钙钛矿太阳能电池的制备方法及电池与流程

本发明涉及太阳能电池的，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池的制备方法及电池。

背景技术：

1、银电极以其优异的功函匹配性、重复性以及性价比，成为钙钛矿太阳能电池倒置器件中最常见的金属电极之一。然而，银原子或离子的化学反应性和/或扩散会导致不可逆的结构损伤，尤其在串联型钙钛矿光伏组件中，如图1所示，钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触并相互联接，器件中卤素离子与银离子相互扩散会影响器件的效率及长期稳定性。为了解决这个难题，沉积具有一定厚度的金属氧化物(ceo2，sno2，tio2，zno)电子传输层，有助于提升组件的整体性能，其具体作用如下：

2、1、界面调控：通过沉积金属氧化物层，可以调控钙钛矿与金属电极层之间的界面能量学，优化器件的电荷传输和收集效率。

3、2、稳定性提升：在倒置钙钛矿器件中，顶部电子传输层的合理设计起着更为关键的作用，其可以提供自封装功能，以保护底层钙钛矿层免受环境中氧气和水分的影响。金属氧化物层有助于增加钙钛矿表面的稳定性，避免钙钛矿与银电极直接的相互扩散与反应，减缓其在环境中的降解速度，延长器件的寿命。

4、目前金属氧化物层的制备方法通常分为纳米材料沉积法和原子层沉积法(ald)。

5、纳米材料沉积法优点在于设备成本低，减少一次性投入。但其厚度均匀性难以控制。制备氧化锡层的厚度均匀性可能受到影响，这可能在一些应用中造成性能的不稳定性。此外，在钙钛矿上表面实现紧密有序的无机纳米颗粒组装是非常具有挑战性的。虽然配体的引入可以改善纳米颗粒在非极性溶剂中的分散性，提升其组装致密性，但过多的长碳链配体(如油酸、油胺、硬脂酸等)会阻碍电荷传输，导致电子传输能力的下降(如图2左所示)。因此，无机纳米颗粒形成紧密有序的排列才能使电子稳定地传输，从而提高电池性能(如图2右所示)。

6、ald法优势在于精准控制厚度和均匀性。其以原子为基本单位进行沉积，这使得其可以在纳米尺度对薄膜的厚度和均匀性进行高度精准的控制，提高器件制备重复性。同时，ald还可以适用于复杂的化学环境，能够在多种基底和材料之间实现高质量的薄膜生长。但相对于其他一些制备技术，ald通常生产效率较低，使其大规模生产中使用受限。此外，ald设备相对复杂，需要高度精密的控制和维护，致使设备投资和运营成本的增加。

7、在钙钛矿、c60或pc61bm表面如何通过简单而有效的方法组装形成致密的金属氧化物层，并尽可能减少对下层界面的损伤，是当前业界积极探索需要解决的课题。

技术实现思路

1、为克服纳米颗粒法以及ald法沉积金属氧化物存在的问题，本发明利用2-乙基己酸金属盐与银原子在微量水环境下自发形成的致密金属氧化物层。

2、本发明的第一方面提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

3、(1)提供透明电极；

4、(2)在所述透明电极上自下而上依次制备空穴传输层和钙钛矿层；

5、(3)在所述钙钛矿层上沉积第一电子传输层；

6、(4)将金属氧化物前驱体溶液沉积于所述第一电子传输层上，退火，原位形成第二电子传输层，其中，所述金属氧化物前驱体溶液包括2-乙基己酸盐、水和有机溶剂；

7、(5)在所述第二电子传输层上制备金属电极，得到所述钙钛矿太阳能电池。

8、根据第一方面的方法，其中，步骤(4)中，所述金属氧化物前驱体溶液中，所述2-乙基己酸盐选自2-乙基己酸锡(ii)、2-乙基己酸锌、2-乙基己酸钛、2-乙基己酸铈(iii)中的一种或多种；和/或

9、所述溶剂为乙醇和/或异丙醇。

10、根据第一方面的方法，其中，所述金属氧化物前驱体溶液中，所述2-乙基己酸盐的体积分数为0.5～10vol％，所述水的体积分数为0.05～2vol％。

11、根据第一方面的方法，其中，步骤(4)中，所述退火温度为60～150℃；和/或

12、所述退火时间为5～20min。

13、根据第一方面的方法，其中，沉积所述金属氧化物前驱体溶液的方法为浸泡法，包括：

14、将步骤(3)所得器件浸泡于所述金属氧化物前驱体溶液中10～600s。

15、根据第一方面的方法，其中，沉积所述金属氧化物前驱体溶液的方法为旋涂法，包括：

16、在步骤(3)所得器件的第一电子传输层上旋涂所述金属氧化物前驱体溶液，旋涂速度为2000～6000rpm。

17、根据第一方面的方法，其中，所述透明电极的材料选自ito、fto、azo中的一种或多种；

18、所述空穴传输层的材料为p型半导体，选自poly-tpd、ptaa、氧化镍、sam分子中的一种或多种，所述sam分子为meo-2pacz、meo-4pacz、me-2pacz、me-4pacz；和/或

19、所述第一电子传输层的材料选自pc61bm、pc71bm、c60；和/或

20、所述金属电极的材料为银或铜，优选为银。

21、根据第一方面的方法，其中，所述钙钛矿层的材料为具有abx3结构的半导体化合物；

22、其中，a选自胺基、脒基、胍基、铯的一价有机阳离子中的一种或多种；

23、b选自铅和任选的锡、铷、银、铋、硅、镁金属离子中的一种或多种，且b中铅离子的摩尔百分数不低于80％；

24、x选自碘离子、氯离子、溴离子、硫氰酸根、乙酸根中的一种或多种。

25、根据第一方面的方法，其中，所述钙钛矿层的厚度为300～700nm；

26、所述第一电子传输层的厚度为5～120nm；

27、所述第二电子传输层的厚度为5～30nm；和/或

28、所述金属电极的厚度为60～150nm。

29、本发明的第二方面提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池根据第一方面所述的方法制备。

30、本发明方法将金属氧化物作为倒置器件中的高效电子传输层，确保在可控的厚度范围内维持有效的电子传递。此外，本发明成功地在器件顶部形成了一个致密而紧凑的氧气和水屏障，显著提高了器件的效率和环境稳定性。本发明方法具有高度可靠性、低成本和可规模化应用的潜力，极大地降低了在钙钛矿顶部制备致密金属氧化物所需的设备和工艺需求，加速了生产的节奏。这一技术的引入有望在相关领域中推动钙钛矿太阳能电池和其他倒置器件的性能提升，为清洁能源和电子器件领域带来更为可持续和创新的解决方案。

31、本发明的钙钛矿电池结构至少具有以下有益效果：

32、1.提升倒置钙钛矿器件的整体性能：

33、(1)调控界面能级：通过调整钙钛矿与金属电极层之间的界面能级，成功优化了器件的电荷传输和收集效率，改善了器件的整体性能。

34、(2)自封装功能：引入自封装功能，有效保护钙钛矿层免受环境中氧气和水分的侵害，以及与金属电极直接接触可能引起的相互扩散与反应，从而减缓器件在环境中的降解速度，延长器件的寿命。

35、2.提升产业化应用价值：

36、(1)克服ald法设备投入高、生产效率低的问题，降低了生产成本。

37、(2)克服纳米颗粒法沉积中合成工艺复杂，薄膜组装致密差、电荷传输能力差的问题。