一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法与流程

1.本发明属于太阳能电池加工技术领域，特别涉及一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池由于其具有可调的带隙、高的光吸收系数、长的载流子寿命及扩散长度、较高的缺陷容忍度、低成本的低温液相制备方法等优异的光电特性而受到广泛的关注。其小面积实验室制备的光伏器件的效率在短短十几年内从2009年的3.8％飙升至2021年的25.8％，被认为是下一代新型光伏材料的有力竞争者。
3.正置结构平面异质结构(nip型)钙钛矿电池由于其简单的制备工艺以及较高的光电转化效率一直是钙钛矿光伏领域的研究热点。但是正置结构的钙钛矿电池存在迟滞效应明显、器件稳定性有待改善且、柔性器件制备困难等缺点，难以实现大规模商业化应用。倒置结构(pin型)钙钛矿电池由于具有可忽略的迟滞效应、较好的界面稳定性、可低温制备柔性器件等优点，在钙钛矿电池产业化中占主导地位。
4.倒置结构钙钛矿电池的提效方法主要集中在以下几个方面：钙钛矿光吸收层优化(包含溶剂工程优化结晶、体缺陷钝化、混合组分钙钛矿、表面缺陷钝化等)，钙钛矿功能层优化(电子/空穴传输层改性、缺陷钝化、新功能层材料等)，界面工程(界面缺陷钝化、界面能级调控等)。
5.传统的电子传输层材料tio2由于其高温的工艺制程并不适用于倒置结构钙钛矿电池，取而代之的是具有更高的载流子迁移率、能级匹配且低温制备的sno2电子传输层。然而sno2电子传输层的制备过程中会在界面处引入缺陷，从而影响钙钛矿电池的光电转化效率及稳定性。对于sno2基倒置结构钙钛矿电池，主流的提效方式是对sno2电子传输层进行掺杂改性处理，钝化界面处的缺陷以提升钙钛矿电池的性能，但是钝化缺陷之外的提效方法却少有人研究。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池，包括透明导电基底，所述透明导电基底上自内向外依次设有空穴传输层、钙碳矿光吸收层、电子传输层以及电极层；其中，所述电子传输层包括电子传输层本体，所述电子传输层本体所述钙碳矿光吸收层触接，且所述电子传输层本体内部掺杂有铁电纳米颗粒，所述铁电纳米颗粒材料为knbo3，且该铁电纳米颗粒在铁电极化进行场钝化。
9.与现有技术相比，本技术方案具有如下效果：
10.以knbo3铁电纳米颗粒修饰sno2电子传输层，一方面利用k 离子钝化电子传输层
界面处的缺陷，提升钙钛矿电池的光电转换效率及稳定性，另一方面通过铁电极化对钙钛矿pin结进行场钝化，既增强了钙钛矿材料的内建场促进了光生电子空穴对的分离与传输，又加剧了钙钛矿pin结内电子、空穴准费米能级的劈裂，使电池的开路电压得到进一步提升，使钙钛矿电池光电转化效率得到进一步提升。
11.作为优选，所述透明导电基底包括玻璃基底，以及沉积于所述玻璃基底上的透明导电薄膜。
12.本发明还公开了一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
13.步骤一：沉积空穴传输层，选用nio
x
作为空穴传输层的材料，通过磁控溅射的方式在透明导电基底上生成一层厚度为80－100nm的nio
x
薄膜；
14.步骤二：沉积钙钛矿光吸收层，选用fa
0.91
cs
0.09
pbi3前驱液涂布由s1制备的电池上，在160℃的条件下，退火10－15分钟；
15.步骤三：沉积电子传输层，将纳米颗粒水溶胶与离子水按照一定比例混合，并加入铁电纳米颗粒使其浓度为3mg/ml，溶解后涂布于所述钙钛矿光吸收层上，退火处理；
16.作为优选，所述纳米颗粒材料选用sno2。
17.作为优选，所述纳米颗粒水溶胶含量为15wt％，且所述纳米颗粒水溶胶和所述去离子水按照1：4的体积比进行混合。
18.作为优选，所述电子传输层的厚度为50－80nm，且该电子传输层在制备过程中进行退火处理的温度为100－150℃。
19.作为优选，还包括：步骤四：在步骤三制备的电池片上沉积电极层。
20.作为优选，还包括：步骤五：施加正向铁电极化；即利用恒流电压源对由步骤四制备所得的钙钛矿电池施加从电极层指向所述透明导电基底且垂直该钙钛矿电池表面的正向铁电极化，其中，所述施加的外加电场＞铁电材料的铁电矫顽场。
21.作为优选，所述步骤二中关于fa
0.91
cs
0.09
pbi3前驱液的配置方法如下：将pbi2:fai:csi按照1：0.91：0.09的比例加入体积比为4.75：1的dmf/dm混合溶液中，调配至前驱液溶液浓度为1.25mol/l；再向该溶液中加入macl至macl溶液其浓度为23mol％。
22.作为优选，还包括在所述透明导电薄膜上开设有供空穴传输层局部嵌入的凹槽一，所述电子传输层上开设有供电极层嵌设的凹槽二，所述凹槽二向下延伸至所述透明导电薄膜的上表面，所述电极层上开设有向下延伸至所述透明导电薄膜上表面的凹槽三。
附图说明
23.图1是本发明中钙钛矿太阳能电池第一实施例整体结构示意图；
24.图2是本发明中钙钛矿太阳能电池第二实施例整体结构示意图；
25.图3是本发明钙钛矿太阳能电池的j－v曲线示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
27.如图1所示的一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池，包括透明导电基底1，所
述透明导电基底1上自内向外依次设有空穴传输层2、钙碳矿光吸收层3、电子传输层4以及电极层5；其中，所述电子传输层4包括电子传输层本体40，所述电子传输层本体40所述钙碳矿光吸收层3触接，且所述电子传输层本体40内部掺杂有铁电纳米颗粒51，所述铁电纳米颗粒51的材料为knbo3，且该铁电纳米颗粒51在铁电极化进行场钝化；以knbo3铁电纳米颗粒修饰sno2电子传输层，一方面利用k 离子钝化电子传输层界面处的缺陷，提升钙钛矿电池的光电转换效率及稳定性，另一方面通过铁电极化对钙钛矿pin结进行场钝化，既增强了钙钛矿材料的内建场促进了光生电子空穴对的分离与传输，又加剧了钙钛矿pin结内电子、空穴准费米能级的劈裂，使电池的开路电压得到进一步提升，使钙钛矿电池光电转化效率得到进一步提升。
28.在本实施例中，所述透明导电基底1包括玻璃基底10，以及沉积于所述玻璃基底10上的透明导电薄膜11。
29.结合图2可知，在另一实施例中，还包括在所述透明导电薄膜11上开设有供空穴传输层3局部嵌入的凹槽一7，所述电子传输层4上开设有供电极层5嵌设的凹槽二8，所述凹槽二8向下延伸至所述透明导电薄膜11的上表面，所述电极层4上开设有向下延伸至所述透明导电薄膜11上表面的凹槽三9；其中，第一凹槽7以及第三凹槽9均采用波长为1064nm的激光在透明导电薄膜2上进行激光划片切割形成；第二凹槽8采用波长为532nm的激光进行切割形成，从而将大面积钙钛矿电池划分成几个相互串联的子电池。
30.进一步来说制备如上述任一方案中所述的一种界面及场钝化高效钙钛矿太阳能电池的方法，包括如下步骤：
31.步骤一：沉积空穴传输层2，选用nio
x
作为空穴传输层2的材料，通过磁控溅射的方式在透明导电基底1上生成一层厚度为80－100nm的nio
x
薄膜；
32.步骤二：沉积钙钛矿光吸收层3，选用fa
0.91
cs
0.09
pbi3前驱液涂布由s1制备的电池上，在160℃的条件下，退火10－15分钟；其中，在本实施例中，所述步骤二中关于fa
0.91
cs
0.09
pbi3前驱液的配置方法如下：将pbi2:fai:csi按照1：0.91：0.09的比例加入体积比为4.75：1的dmf/dm混合溶液中，调配至前驱液溶液浓度为1.25mol/l；再向该溶液中加入macl至macl溶液其浓度为23mol％。
33.步骤三：沉积电子传输层4，将纳米颗粒水溶胶与离子水按照一定比例混合，并加入铁电纳米颗粒51使其浓度为3mg/ml，溶解后涂布于所述钙钛矿光吸收层3上，退火处理；其中，所述纳米颗粒材料选用sno2，所述纳米颗粒水溶胶含量为15wt％，且所述纳米颗粒水溶胶和所述去离子水按照1：4的体积比进行混合。
34.在本实施例中，所述电子传输层4的厚度为50－80nm，且该电子传输层4在制备过程中进行退火处理的温度为100－150℃。
35.在本实施例中，所述铁电纳米颗粒51选用knbo3，
36.步骤四：在步骤三制备的电池片上沉积电极层5；电极层5的构成材料为ag、au、cu、al中的一种，优选ag作为蒸镀的金属电极材料。采用热蒸镀的方法在电子传输层6上沉积一层ag电极，电极的厚度约为60nm。
37.步骤五：施加正向铁电极化；即利用恒流电压源对由步骤四制备所得的钙钛矿电池施加从电极层5指向所述透明导电基底1且垂直该钙钛矿电池表面的正向铁电极化，其中，所述施加的外加电场＞铁电材料的铁电矫顽场。
38.值得注意的是，本实施例中铁电knbo3纳米颗粒的制备：
39.采用水热法合成knbo3纳米颗粒：取40ml的6mol/l的koh溶液置于烧杯中，取0.5gnb2o5加入烧杯中，采用磁力搅拌器搅拌2h使反应物充分混合。将混合液移入反应釜的聚四氟乙烯内胆中，180℃反应5天，反应完成后待其冷却至室温，冷却完成后用去离子水和乙醇冲洗多次以除去体系中的杂质离子，在干燥箱中以70－80℃温度干燥，得到knbo3白色粉末。最后将制备的白色粉末放入球磨机中研磨，得到knbo3纳米颗粒。
40.另外，在本实施例中，所述透明导电基底1在制备之前需要进行清洗，具体清洗步骤：先用无尘纸蘸乙醇擦拭透明导电基底1表面，再经清洁剂、去离子水、丙酮、乙醇依次超声清洗15－20分钟，最后进通风烘箱干燥。
41.透明导电薄膜层11的构成材料为ito锡掺氧化铟、fto掺氟氧化锡、iwo钨掺氧化铟、ico铈掺氧化铟中的一种。
42.空穴传输层2的构成材料为ptaa、pedot：pss、spiro－ometad、poly－tpd、niox、cuscn、cui、v2o5中的一种。
43.钙钛矿光吸收层3的构成材料为有机无机杂化钙钛矿，其通式为abx3，其中a为ch3nh3 (ma )、ch(ch2)2 (fa )、cs 中的至少一种，b为pb2 、sn2 、ge2 中的一种，x为cl－、br－、i－中的至少一种。
44.电子传输层4的构成材料为pcbm、tio2、zno、sno2、h-pdi、f-pdi中的至少一种。
45.在本实施例中，结合图3可知，采用本发明制备的钙钛矿太阳能电池的电池性能和传统钙钛矿太阳能电池相对比，其开路电压有较为显著的提升，短路电流密度也稍有提高，从而明显得出其效率提升效率提升30％－50％。
46.本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
47.本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。