一种高效无机钙钛矿太阳电池制备方法

1.本发明涉及一种高效无机钙钛矿太阳电池制备方法。


背景技术：

2.近年来无机钙钛矿材料由于其优秀的光电性能作为一种新型高效太阳能光电转换器件，稳定性高且制造成本低廉，展现出巨大的应用前景。作为无机钙钛矿材料中最稳定的材料，cspbbr3一直以来都是研究热点材料。其薄膜的光电性能提升一直都学术界的研究热点。
3.由于无机组份对制备工艺的影响，制备得到的无机钙钛矿薄膜质量都较差。虽然通过热蒸发、旋涂或浸泡两步法对薄膜制备工艺进行了改进优化，但是薄膜中仍然存在大量的缺陷，导致无机钙钛矿太阳能电池器件效率不佳。而杂化钙钛矿中常用的薄膜改进方法如添加剂或反溶剂等，并不适用于无机钙钛矿的制备工艺。因此为了更好地推进无机钙钛矿电池领域的发展，需要开发新的工艺对cspbbr3薄膜进行优化处理，以提升薄膜性能及太阳能光电转换器件的光电性能。


技术实现要素：

4.为了解决现有无机钙钛矿太阳能电池器件中的无机钙钛矿薄膜质量差、缺陷多，而导致无机钙钛矿太阳能电池器件效率差的问题，本发明提供一种高效无机钙钛矿太阳电池制备方法，在无机钙钛矿薄膜制备之后进行热光照处理，进而组装钙钛矿太阳能电池器件，旨在通过优化薄膜质量，减少缺陷密度，提升无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
5.本发明所述高效无机钙钛矿太阳电池制备方法，包括制备钙钛矿薄膜的工序，上述制备钙钛矿薄膜的工序包括以下步骤：
6.1)在衬底上制备cspbbr3钙钛矿薄膜；
7.2)将步骤1)中制备的cspbbr3薄膜放置到加热台上，同时进行300℃-400℃的加热处理和光照处理，得到优化的cspbbr3钙钛矿薄膜。
8.在步骤1)中，衬底包括下层的fto或ito透明电极、及设置在下层透明电极上的上层电子传输层；电子传输层为选自tio2、sno2、zno、pedot:pss、nio中的任一种，上述cspbbr3钙钛矿薄膜位于在电子传输层上。
9.在步骤1)中，cspbbr3钙钛矿薄膜是通过选自溶液旋涂法、浸泡法或者热蒸发法中的一种方法而制得。
10.在步骤2)中，加热处理为底部加热处理，光照处理为顶部光照处理，加热处理和光照处理的时间一致，均为5min-20min。
11.顶部光照处理的光照条件为白光光谱，光照强度为500-1500w/m2。
12.本发明还提供一种高效无机钙钛矿太阳电池，使用上述的高效无机钙钛矿太阳电池制备方法而得。
13.有益效果：本发明利用cspbbr3优秀的高温稳定性，对制备cspbbr3薄膜后进行高温
加热处理，可以有效增大薄膜晶粒尺寸；在高温处理过程中加入光照处理，利用光照能量钝化对应能量范围的缺陷，可以减少薄膜缺陷；利用白光光谱进行光照，白光光谱能量范围更大，可以钝化薄膜内多个能量范围的缺陷；本发明中得到的钙钛矿薄膜能够有效提升光电性能，并有效提升太阳能电池的转换效率。
附图说明
14.图1为本发明中制备钙钛矿薄膜的工序流程图；
15.图2为钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜(sem)形貌照片；(a)为未处理的钙钛矿薄膜的照片；(b)为热光照处理的钙钛矿薄膜的照片；
16.图3为钙钛矿薄膜的x-射线衍射(xrd)图谱；(a)为未处理的钙钛矿薄膜的xrd图谱；(b)为热光照处理的钙钛矿薄膜的xrd图谱；
17.图4为钙钛矿太阳能电池的j-v曲线图；
18.图5为本发明实施例1、2、3的钙钛矿太阳能电池性能的箱式图；(a)为开路电压v
oc
的图；(b)为短路电流j
sc
的图；(c)为填充因子ff的图；(d)为转换效率pce的图；
19.图6为本发明实施例1、4、5的钙钛矿太阳能电池性能的箱式图；(a)为开路电压v
oc
的图；(b)为短路电流j
sc
的图；(c)为填充因子ff的图；(d)为转换效率pce的图。
具体实施方式
20.下面通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
21.实施例1
22.一种高效无机钙钛矿太阳电池，其通过以下步骤制得，首先清洗基片衬底，然后按照顺序沉积tio2传输层、钙钛矿薄膜、碳电极；具体包括以下步骤。
23.一、基片预处理：用去离子水、丙酮和乙醇依次对fto衬底进行超声波清洗15min；清洗结束后用空气吹干；然后用紫外清洗机辐照30min备用。
24.二、沉积电子传输层：在上述处理后的fto衬底表面，旋涂浓度为0.15m乙酰丙酮钛前驱液，以3000rpm转速旋涂30s，在60℃下退火5min，然后在空气中在480℃退火600min，最后通过紫外臭氧机清洗30min，形成tio2电子传输层；
25.三、沉积钙钛矿薄膜：工序包括1)配置pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液，浓度为1mol/l，置于加热台在75℃搅拌至完全溶解；将pbbr2的n,n-二甲基甲酰胺溶液以3000rpm的速度旋涂到第二步得到的tio2电子传输层上，旋涂时间为30s，然后在加热台上在75℃加热处理10min，得到pbbr2薄膜，接着在pbbr2薄膜上旋涂浓度为15g/l的csbr的甲醇溶液，以转速3000rpm持续30s，然后在250℃退火10min；持续旋涂三次以上直至得到纯相的cspbbr3钙钛矿薄膜；2)将cspbbr3薄膜放置到加热台上进行退火(底部加热处理)，退火温度为400℃，同时在顶部进行光照处理，光照条件是强度为1000mw/cm2的白光光谱；退火、光照处理的时间均为10min，得到优化的cspbbr3钙钛矿薄膜(处理流程如图1所示，图中cv是导带底，vb是价带顶)。
26.四、碳电极层：通过丝网印刷的方法将碳浆料涂在优化的cspbbr3钙钛矿薄膜上，然后在120℃下加热30分钟，制成钙钛矿太阳能电池。
27.实施例2
28.将实施例1步骤三中工序2)中的“光照条件是强度为1000mw/cm2的白光光谱”变更为“光照条件是强度为500mw/cm2的白光光谱”，除此以外，与实施例1相同，得到钙钛矿太阳能电池。
29.实施例3
30.将实施例1步骤三中工序2)中的“光照条件是强度为1000mw/cm2的白光光谱”变更为“光照条件是强度为1500mw/cm2的白光光谱”，除此以外，与实施例1相同，得到钙钛矿太阳能电池。
31.实施例4
32.将实施例1步骤三中工序2)中的“退火、光照处理的时间均为10min”变更为“退火、光照处理的时间均为5min”，除此以外，与实施例1相同，得到钙钛矿太阳能电池。
33.实施例5
34.将实施例1步骤三中工序2)中的“退火、光照处理的时间均为10min”变更为“退火、光照处理的时间均为20min”，除此以外，与实施例1相同，得到钙钛矿太阳能电池。
35.对比例1
36.将实施例1步骤三中工序2)省略，除此以外，与实施例1相同，得到钙钛矿太阳能电池。
37.性能测试
38.对实施例1步骤三中工序1)中得到的纯相的cspbbr3钙钛矿薄膜和2)中得到的优化的cspbbr3钙钛矿薄膜分别进行sem拍照和图谱分析，结果如图2、及图3所示。根据图2可知，经过热光照处理之后，薄膜晶粒尺寸明显增大，达到微米尺寸；而且经过热光照处理之后薄膜表面更加平整，原来存在的孔隙也减少。根据图3可知，经过热光照处理之后，薄膜仍然保持cspbbr3纯相，但是图谱信噪比明显变好，说明薄膜的结晶性得到优化。
39.分别对实施例1和对比例1的钙钛矿太阳能电池进行性能测试，结果如图4所示。根据图4可知，经过热光照处理后器件性能得到优化。
40.对实施例1-3的钙钛矿太阳能电池的性能进行测试，结果如图5所示。根据图5可知，实施例1的经过1000mw/cm2强度光照处理后太阳能电池性能最佳。
41.对实施例1、4、5的钙钛矿太阳能电池的性能进行测试，结果如图6所示。根据图6可知，实施例1的经过10min光照处理后太阳能电池性能最佳。
42.上述未特别提及的技术均参照现有技术。
43.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。