阴极的平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及太阳能电池，具体是一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，可用于光电转换。
【背景技术】
[0002]当今社会，经济的迅猛发展带来了诸如能源危机和全球变暖等严峻问题，可再生清洁能源的发展与利用已经受到全世界的广泛关注。区别于煤、石油、天然气等传统能源，太阳能是一种绿色、清洁、可再生能源，取之不尽用之不竭，有潜力成为未来能源供给中的重要组成部分。太阳能电池作为一种光电转换器件，其研宄与应用已经受到越来越多的重视。与成本高昂的硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池采用有机-无机钙钛矿材料作为光活性层，具有成本低廉、光吸收系数高、质地轻、柔韧性好等特点。随着近年来国内外相关研宄的不断深入，特别是采用介孔电池结构和异质结的光活性层结构后，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性不断提升。钙钛矿太阳能电池中常见的介孔结构，通常是在平面结构的基础上再次旋涂纳米颗粒，这一过程不但增加了工艺的复杂度还提高了钙钛矿太阳能电池的成本。因而，平面结构的钙钛矿太阳能电池越来越受到重视。
[0003]为了提高平面结构钙钛矿太阳能电池的能量转换效率，在电池结构中通常需要加入电极修饰层以实现界面的能级匹配和高效的电荷载流子传输。平面结构电池中，太阳光从阴极一侧入射进入光活性层，因此阴极修饰层的透光性和导电性对电池性能的影响不容忽视。在平面结构钙钛矿太阳能电池中，常用的阴极修饰层有c-Ti02、Cs2C03、Ca等等，由于具有高的电子迀移率和可见光区高的透射率，C-T12是一种很好的修饰层材料。C-T1 2薄膜可以用多种方法制备，如射频磁控溅射、原子层淀积、脉冲激光淀积、化学气相淀积和溶胶凝胶法等等，但这些工艺大多成本高昂或者工艺复杂，因此与大面积薄膜制备不兼容。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于FTO/c-T1^极的平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以简化制作工艺，降低成本。
[0005]为实现上述目的，本发明的太阳能电池自下而上包括:衬底、阴极、电子传输层、光活性层、空穴传输层、阳极，其特征在于:
[0006]阴极，采用氟掺杂氧化锡FT0，用于收集电子；
[0007]电子传输层，采用致密二氧化钛C-T12，用于修饰界面，阻挡空穴，传输电子。
[0008]为实现上述目的，本发明制作太阳能电池的方法包括如下步骤
[0009](I)清洗衬底基片:将带有氟掺杂氧化锡FTO阴极的玻璃基片依次置于去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10?20min，清洗完成后用氮气枪吹干；
[0010](2)制备C-T12前驱体溶液:
[0011]2a)取1.464mL的75%质量分数的二乙酰丙酮基钛酸二异丙酯TiAc溶液，并向该溶液中加入18.536mL的1- 丁醇稀释，对该稀释后的溶液超声处理10_20min获得0.15M/L的C-T12前驱体溶液；
[0012]2b)取2.928mL的75%质量分数的二乙酰丙酮基钛酸二异丙酯TiAc溶液，并向该溶液中加入17.072mL的1- 丁醇稀释，对该稀释后的溶液超声处理10_20min获得0.3M/L的C-T12前驱体溶液；
[0013](3)在氟掺杂氧化锡FTO阴极玻璃基片上旋涂C-T12前驱体溶液，并在温度为100-500°C的烘箱中退火5-15min，形成C-T12电子传输层；
[0014](4)在C-T12电子传输层上旋涂PbI 2溶液，并在70°C下退火5_15min，以蒸发有机溶剂，旋涂时的转速为2000-6000r/min，旋涂的时间为30_60s ；
[0015](5)将PbIJl转化为CH 3NH3PbI3*活性层:将经过步骤4)所得的基片浸泡在CH3NH3I溶液中，在60°C温度下保持5?20min，以保证？1^12与CH 3NH3I这两种材料充分反应;
[0016](6)对光活性层前退火:在空气气氛下，将经过步骤5)所得基片在90°C下退火45min ；
[0017](7)在CH3NH3Pb 13光活性层上旋涂Spiro-MeOTAD空穴传输层，旋涂时的转速为2000r/min，旋涂的时间为45s ；
[0018](8)在空穴传输层上淀积Au金属阳极。
[0019]本发明具有如下优点:
[0020]1.提高了太阳能电池的能量转化效率
[0021]本发明采用氟掺杂氧化锡FTO作为阴极，采用致密二氧化钛C-T12作为电子传输层，由于氟掺杂氧化锡FTO具有超过80%的高透光率，并在500°C的高温下表现出较好的稳定性，这一稳定性使得氟掺杂氧化锡FTO阴极可以承受较高的工艺温度。而作为电子传输层的c-Ti02，降低了氟掺杂氧化锡FTO阴极的功函数，实现了氟掺杂氧化锡FTO阴极与CH3NH3PbI3光活性层之间的能级匹配，改善了氟掺杂氧化锡FTO阴极和CH 3NH3PbI#活性层界面特性，增加了电子的选择性，从而提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压，短路电流密度和填充因子，最终实现了平面结构的钙钛矿太阳能电池的高能量转化效率。
[0022]2.降低了钙钛矿太阳能电池的成本
[0023]本发明通过配制(:-1102前驱体溶液并在氟掺杂氧化锡FTO阴极上旋涂C-T1 2前驱体溶液的方法来制备C-T12电子输运层，该方法操作简单、成本低廉，可以实现大面积薄膜制备；同时，平面结构的采用避免了介孔层的使用，简化了工艺，增加了太阳能电池的成品率，利于降低钙钛矿太阳能电池的成本。
[0024]相比其他制备方法，配制(:-1102前驱体溶液并通过旋涂来制备C-T12电子输运层具有更好的应用前景。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的FT0/c-Ti02阴极钙钛矿太阳能电池结构示意图；
[0026]图2是本发明制作FTCVc-T12阴极钙钛矿太阳能电池的流程图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]参照图1，本发明的FTO/c-T1jH极钙钛矿太阳能电池的结构自下而上包括:衬底1、阴极2、电子传输层3、光活性层4、空穴传输层5、阳极6 ;
[0029]衬底I采用厚度为1.9mm的玻璃，阴极2采用氟掺杂氧化锡FT0，厚度为Ium ；电子传输层3采用致密二氧化钛C-T12,厚度为70?10nm ;光活性层4采用CH3NH3PbI3,厚度为150?300nm ;空穴传输层5采用Spiro-MeOTAD，厚度为10?30nm ;阳极6采用金属Au，厚度为10nm0
[0030]参照图2，本发明制作FTO/c-T12阴极钙钛矿太阳能电池的方法，给出如下三种实施例。
[0031]实施例1，制作致密二氧化钛C-T12厚度为70nm的太阳能电池。
[0032]步骤I，清洗衬底基片。
[0033]将带有氟掺杂氧化锡FTO的1.9mm玻璃基片依次置于去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗lOmin，清洗完成后用氮气枪吹干。
[0034]步骤2，淀积C-T12电子传输层。
[0035]2a)制备前驱体溶液:
[0036]先取21.464mL的75%质量分数的二乙酰丙酮基钛酸二异丙酯TiAc溶液，并向该溶液中加入18.536mL的1- 丁醇稀释，对该稀释后的溶液超声处理1min获得浓度为0.15M/L的C-T12前驱体溶液；
[0037]再取2.928mL的75%质量分数的二乙酰丙酮基钛酸二异丙酯TiAc溶液，并向该溶液中加入17.072mL的1- 丁醇稀释，对该稀释后的溶液超声处理1min获得浓度为0.3M/L的C-T12前驱体溶液；
[0038]2b)旋涂C-T12前驱体溶液:
[0039]先在经过步骤I的基片上第一次旋涂浓度为0.15M/L的C-T12前驱体溶液，旋涂转速为6000r/min，时间为60s，并在温度为100°C的烘箱中退火5min ；
[0040]再在旋涂过浓度为0.15M/L的C-T12前驱体溶液的基片上第二次旋涂浓度为0.3M/L的C-T12前驱体溶液，旋涂转速为4000r/min，时间为40s，并在温度为125°C的烘箱中退火1min ；
[0041]最后在旋涂过浓度为0.3M/L的C-T12前驱体溶液的基片上第三次旋涂浓度为0.3M/L的C-T12前驱体溶液，旋涂转速为4000r/min，时间为30s，在温度为500°C的热台上退火，时间为15min ;获得的C-T12厚度为70nmo
[0042]步骤3，旋涂PbI2溶液。
[0043]首先，将460mg的PbI2溶于Iml的二甲基乙酰胺DMF得到浓度为460mg/mL的溶液，在90°C温度下搅拌6h得到澄清液；
[0044]然后，在经过步骤2的基片上旋涂PbI2溶液，旋涂转速为4500r/min，旋涂时间为60s，得到厚度为10nm的PbI2薄膜，再在烘箱中烘干30min以上，以蒸发残留的有机溶剂。
[0045]步骤4，形成 CH3NH3PbI^料。
[0046]首先，将80mg的CH3NH3I溶解在40ml的异丙醇IPA中，超声处理1min获得CH3NH3I溶液；
[0047]然后，将经过步骤3的基片浸泡在CH3NH3I溶液中，在60°C下保持5min后拿出，并用异丙醇IPA清洗，再用氮气枪吹干，在90°C下退火45min，得到厚度为150nm的CH3NH3PbI3材料。
[0048]步骤5，旋涂Spiro-MeOTAD空穴传输层。
[0049]将90mg 的 Spiro-MeOTAD 溶解在 Iml 氯苯 CB 中，得到 90mg/ml 的 Spiro-MeOTAD氯苯CB溶液；再在经过步骤4的基片上旋涂Spiro-MeOTAD氯苯CB溶液，旋涂转速4500r/min，时间45s，得到厚度1nm的Spiro-MeOTAD空穴输运层。
[0050]步骤6，淀积Au金属阳极。
[0051]将经过步骤5的基片置于金属蒸镀室中热蒸发Au，本底真空度4X10_4Pa，电流80A，得到厚度为10nm的Au阳极。
[0052]步骤7，器件测试与表征。
[0053]对制备好的器件在AM 1.5G太阳光谱下进行光电响应测试。
[0054]通过上述步骤制备了采用C-T12修饰的氟掺杂氧化锡FTO阴极的平面结构钙钛矿太阳能电池，其器件有效面积为7_2，测试得到器件的能量转化效率达到5.5%，开路电压为0.72V，短路电流密度为-18.3mA/cm2,填充因子为42%。
[0055]实施例2，制作致密二氧化钛C-T12厚度为85nm的太阳能电池。
[0056]步骤一，清洗衬底基片。
[0057]将含有氟掺杂氧化锡FTO的1.9mm玻璃基片依次置于去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15min，清洗完成后用氮气枪吹干。
[0058]步骤二，淀积C-T12电子传输层。
[0059]2.1)制备前驱体溶液:
[0060]本步骤的具体实现与实施例1的步骤2a)相同；
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