[发明专利]大气环境中环境稳定的ZnO基钙钛矿太阳能电池的制备方法

摘要

一种大气环境中环境稳定的ZnO基钙钛矿太阳能电池的制备方法。针对目前沉积在ZnO薄膜上的CH3NH3PbI3层在热退火过程中极易导致CH3NH3PbI3层快速分解的问题，首次有效地结合了ZnO薄膜的室温陈化处理及CH3NH3PbI3层的两部顺序旋涂沉积技术来提高大气条件下制备的ZnO/CH3NH3PbI3双层的稳定性。不仅有效地去除了ZnO表面残留的羟基官能团和乙酸配体，加强了ZnO/CH3NH3PbI3双层的热稳定性，而且制备的钙钛矿层结晶性好，覆盖率高。在此基础上组装的ZnO基钛矿太阳能电池器件取得了一个14.25％的高转换效率，随后将其暴露在空气中45天，它的能量转换效率仍可以保持为最初水平的86％以上。本发明中的所有操作过程均是在大气环境中进行的，这更利于器件的大规模生产。

主权项

一种大气环境中环境稳定的ZnO基钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、FTO玻璃衬底的刻蚀和清洗：FTO玻璃衬底采用锌粉和2～12mol/mL的盐酸溶液进行刻蚀，刻蚀后的FTO玻璃衬底分别用洗洁剂、去离子水、异丙醇、丙酮和紫外臭氧处理15～120分钟以获得干净的表面，得到的FTO玻璃衬底放于干燥箱中备用；步骤二、ZnO纳米粒子的制备：将52mL0.1～1mmolmL‑1KOH的甲醇溶液缓慢滴加到100mL0.1～1mmol mL‑1Zn(CH3COO)2·2H2O的甲醇溶液中于50～100℃水浴条件下持续搅拌反应1～24小时，所得的产品用甲醇洗涤3～5次以去除残留的前驱体，将样品存于甲醇中备用；步骤三、ZnO纳米粒子旋凃液的制备：取步骤二中得到的ZnO纳米粒子0.1～2g，将其加入到10～50mL体积比为1:1:1～20:1:1的正丁醇‑甲醇‑氯仿的混合溶液中，这里ZnO纳米粒子旋涂液的浓度是5～30mg mL‑1，在旋涂之前将制备的ZnO纳米粒子旋涂液超声处理0.5～10小时后再使用；步骤四、ZnO电子传输层的组装：取30～100μL步骤三中所得到的ZnO纳米粒子旋涂液，将其旋涂沉积在步骤一中所得到的FTO玻璃衬底上，旋涂的转速为1000～5000转/每分，旋涂时间为10～120秒；随后室温条件下干燥5～30分钟，薄膜的厚度为10～200nm，将制备的薄膜放在室温条件下陈化1～48小时，该样品标记为FTO/ZnO；步骤五、钙钛矿光吸收层的组装：取30‑100μL浓度为230～690mg mL‑1的PbI2的DMF溶液旋涂沉积在步骤四中所得到的FTO/ZnO薄膜上，旋涂的转速为1000～5000转/每分，旋涂时间为10～120秒；之后在40～100℃条件下干燥10～60分钟，得到FTO/ZnO/PbI2薄膜，在FTO/ZnO/PbI2薄膜上旋涂沉积30～100μL10～100mg mL‑1的CH3NH3I的异丙醇溶液，旋涂的条件为300～800转/每分，3～10秒；1000～5000转/每分，10～120秒，随后在40～120℃条件下退火10～120分钟，所得到的样品标记为FTO/ZnO/CH3NH3PbI3；步骤六、spiro‑OMeTAD空穴传输层的组装：取30～100μL spiro‑OMeTAD空穴传输材料旋涂沉积在步骤五中所得到的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3薄膜上，转速为1000～5000转/每分，旋涂时间为10～120秒；这里将10～200mg的spiro‑OMeTAD溶于由10～100μL 4‑叔丁基吡啶、10～100μL双三氟甲烷磺酰亚胺锂溶液和0.5～5mL氯苯组成的混合溶液中，所得样品标记为FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro‑OMeTAD；步骤七、Au对电极的组装通过真空蒸镀的方法在步骤六中所得到的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro‑OMeTAD样品表面沉积一层40～150nm厚的Au电极；最后将所得到的具有FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/spiro‑OMeTAD/Au结构的器件在空气条件下进行测试和组装。