一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池包括自下而上依次设置的透明导电层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极，其中，空穴传输层上设有蛾眼结构，蛾眼结构位于空穴传输层与钙钛矿光吸收层之间，蛾眼结构的两顶点平均间距与蛾眼结构的平均高度比值为8～15，蛾眼结构的平均高度占空穴传输层总厚度的比值为0.1～0.5，空穴传输层的电阻率小于5000Ωcm。与现有技术相比，本发明专利技术通过在空穴传输层上设置具有限定尺寸的蛾眼结构，能够减缓空穴传输层与钙钛矿光吸收层界面折射率的突变，降低界面反射，提高入射光的吸收，从而提升太阳能电池的光电转换率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池
，尤其是涉及一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着能源和环境问题的日趋严峻，清洁、高效的可再生能源越来越受到人们的瞩目。有机-无机杂化钙钛矿材料在2009年被尝试应用于光伏发电领域后，因为其性能优异、并具有低成本制造的潜力，成为下一代太阳能电池研究的热点。目前的钙钛矿太阳能电池结构如图1所示：通过在玻璃衬底上形成透明导电层，并在透明导电层1上依次形成空穴传输层2、钙钛矿光吸收层3、电子传输层4、空穴阻挡层5和金属电极6。其中的空穴传输层通常为PEDOT：PSS层，具体是一种通过旋涂后烘干方法制备得到的平面结构，其他可以用作空穴传输层的材料还包括CuSCN、PVK、CuI等。然而，在应用上述钙钛矿太阳能电池时，由于空穴传输层与钙钛矿材料的折射率数值差距较大(比如PEDOT：PSS与钙钛矿材料MAPbI3在550nm处折射率的差别在0.4以上)，根据菲涅尔理论，这中折射率差异将会导致入射光在空穴传输层与钙钛矿光吸收层的界面发生反射，使得钙钛矿光吸收层中的入射光吸收不够充分，进而影响整个太阳能电池的光电转换率。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池及其制备方法，以降低入射光在空穴传输层与钙钛矿光吸收层界面发生的反射，提高钙钛矿光吸收层中的入射光吸收、提升太阳能电池的光电转换率。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，包括自下而上依次设置的透明导电层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极，所述空穴传输层上设有蛾眼结构，所述蛾眼结构位于空穴传输层与钙钛矿光吸收层之间，所述蛾眼结构的两顶点平均间距与蛾眼结构的平均高度比值为8～15，所述蛾眼结构的平均高度占空穴传输层总厚度的比值为0.1～0.5，所述空穴传输层的电阻率小于5000Ωcm。进一步地，所述蛾眼结构的两顶点平均间距为200～460nm，所述蛾眼结构的平均高度为10～50nm。进一步地，所述空穴传输层的厚度为50～200nm。进一步地，所述透明导电层采用叠层结构，所述空穴传输层与透明导电层在500nm波长处的透光率为20％～85％、在700nm波长处的透光率为35％～85％。进一步地，所述电子传输层的厚度为5～50nm。进一步地，所述空穴阻挡层的厚度为1～20nm。进一步地，所述金属电极的厚度为50～1000nm。一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池制备方法，包括以下步骤：S1、制备蛾眼结构软模板：选用Si、SiO2、石英、SiC、铜、金或铂材料加工制作母版；将PFPE与3wt％的光引发剂混合后滴到母版上，用紫外灯进行固化，然后从母版移出具有凹凸结构的PFPE软模板，即得到蛾眼结构软模板；S2、制备蛾眼结构空穴传输层：清洗ITO玻璃基板后，并用等离子体处理15min；将PEDOT、PSS和Nafion按照预设比例混合，得到混合溶液，将该混合溶液旋涂在ITO玻璃基板上，然后在50℃的热板上烘烤3分钟，得到PEDOT：PSS层；将PFPE软模板放在PEDOT：PSS层的表面上，并在120℃、0.1MPa恒定压力下压制3分钟；剥离PFPE模具，在120℃温度下进一步退火25分钟，即得到蛾眼结构空穴传输层；S3、制备太阳能电池：制备钙钛矿光吸收层：将PbI2，CH3NH3I和DMSO按摩尔比1：1：1溶解在600mgDMF溶剂中，并在使用前搅拌1h，将该溶液以4000rpm的速度在蛾眼结构空穴传输层上旋涂30s，并将0.3mL氯苯滴到旋转的基材上，以去除DMF溶剂；随后加热10分钟，以获得深色和有光泽的CH3NH3PbI3膜；制备电子传输层：将150μL的PCBM溶液以4000rpm的速度在钙钛矿光吸收层上旋涂30s，即得到电子传输层；制备空穴阻挡层：将溶解在IPA中的BCP溶液以5000rpm的速度旋涂在电子传输层上，即得到空穴阻挡层；制备金属电极：在空穴阻挡层上热蒸发金属电极，以此完成太阳能电池的制备。进一步地，所述步骤S1中加工制作母版的具体过程为：S11、选用Si、SiO2，石英，SiC，铜，金或铂材料加工制作片状板；S12、使用丙酮、乙醇、HF(HydrofluoricAcid，氢氟酸)和去离子水对片状板进行化学清洗；S13、将5ml的AgNO3、20ml的HF和80ml的去离子水混合形成混合溶液，将片状板浸入该混合溶液中形成Ag膜，然后在预设温度下退火处理，以获得涂覆有Ag纳米颗粒的片状板，即为母版，通过不同预设温度下的退火处理，能够控制Ag纳米颗粒的分布，从而控制母版及后续蛾眼结构的两顶点间距。进一步地，所述步骤S2中预设比例具体为1:6:25.4。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、本专利技术通过设置具有蛾眼结构的空穴传输层，在空穴传输层与钙钛矿光吸收层之间存在折射率差异的情况下，能够减缓界面折射率的突变、降低入射光在界面的反射，从而提高入射光的吸收。二、本专利技术限定了空穴传输层蛾眼结构的顶点平均间距和平均高度，以及整个空穴传输层的厚度与蛾眼结构平均高度之间的关系，从而保证钙钛矿光吸收层与空穴传输层之间的相互配合，使得蛾眼结构上能够形成高质量的钙钛矿薄膜，从而有效减少界面折射率突变、降低空穴传输层的电阻率、提高太阳能电池光电转换率。三、本专利技术通过在PEDOT：PSS溶液中混合Nafion溶液，能够调整空穴传输层和钙钛矿层的能带结构，从而进一步提升太阳能电池的光电转换率。附图说明图1为现有技术的钙钛矿太阳能电池结构示意图；图2为本专利技术的太阳能电池结构示意图；图中标记说明：1、透明导电层，2、空穴传输层，3、钙钛矿光吸收层，4、电子传输层，5、空穴阻挡层，6、金属电极。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。如图2所示，一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，包括自下而上依次叠层的透明导电层1、空穴传输层2、钙钛矿光吸收层3、电子传输层4、空穴阻挡层5和金属电极6，其中，空穴传输层2上设有蛾眼结构，该蛾眼结构的两顶点平均间距为d，该蛾眼结构的平均高度为h。具体的，透明导电层1包括基板和透明电极，作为本专利技术的基板，只要能够通过旋涂、印刷或者蒸镀等方法在其上形成薄膜的片状材料就可以，例如玻璃、石英、MgO、或者金属如铝、铜、银、不锈钢，或者塑料如PET、聚酰亚胺，PC等材料，另外，也可以使用叠层结构，比如在不锈钢与聚酰亚胺所构成的叠层基板，具有可弯性，而且适合卷对卷的制造工艺；透明电极可以使用传统的透明电极材料，如ITO(氧化铟锡)、AZO(铝掺杂氧化锌)、网格状Ag，网格状Cu，石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，包括自下而上依次设置的透明导电层(1)、空穴传输层(2)、钙钛矿光吸收层(3)、电子传输层(4)、空穴阻挡层(5)和金属电极(6)，其特征在于，所述空穴传输层(2)上设有蛾眼结构，所述蛾眼结构位于空穴传输层(2)与钙钛矿光吸收层(3)之间，所述蛾眼结构的两顶点平均间距与蛾眼结构的平均高度比值为8～15，所述蛾眼结构的平均高度占空穴传输层(2)总厚度的比值为0.1～0.5，所述空穴传输层(2)的电阻率小于5000Ωcm。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，包括自下而上依次设置的透明导电层(1)、空穴传输层(2)、钙钛矿光吸收层(3)、电子传输层(4)、空穴阻挡层(5)和金属电极(6)，其特征在于，所述空穴传输层(2)上设有蛾眼结构，所述蛾眼结构位于空穴传输层(2)与钙钛矿光吸收层(3)之间，所述蛾眼结构的两顶点平均间距与蛾眼结构的平均高度比值为8～15，所述蛾眼结构的平均高度占空穴传输层(2)总厚度的比值为0.1～0.5，所述空穴传输层(2)的电阻率小于5000Ωcm。


2.根据权利要求1所述的一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，其特征在于，所述蛾眼结构的两顶点平均间距为200～460nm，所述蛾眼结构的平均高度为10～50nm。


3.根据权利要求1所述的一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层(2)的厚度为50～200nm。


4.根据权利要求1所述的一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层(1)采用叠层结构，所述空穴传输层(2)与透明导电层(1)在500nm波长处的透光率为20％～85％、在700nm波长处的透光率为35％～85％。


5.根据权利要求1所述的一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层(4)的厚度为5～50nm。


6.根据权利要求1所述的一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，其特征在于，所述空穴阻挡层(5)的厚度为1～20nm。


7.根据权利要求1所述的一种具有蛾眼结构空穴传输层的太阳能电池，其特征在于，所述金属电极(6)的厚度为50～1000nm。


8.一种用于制备权利要求1所述太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备蛾眼结构软模板：
选用Si、SiO2、石英、SiC、铜、金或铂材料加工制作母版；
将将PFPE与3wt％的光引发剂混合后滴到母版上，用紫外灯进行固化，然后从母版移出具有凹凸结构的PFPE软模板，即得到蛾眼结构软模板；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅闻，李亚南，杜伟杰，石旺舟，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31