钙钛矿太阳能电池制备方法及性能优化研究

盛秋月

摘 要：化石燃料的大量使用对社会环境带来了较大压力，生态环境破坏、全球气候变暖等问题日益严重，给人类的生产生活带来极大挑战。钙钛矿太阳能电池是近年来为缓解资源紧张研发出的一种新型的太阳能电池，其以钙钛矿材料作为光吸收层，一方面该材料较为环保，很大程度上缓解了资源紧张状况；另一方面该电池的光电转换效率与往年相比有了大幅度提高。基于此，本文主要针对钙钛矿太阳能电池，分析其制备方法，并对其性能优化进行深入研究。

关键词：钙钛矿 太阳能电池 制备方法 性能优化

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0074-02

钙钛矿太阳能电池作为一种新型太阳能电池，一经出世就迎来了飞速发展，也吸引了众多科研工作者的关注，自2009年首次报道以来，其经历了短短几年时间，光电转换效率就已达到20%以上，由此可见，钙钛矿太阳能电池已然成为广电领域最具发展潜力的明日之星。

1 钙钛矿太阳能电池制备

1.1 钙钛矿溶液的制备

1.1.1 CH3NH3I的合成

物料准备：甲胺溶液40mL，氢碘酸溶液30mL，圆底烧瓶，水，无水乙醇，无水乙醚，冰袋。

合成步骤：将40mL甲胺溶液和30mL氢碘酸溶液倒入圆底烧瓶中快速混合，之后放入带有冰袋的水中，依次加入甲胺溶液、氢碘酸溶液，在氮气的保护下放入0℃冰水中反应2h之后进行旋蒸并反应4h，得到由黄变白的碘甲胺固体，再用无水乙醇和无水乙醚重结晶3次，得到纯净的碘甲胺，再放置60℃以下的真空中干燥24h，最后放入手套箱准备后续使用。

1.1.2 钙钛矿溶液的配置

物料准备：碘化铅，MAI，棕色瓶子，磁子，GBL，DMSO

配置步骤：将棕色瓶子洗净，在按照摩尔比1：1称量好碘化铅和MAI，并放入洗净的棕色瓶子，再放入事先用乙醇超声过、氮气吹干的磁子。再将GBL和DMSO按照7：3的浓度、体积比混合，作为溶剂溶解MAI。在常温下搅拌10min后，将此时的MAI溶液滴加入放有碘化铅的棕色瓶中，再置于70℃的空间搅拌12h。

1.2 电池器件的制备

1.2.1 TiO2阻挡层的制备

在制备TiO2阻挡层时，通常是采用喷雾热解法，在喷涂时需要注意以下几点：（1）在喷涂之前预留出电极的位置；（2）以氧气为载气，将喷枪气压调整为0.8MPa左右；（3）将FTO基片置于450℃的加热台上，依次将4mL配制好的溶液加入喷枪中喷涂与FTO表面。喷涂完毕后注意将基片进行退火操作，需将其置于500℃的加热台退火20min，进而使得溶液中Ti4+与氧气充分反应，最终形成致密的TiO2薄膜。待一切工作整理完成后方可进行下一步的操作。

1.2.2 钙钛矿吸光层的制备

钙钛矿吸光层制备在手套箱里进行。用镊子将生长有白色氧化钛的FTO基片置于手套箱里120℃烤5min去除水汽，放到板子上放凉后开始多步旋涂。第一步先滴加钙钛矿溶液进行低速旋涂，第二步冲洗400μL的二氯苯后继续甩25s。第二步所加的时间点需要摸索，在4～5.5s之间，加早了片子中间会出现一个同心圆，加晚了第一步的溶剂已经析出，片子上面出现白雾，旋的好的情况下旋完片子是透明的，放到热台上立刻变红变黑，旋完之后100℃退火9min。

1.2.3 空穴传输层的制备

空穴传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，能够调控电极与活性层之间的能级匹配、调节内建电场和增强电荷收集的作用。当前，常用的空穴传输层材料是聚（3，4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）。但由于PEDOT：PSS呈强酸性，会对电极产生腐蚀作用，不利于聚合物太阳能电池的长期稳定使用。因此，在旋涂PEDOT：PSS空穴传输层之前，首先，可以用30mL的棕色大瓶子取适量PEDOT：PSS，用水系过滤头一次性过滤到棕色小瓶子里，再使用移液枪取过滤后的PEDOT：PSS溶液进行旋涂，速度可以设置为4000rpm，加速度设置为6000，旋涂1min时长即可，再放到玻璃培养皿中，等所有的片子旋好后一起放到热台上150℃退火15min。

2 钙钛矿太阳能电池的性能优化

2.1 对衬底的优化

衬底位于光阳极与光吸收层（钙钛矿材料）之间，要求具备较好的透光性。钙钛矿材料所产生的电子需要通过衬底传输至光阳极，所以就衬底的优化而言，提高其电子传输性能是必备条件，纳米TiO2晶粒常作为电子传输层，但高质量的TiO2传输层需要经过450℃以上的烧结，需要较高的生产成本。在对ITO衬底进行清洁时，应先将ITO置于去离子水中并进行超声清洗，1h后用脱脂棉和洗涤灵清洗基片直至形成均匀的水膜，重复清洗3次，再以无水乙醇超声清洗20min。

2.2 对ZnO电子传输层的优化

为获得低传输电阻R、高的并联电阻Rs、低的反向饱和电流密度Jo和二极管品质因子A，某研究组开始对ZnO电子传输层实行优化，并研究出其优化方向为薄且致密结晶质量高、缺陷少。接下来，笔者将针对ZnO电子传输层的优化方向进行以下探讨：

首先，由于我們所制备的Sol-gel ZnO薄膜只有在具备较大厚度的前提下才能有效阻挡空穴传输，减少复合，基于此，我们研究开发更适宜的制备方法和工艺，开始尝试采用喷雾热解法制备ZnO电子传输层，从而获得薄且致密、结晶质量高的ZnO电子传输层。

其次，利用热处理原理，在控制合适的气氛下，开始进行热处理，与此同时，需严格按照热处理原则，以期达到提高薄膜结晶质量的目的。

最后，借助界面工程技术，减少或钝化所制备的Sol-gel ZnO中大量的带间表面态，进而降低其中的电子浓度，提高导带中的电子浓度，不仅降低了界面复合作用，而且提高了ZnO的准Fermi能级，保证钙钛矿太阳能电池的优质性能。

2.3 对空穴传输层的优化

PEDOT是当前最为常见的空穴传输层，但由于多种限制因素的存在，迫切需求找到一种可替代性强的新型材料。经阅相关文献，笔者发现了一种很好的替代物——NiOx，NiOx的具体合成过程如下。

首先将Ni（NO3）2·6H2O溶解于水中，浓度为5mol/L，将其进行充分搅拌得到深绿色溶液。再向溶液中加入过量的、溶度为10mol/L的氢氧化钠溶液，使其pH值达到10，后搅拌5min。再加入大量的水洗涤沉淀，得到浅绿色粉末，再将这些粉末进行烧灼，使其成为黑色状，即NiOx。但在使用之前还应注意其使用方法，详细查询其限制性因素，严格按照规定进行操作。NiOx的应用相对于PEDOT提高了器件的填充因子在两步法PbI2-DMSO复合物器件中，应用NiOx的器件性能优于应用PEDOT的器件。NiOx的使用在一定程度上提高了器件的效率。

3 结语

钙钛矿型太阳能电池自2009年被提出以来，因其独特的光电性质，高质量的光电转换，且制备简单，成本低廉，使得该材料一经使用就得到了各国科研人员的广泛关注，正因如此，钙钛矿太阳能电池才能在世界范围得到更广泛的发挥空间。在未来，钙钛矿太阳能电池也应延续当前发展优势，继续以研究质量为重点，不断对各载流子传输层的结构进行优化升级。

参考文献

[1] 汤笑.倒置钙钛矿太阳能电池的制备及性能优化[D].南京邮电大学，2018.

[2] 张慧婕.高效无机钙钛矿太阳能电池的制备与光电性能研究[D].湖北大学，2018.