一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 (Perovskite solar cell and preparation method thereof ) 是由 尹力 赵春 杨莉 刘伊娜 赵策洲 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法,所述钙钛矿太阳能电池中,空穴传输层和顶电极层之间设置有氧化钒钝化层。本发明通过在钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层和顶电极层之间设置有氧化钒钝化层,利用氧化钒钝化层,能够起到载流子选择作用提高器件性能,并结合钙钛矿太阳能电池达到一个高效且低成本的目的,此外,本发明通过ALD沉积制备氧化钒钝化层,有效保证钙钛矿太阳能电池不被破坏,从而具有结构简单、制备简易和稳定性高等特点。(The invention provides a perovskite solar cell and a preparation method thereof. In addition, the vanadium oxide passivation layer is prepared through ALD deposition, so that the perovskite solar cell is effectively prevented from being damaged, and the perovskite solar cell has the characteristics of simple structure, easiness in preparation, high stability and the like.)
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池具有价格便宜、制造工艺简单等特点，并且其具备光电转换效率高和带宽可调的特点，利于做叠层太阳能电池的上电池，近年来受到了很大的关注。
目前，传统的正置钙钛矿太阳能电池一般在没有封装的情况下，存在稳定性较差的问题，一般用氧化钼钝化层来提高稳定性，但是又会在70度以上的温度条件下发生褶皱。因此需要一个耐高温且不影响电荷传输的钝化层来提高器件的稳定性
CN111463349A公开了一种提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方法，钙钛矿太阳能电池包括电极层、电子传输层、空穴传输层、钙钛矿薄膜层，在制备钙钛矿薄膜层的过程中添加了稳定剂，所述稳定剂为具有F-B结构的化合物，其中，F是指卤素氟，B是指具有强吸电子作用的化学结构。该发明在钙钛矿材料中使用添加剂去稳定钙钛矿材料中的碘，抑制碘离子移动，提供一种具有掺杂添加剂的活性层的钙钛矿薄膜及其应用于太阳能电池，从而提高钙钛矿薄膜太阳能电池的长期稳定性。
CN111092157A公开了一种高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包含：在透明导电衬底上旋涂空穴传输层，在60～100℃退火处理；将钙钛矿层旋涂于空穴传输层上，在80～140℃退火处理；将旋涂钙钛矿层后的材料置于湿度为24～39％的空气环境中静置；将电子传输层旋涂在钙钛矿层上，在80～100℃退火处理；将阴极修饰层旋涂在电子传输层上；将金属电极真空蒸镀在阴极修饰层上。该发明的方法利用空气中无处不在的水分对钙钛矿薄膜进行处理，使得钙钛矿薄膜与空气充分接触，在水分的作用下使钙钛矿分解再重结晶，以增大钙钛矿晶粒，减少晶界面积，降低缺陷态密度，改善界面电荷传输，从而提高PSCs器件性能。
CN109786555A公开了一种钙钛矿太阳能电池及制备方法，该太阳能电池包括自下而上的透明衬底层、透明阳极层、阶层梯度空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、电子缓冲层、金属阴极层。上述各层主要通过蒸镀工艺制备而成。该发明的太阳能电池开路电压VOC及光电转换效率PCE较高，最大效率可达16.8％，开路电压可达到1.05V，稳定性好。
现有钙钛矿太阳能电池，均存在结构复杂、制备困难、成本高和稳定性差等问题，因此，如何在保证钙钛矿太阳能电池在具有效率高、结构简单、成本低和制备简易的情况下，还能够具有高稳定性，成为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氧化钒钝化层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过在空穴传输层和顶电极层之间设置有氧化钒钝化层，在不影响电荷传输的情况下，通过隧穿作用能够显著提高器件稳定性，具有结构简单、制备简易和稳定性高等特点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层和顶电极层之间设置有氧化钒钝化层。
本发明通过在钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层和顶电极层之间设置有氧化钒钝化层，利用氧化钒钝化层提供的载流子选择功能，能够提升其性能，同时在提升其性能的情况下提供一层致密的保护膜来提高钙钛矿太阳能电池的水氧及热稳定性，从而具有高效率、结构简单、制备简易和稳定性高等特点。
作为本发明的一个优选技术方案，所述钙钛矿太阳能电池包括依次层叠设置的基底层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、氧化钒钝化层和顶电极层。
优选地，所述氧化钒钝化层的厚度为4～6nm，例如为4.0nm、4.2nm、4.4nm、4.6nm、4.8nm、5.0nm、5.2nm、5.4nm、5.6nm、5.8nm或6.0nm。
本发明通过控制氧化钒钝化层的厚度为4～6nm，若氧化钒钝化层的厚度小于4nm，空穴能够通过隧穿作用传递到电极中，从而引起复合以降低载流子寿命；若氧化钒钝化层的厚度大于6nm，则存在阻碍电子有效传输至电极处的问题。
作为本发明的一个优选技术方案，所述顶电极层的形状包括长方形和/或栅线形。
需要说明的是，本发明中顶电极可以是金属电极或有机材料电极，本领域技术人员可根据设计需要合理选择。
优选地，所述顶电极层的厚度为80～120nm，例如为80nm、85nm、90nm、95nm、100nm、105nm、110nm、115nm或120nm。
作为本发明的一个优选技术方案，所述空穴传输层为P型空穴传输层。
优选地，所述空穴传输层的厚度为20～50nm，例如为20nm、22nm、24nm、26nm、28nm、30nm、32nm、34nm、36nm、38nm、40nm、42nm、44nm、46nm、48nm或50nm。
作为本发明的一个优选技术方案，所述电子传输层为N型电子传输层。
优选地，所述电子传输层的厚度为20～80nm，例如为20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm或80nm。
作为本发明的一个优选技术方案，所述钙钛矿层的材质包括二维钙钛矿材料、双钙钛矿材料或通式为ABX3的钙钛矿材料。
优选地，所述通式为ABX3的钙钛矿材料中，A优选为FA、MA或Cs中的一种或至少两种的组合；B优选为Pb、Sn或Ge中的一种或至少两种的组合；C优选为I、Br或Cl中的一种或至少两种的组合。
需要说明的是，FA代表的是HC(NH2)2+，MA代表的是CH3NH3+。
优选地，所述基底层的材质包括ITO和/或FTO。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法包括：
在基底层上依次制备电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、氧化钒钝化层和顶电极层，制备得到所述的钙钛矿太阳能电池。
作为本发明的一个优选技术方案，所述氧化钒钝化层的制备方式包括原子层沉积ALD。
优选地，所述氧化钒钝化层的具体制备方式包括：钒有机前驱体溶液进入ALD反应器进行循环沉积。
作为本发明的一个优选技术方案，所述钒有机前驱体溶液包括钒有机前驱体材料和溶剂。
优选地，所述钒有机前驱体材料包括三异丙醇氧钒。
优选地，所述溶剂包括去离子水。
作为本发明的一个优选技术方案，所述钒有机前驱体溶液的温度为45～55℃，例如为45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃或55℃。
优选地，所述ALD反应器中的反应温度为75～85℃，例如为75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃、81℃、82℃、83℃、84℃或85℃。
优选地，所述ALD反应器中衬底的温度为75～85℃，例如为75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃、81℃、82℃、83℃、84℃或85℃。
优选地，所述ALD反应器中的反应温度与衬底的温度相同。
优选地，所述循环沉积中，一次沉积的厚度为0.6～1.0埃，例如为0.60埃、0.64埃、0.68埃、0.72埃、0.76埃、0.80埃、0.84埃、0.88埃、0.92埃、0.96埃或1.00埃。
本发明通过循环沉积，对比旋涂等其他方法，能够得到更致密，缺陷更少的氧化钒膜。
示例性地，提供一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
在基底层上依次制备电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、氧化钒钝化层和顶电极层，其中，氧化钒钝化层的制备方式包括：45～55℃的三异丙醇氧钒溶液进入ALD反应器进行循环沉积，ALD反应器中，反应温度为75～85℃，衬底温度为75～85℃，循环沉积中，一次沉积的厚度为0.6～1.0埃。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层和顶电极层之间设置有氧化钒钝化层，利用氧化钒钝化层提供的载流子选择功能，能够提升其性能，同时在提升其性能的情况下提供一层致密的保护膜来提高钙钛矿太阳能电池的水氧及热稳定性，从而具有高效率、结构简单、制备简易和稳定性高等特点。
附图说明
图1为本发明一个
具体实施方式
中提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例1与对比例1在25℃/湿度30％的稳定性对比图；
图3为实施例1与对比例1的电压-电流密度对比图；
图4为本发明中提供的载流子选择功能的原理说明图。
其中，1-基底层；2-电子传输层；3-钙钛矿层；4-空穴传输层；5-氧化钒钝化层；6-顶电极层。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，如图1所示，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层4和顶电极层6之间设置有氧化钒钝化层5。
本发明通过在钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层4和顶电极层6之间设置有氧化钒钝化层5，利用氧化钒钝化层5提供的载流子选择功能，能够提升其性能，同时在提升其性能的情况下提供一层致密的保护膜来提高钙钛矿太阳能电池的水氧及热稳定性，从而具有高效率、结构简单、制备简易和稳定性高等特点。
进一步地，钙钛矿太阳能电池包括依次层叠设置的基底层1、电子传输层2、钙钛矿层3、空穴传输层4、氧化钒钝化层5和顶电极层6。其中，氧化钒钝化层5的厚度为4～6nm。
进一步地，顶电极层6的形状包括长方形和/或栅线形，顶电极层6的厚度为80～120nm。可选地，顶电极为金属电极或有机材料电极。
进一步地，空穴传输层4为P型空穴传输层4，空穴传输层4的厚度为20～50nm；电子传输层2为N型电子传输层2，电子传输层2的厚度为20～80nm。
进一步地，基底层1的材质包括ITO和/或FTO，钙钛矿层3的材质包括二维钙钛矿材料、双钙钛矿材料或通式为ABX3的钙钛矿材料。更进一步地，通式为ABX3的钙钛矿材料中，A优选为FA、MA或Cs中的一种或至少两种的组合；B优选为Pb、Sn或Ge中的一种或至少两种的组合；C优选为I、Br或Cl中的一种或至少两种的组合。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
在基底层1上依次制备电子传输层2、钙钛矿层3、空穴传输层4、氧化钒钝化层5和顶电极层6，其中，氧化钒钝化层5的制备方式包括：45～55℃的三异丙醇氧钒溶液进入ALD反应器进行循环沉积，ALD反应器中，反应温度为75～85℃，衬底温度为75～85℃，循环沉积中，一次沉积的厚度为0.6～1.0埃。
实施例1
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，基于一个具体实施方式，其中，氧化钒钝化层5的厚度为5nm，顶电极层6的形状为长方形，顶电极层6的厚度为100nm，顶电极为金属电极，空穴传输层4的厚度为35nm，电子传输层2的厚度为50nm，基底层1的材质为ITO，钙钛矿层3的材质为FAPbI3。
本实施例还提供了一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
在基底层1上依次制备电子传输层2、钙钛矿层3、空穴传输层4、氧化钒钝化层5和顶电极层6，其中，氧化钒钝化层5的制备方式包括：50℃的三异丙醇氧钒溶液进入ALD反应器进行循环沉积，ALD反应器中，反应温度为80℃，衬底温度为80℃，循环沉积中，一次沉积的厚度为0.8埃。
实施例2
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，其区别在于，氧化钒钝化层5的厚度为4nm，顶电极层6的形状为栅线形，顶电极层6的厚度为80nm，顶电极为有机材料电极，空穴传输层4的厚度为20nm，电子传输层2的厚度为20nm，基底层1的材质为FTO。
本实施例还提供了一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
在基底层1上依次制备电子传输层2、钙钛矿层3、空穴传输层4、氧化钒钝化层5和顶电极层6，其中，氧化钒钝化层5的制备方式包括：45℃的三异丙醇氧钒溶液进入ALD反应器进行循环沉积，ALD反应器中，反应温度为85℃，衬底温度为85℃，循环沉积中，一次沉积的厚度为0.6埃。
实施例3
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，其区别在于，氧化钒钝化层5的厚度为6nm，顶电极层6的形状为长方形，顶电极层6的厚度为120nm，顶电极为金属电极，空穴传输层4的厚度为50nm，电子传输层2的厚度为80nm，基底层1的材质为质量比1:1的ITO和FTO。
本实施例还提供了一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
在基底层1上依次制备电子传输层2、钙钛矿层3、空穴传输层4、氧化钒钝化层5和顶电极层6，其中，氧化钒钝化层5的制备方式包括：55℃的三异丙醇氧钒溶液进入ALD反应器进行循环沉积，ALD反应器中，反应温度为75℃，衬底温度为75℃，循环沉积中，一次沉积的厚度为1.0埃。
实施例4
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，其区别在于，氧化钒钝化层5的厚度为2nm，其余结构与参数与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，其区别在于，氧化钒钝化层5的厚度为8nm，其余结构与参数与实施例1完全相同。
对比例1
本对比例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，其区别在于，不设置氧化钒钝化层5，其余结构与参数与实施例1完全相同。
本对比例还提供了一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，与实施例1所述的制备方法相比，不进行制备氧化钒钝化层5，其余结构与操作与实施例1完全相同。
对比例2
本对比例提供了一种钙钛矿太阳能电池，与实施例1相比，其区别在于，氧化钒钝化层5替换为氧化钼钝化层，其余结构与参数与实施例1完全相同。
对上述制备得到的钙钛矿太阳能电池进行性能测试，所述测试方法具体包括以下步骤：
在温度为25℃，氮气储存条件下，采用Keithley 2400源表在AM 1.5G(NewportVeraSol-2LED Class AAA Solar Simulator)的条件下对钙钛矿太阳能电池进行性能测试，其中T80时间代表的是电池工作效率降至原来的80％需要的时间。
测试结构如表1所示，实施例1与对比例1的测试结果对比图如图2和图3所示。
表1
光电转换效率/％
T<sub>80</sub>时间/h
实施例1
20.26
2700
实施例2
19.83
2600
实施例3
19.72
2650
实施例4
19.89
2200
实施例5
19.36
2000
对比例1
19.19
1400
对比例2
19.97
1200
有上表可知：
(1)实施例1与实施例4、5相比，实施例1的转换效率和稳定性均优于实施例4、5，由此可以看出，本发明通过控制氧化钒钝化层5的厚度为4～6nm，若氧化钒钝化层5的厚度小于4nm，空穴能够通过隧穿作用传递到电极中，从而引起复合以降低载流子寿命；若氧化钒钝化层5的厚度大于6nm，则存在阻碍电子有效传输至电极处的问题。
(2)实施例1与对比例1、2相比，实施例1的转换效率和稳定性均优于对比例1、2，，由此可以看出，本发明通过在钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层4和顶电极层6之间设置有氧化钒钝化层5，利用氧化钒钝化层5提供的载流子选择功能，其原理图如图4所示，能够提升其性能，同时在提升其性能的情况下提供一层致密的保护膜来提高钙钛矿太阳能电池的水氧及热稳定性，从而具有高效率、结构简单、制备简易和稳定性高等特点。此外，本发明通过ALD沉积制备氧化钒钝化层5，有效保证钙钛矿太阳能电池不被破坏，从而具有结构简单、制备简易和稳定性高等特点。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。