一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池领域，具体涉及一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法。该方法包括：(1)在透明导电基底上制作电子传输层；(2)在电子传输层上蒸镀沉积第一PbBr2薄膜，在80～120℃下进行一次退火，之后蒸镀沉积CsBr薄膜，在250～350℃进行二次退火，最后再蒸镀沉积第二PbBr2薄膜，在250～350℃进行三次退火，得到CsPbBr3钙钛矿薄膜；(3)在钙钛矿薄膜上制备顶电极。本发明专利技术中，蒸镀过程采用(PbBr2—CsBr—PbBr2)三明治结构，并通过各阶段薄膜厚度及退火温度的控制，使CsBr和PbBr2充分反应，所得钙钛矿薄膜具有更纯的CsPbBr3相，有利于提高电池性能。提高电池性能。提高电池性能。

【技术实现步骤摘要】
一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法


[0001]本专利技术属于太阳能电池领域，具体涉及一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法。

技术介绍

[0002]钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子
‑
空穴对；由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子，而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长；然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到电子传输层，最后被阴极收集，而空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，之后被金属电极收集；最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。
[0003]钙钛矿吸光层作为太阳能电池中一个最重要的功能层，对电池的光伏性能起着举足轻重的作用。有机
‑
无机杂化钙钛矿材料由于效率高的优势备受关注，然而其中的有机成分严重影响电池的稳定性。而全无机钙钛矿材料在环境稳定性方面具有得天独厚的优势，另外采用无空穴—碳电极的器件结构可以杜绝使用不稳定的有机空穴传输层和昂贵的金属电极，从而显著提升环境稳定性和降低制造成本。全无机钙钛矿材料包括CsPbI3、CsPbI2Br、CsPbIBr2和CsPbBr3，其中CsPbBr3是铯基全无机钙钛矿中稳定性最好的材料，同时CsPbBr3钙钛矿太阳能电池器件是具有较高的理论开路电压，已成为近年来的热点研究。
[0004]常规的CsPbBr3钙钛矿太阳能电池主要有透明导电电极、电子传输层、CsPbBr3钙钛矿吸光层、空穴传输层和顶部金属电极组成，或者是通过刮涂碳电极代替空穴传输层和顶部金属电极。对于CsPbBr3钙钛矿层的制备，由于CsBr和PbBr2在溶液中的溶解度差异较大，因此现有的制备CsPbBr3钙钛矿层的方法往往采用多步旋涂法，制备方法繁琐，同时不利于实现商业化大规模生产应用。
[0005]华婧辰等研究了基于真空蒸镀法制备CsPbBr3钙钛矿太阳能电池(武汉理工大学硕士学位论文，2020年3月)，为改善固相反应的反应速度较慢以及反应不均匀的缺点，其对比了双层连续蒸镀以及一次退火工艺、四层连续蒸镀以及二次阶梯退火的方法，二次阶梯退火是先在335℃退火20min，然后在290℃退火30min，来获得晶粒明显增大且更加致密的CsPbBr3薄膜晶粒。在优化条件下获得的钙钛矿电池的光电转换效率PCE为3.87％。
[0006]虽然真空蒸镀法具有适于制备高附着性、高重复性以及大面积薄膜的优势，但基于真空蒸镀法制备CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍难以令人满足满意。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，以解决基于真空蒸镀法制备CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率较低的问题。
[0008]为了实现目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0009]一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)在透明导电基底上制作电子传输层；
[0011](2)在电子传输层上蒸镀沉积第一PbBr2薄膜，在80～120℃下进行一次退火，之后蒸镀沉积CsBr薄膜，在250～350℃进行二次退火，最后再蒸镀沉积第二PbBr2薄膜，在250～350℃进行三次退火，得到CsPbBr3钙钛矿薄膜；其中，第一PbBr2薄膜的沉积厚度为80～120nm，CsBr薄膜的沉积厚度为180～220nm，第二PbBr2薄膜的沉积厚度为130～170nm；
[0012](3)在钙钛矿薄膜上制备顶电极。
[0013]本专利技术的全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，蒸镀过程采用(PbBr2—CsBr—PbBr2)三明治结构，并通过各阶段薄膜厚度及退火温度的控制，使CsBr和PbBr2充分反应，所得钙钛矿薄膜具有更纯的CsPbBr3相，有利于提高电池性能。其中，小面积钙钛矿太阳电池光电转换效率达到9.75％，大面积钙钛矿太阳电池效率达到8.33％，均显著优于多步旋涂法和现有真空蒸镀法所能达到的水平。
[0014]为了获得更纯的CsPbBr3相，减少杂质相的产生，需要精确控制蒸镀厚度，如果厚度控制不当，则会出现大量的衍生相如Cs4PbBr6和CsPb2Br5，不仅会造成性能不佳，同时影响器件的环境稳定性。为了进一步优化全无机钙钛矿太阳能电池的光伏性能，优选地，一次退火的温度为100～120℃，二次退火的温度为300～350℃，三次退火的温度为300～350℃。
[0015]另外，本专利技术蒸镀制备的钙钛矿薄膜具有较大的晶粒尺寸、更纯的钙钛矿相可以有效降低薄膜缺陷态浓度，从而减少载流子在晶界处复合的可能性和减缓钙钛矿晶粒分解，从而显著改善电池的光电转换效率和环境稳定性；器件制备工艺简单，成本低廉，并且更适用于大面积钙钛矿太阳能电池的制备。
[0016]为进一步获得更大且均匀的晶粒，优选地，步骤(2)中，一次退火的时间为30～60min；二次退火的时间为30～60min；三次退火的时间为30～60min。
[0017]为进一步提高蒸镀质量，提高所得钙钛矿薄膜的致密性，优选地，步骤(2)中，蒸镀沉积第一PbBr2薄膜、第二PbBr2薄膜的蒸镀材料为PbBr2粉末，PbBr2粉末的蒸发速率为粉末的蒸发速率为蒸镀沉积CsBr薄膜的蒸镀材料为CsBr粉末，CsBr粉末的蒸发速率为
[0018]为进一步优化蒸镀沉积效果，优选地，步骤(2)中，所述蒸镀沉积在真空下进行，控制真空度不大于8
×
10
‑4Pa。
[0019]从电子传输层的成本和电子传递效果方面考虑，优选地，步骤(1)中，所述电子传输层为TiO2电子传输层。
[0020]为进一步优化TiO2电子传输层的制作质量，优选地，步骤(1)中，所述制作电子传输层包括以下步骤：将透明导电基底置于TiCl4水溶液中，在70℃处理60min，取出处理后的透明导电基底，再在100℃退火60min。TiCl4水溶液的浓度优选为200mM。
[0021]透明导电基底的选择可参考现有技术，为进一步降低成本，优选地，步骤(1)中，所述透明导电基底为FTO透明导电玻璃。
[0022]优选地，步骤(3)中，所述顶电极为碳电极。采用无空穴碳电极的简单器件结构，能够进一步降低太阳能电池的制作成本。
[0023]为进一步提高碳电极制作的稳定性和可重复性，优选地，步骤(3)中，所述制备顶电极包括在CsPbBr3钙钛矿薄膜上刮涂导电碳浆，然后进行干燥处理。进一步优选地，所述
干燥处理是在100℃下处理10min。
附图说明
[0024]图1为实施例1中器件截面形貌图；
[0025]图2为实施例1和对比例1中制备的Cs本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在透明导电基底上制作电子传输层；(2)在电子传输层上蒸镀沉积第一PbBr2薄膜，在80～120℃下进行一次退火，之后蒸镀沉积CsBr薄膜，在250～350℃进行二次退火，最后再蒸镀沉积第二PbBr2薄膜，在250～350℃进行三次退火，得到CsPbBr3钙钛矿薄膜；其中，第一PbBr2薄膜的沉积厚度为80～120nm，CsBr薄膜的沉积厚度为180～220nm，第二PbBr2薄膜的沉积厚度为130～170nm；(3)在钙钛矿薄膜上制备顶电极。2.如权利要求1所述的全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，一次退火的时间为30～60min；二次退火的时间为30～60min；三次退火的时间为30～60min。3.如权利要求1所述的全无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，蒸镀沉积第一PbBr2薄膜、第二PbBr2薄膜的蒸镀材料为PbBr2粉末，PbBr2粉末的蒸发速率为蒸镀沉积CsBr薄膜的蒸镀材料为CsBr粉末，CsBr粉末的蒸发速率为蒸镀沉积CsBr薄膜的蒸镀材料为CsBr粉末，CsBr粉末的蒸发速率为4.如权利要求1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈永龙，郭如新，赵妍，楚旭柯，邵国胜，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：