿器件的衰退，在这种认知的情况下，在制备钙钛矿材料的过程中通常都不会使用水溶液来制备。而请再参见图2d，本实施例利用csi水溶液在pbbr2薄膜上制备cspbibr2钙钛矿光活性层得到fto/tio2/cspbibr2基底包括：取质量为260mg的csi固体溶于1ml去离子水中，常温下搅拌直至完全溶解得到csi水溶液；将fto/tio2/pbbr2基底置于空气室温环境中，并使用匀胶机将70μl～100μl浓度为285mg/ml的csi水溶液以2000rpm的转速在 fto/tio2/pbbr2基底上旋涂30s；
将旋涂有csi溶液的fto/tio2/pbbr2基底置于250℃热台上退火5min，由于pbbr2薄膜和csi水溶液发生了反应，最后制备了厚度为400nm～600nm的cspbibr2钙钛矿光活性层得到 fto/tio2/cspbibr2基底。
63.步骤5、在cspbibr2钙钛矿光活性层上沉积碳电极阳极制备得到含 cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池。
64.具体而言，请再参见图2e，本实施例在cspbibr2钙钛矿光活性层上沉积碳电极阳极制备得到含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池包括：在室温环境下，使用丝网印刷方法在cspbibr2钙钛矿光活性层上淀积导电的碳浆，并置于120℃的热台上退火15min得到牢固的厚度为5μm～10μm、面积为 0.09cm2的碳电极阳极，以完成钙钛矿太阳能电池的制备。
65.综上所述，本实施例提出的含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法，采用两步法旋涂，通过csi水溶液与pbbr2薄膜反应来制备 cspbibr2钙钛矿光活性层，引入了水这种绿色溶剂，避免了甲醇等有机溶剂的使用，减少了钙钛矿制备过程中由溶剂所产生的毒性物质，降低了对环境的污染和对人体的伤害。此外，第二步采用csi水溶液来制备的cspbibr2钙钛矿太阳能电池与一步法制备的相比，不但保证了cspbibr2薄膜的完整性，而且其光电转换效率还有部分提升，且具有较好的水、氧可靠性。另外，第二步采用csi水溶液来制备cspbibr2薄膜是在空气环境中进行的，有效的避免了氮气氛围，避免了甲醇等有机溶剂的使用，降低了制备成本和对实验环境的严苛要求。本发明同时兼顾了制作工艺难度和成本的要求，减少了对环境的污染和对人体的伤害，展现了强大的应用潜力，是一种可减少环境污染的简易钙钛矿太阳能电池的制备方法。
66.实施例三
67.在上述实施例一、实施例二的基础上，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的结构示意图，本实施例提出了一种含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池，该含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池通过上述实施例一、实施例二所述的任意一项含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法制备而得，具体包括：自下而上依次分布的玻璃衬底(1)、fto电极阴极(2)、tio2电子传输层(3)、 cspbibr2钙钛矿光活性层(4)，以及在cspbibr2钙钛矿光活性层(4)上方设有碳电极阳极(5)，其中玻璃衬底(1)的厚度为1.5mm～2.5mm，fto电极阴极(2)厚度为100nm～120nm，tio2电子传输层(3)厚度为50nm～80nm，cspbibr2钙钛矿光活性层(4)厚度为400nm～600nm，碳电极阳极(5)厚度为5μm～10μm、面积为0.09cm2。
68.本实施例提出的含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池，可以执行上述实施例一、实施例二所述的含cspbibr2钙钛矿光活性层的太阳能电池的制备方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
69.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。