本发明属于太阳能电池器件技术领域，涉及一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
钙钛矿型太阳能电池(perovskitesolarcells)，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等电子传输层，最后被ito收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。最后，通过连接fto和金属电极的电路而产生光电流。
目前，钙钛矿太阳能电池发展现状良好，但复杂的制备工艺和制备周期使制造成本居高不下，极大地限制了钙钛矿太阳电池的发展。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，在获得高性能太阳电池的前提下，简化了结构和制造步骤，大大减少了成本和制造周期。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层、透明电极层、超薄氧化铝层、钙钛矿活性层、空穴传输层和金属对电极层；超薄氧化铝层的厚度为2～5nm。
优选地，透明电极层为fto、ito或azo。
优选地，钙钛矿活性层的材料为mapbbr3或fapbbr3。
进一步优选地，钙钛矿活性层的厚度为400～600nm
优选地，空穴传输层的材料为spiro-ometad、ptaa、氧化镍、碘化亚铜、pedot：pss、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类或丁二烯类。
进一步优选地，空穴传输层的厚度为100～150nm。
优选地，金属对电极层材料为金、银、铝或铂。
进一步优选地，金属对电极层的厚度为75～125nm。
本发明公开的上述具有简化结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在高透玻璃层上制备透明电极层；
步骤2：在透明电极层上采用原子层沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂方法制备超薄氧化铝层；
步骤3：在超薄氧化铝层上制备钙钛矿活性层；
步骤4：在钙钛矿活性层上采用刮刀涂布制备空穴传输层；
步骤5：在空穴传输层采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积或激光沉积方法制备金属对电极层。
优选地，步骤2采用原子层沉积法，具体为：采用氩气载三甲基铝和水两种反应气体，交替以脉冲的形式充入反应室，按照脉冲时间0.015s、停留时间60s交替一次为一个循环，进行5～30次循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，相对于传统的钙钛矿太阳能电池结构，以超薄氧化铝层代替传统的电子传输层。合适条件下制备的寡原子级别氧化铝薄膜可以允许钙钛矿电池由光照产生的电子隧穿至透明电极，同时有效阻隔空穴的传导和复合，因此可以此结构代替传统电池结构中的电子传输层。在此基础上构建得到的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，在保证良好性能的前提下，能够简化太阳能电池的结构和制备步骤、减少制备周期，降低成本。
本发明公开的上述具有简化结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，超薄氧化铝层可以在低温条件下进行制备，相比传统电池结构中必须使用高温烧结制备(>450℃)的tio2介孔层，其成本、能耗和工艺被大大降低和简化。
附图说明
图1为本发明的整体结构正视示意图。
图中，100-高透玻璃层，102-透明电极层，104-超薄氧化铝层，106-钙钛矿活性层，108-空穴传输层，110-金属对电极层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：
如图1，为本发明的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层100、透明电极层102、超薄氧化铝层104、钙钛矿活性层106、空穴传输层108和金属对电极层110。
高透玻璃层100和透明电极层102：此产品有规模化量产品可使用，采用沉积在高透玻璃上的fto(或ito、azo等)透明电极为器件的基底，面积不限，且fto等透明电极的形状、面积、厚度等都可通过工艺手段控制；使用前，应将电极表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，氮气流吹干备用。本层也可以使用制备在柔性透光基底(如pet等)上的透明电极产品，以适应柔性器件的制备。
超薄氧化铝层104：本发明的核心部分，可以采用原子层沉积、气相沉积、磁控溅射、旋涂等方法进行制备。特别的，采用原子层沉积方法制备该层，具体为：两种反应气体分别为氩气(ar，纯度≥99.999％)载三甲基铝(al(ch3)3)，和水(h2o)；两者交替以脉冲的形式充入反应室，脉冲时间优选0.015s，停留时间60s，交替一次为一个循环，可考虑使用5-30次循环制备不同厚度的氧化铝层，优选10次，制得超薄氧化铝层104为2-5nm左右。
在超薄氧化铝层104上制备的钙钛矿活性层106，结构为abxny3-n(a＝cs或rnh3或其任意比例的混合，r为适合的烃基；b＝pb或sn或其任意比例的混合；x，y＝cl，br，i；n为0-3的实数)，优选使用mapbi3或者fapbi3，通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成，也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备，即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。特别的，在刮刀涂布方法中其溶剂为dmf，将钙钛矿配成质量分数为15-30％的浆料，优选25％；刮刀涂布速度为20-40mm/s，优选为30mm/s；涂布温度为室温；刮刀与基底间距为50-75μm；涂布后经氮气中100-150℃退火10-40分钟，优选110℃，30分钟。得到的钙钛矿活性层106厚度约为400-600nm。
在钙钛矿活性层106上制备得到的空穴传输层108，其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料，如spiro-ometad、ptaa、氧化镍、碘化亚铜、pedot：pss、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类等。特别的，使用刮刀涂布方法制备该层：使用的浆料为商品化pedot：pss(ai4083)水溶液，使用异丙醇按照1：3-1:4配比稀释，刮刀涂布速度为15-35mm/s，优选为25mm/s；涂布温度为60-75℃，优选为70℃；刮刀与基底间距为50-75μm；涂布后经氮气中75-100℃退火10-30分钟，优选90℃，20分钟。得到的空穴传输层108厚度约为100-150nm。
在空穴传输层108上形成的金属对电极层110，材料为金、银、铝、铂等金属，可采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积、激光沉积等方法制备，在柔性制备过程中，还可以使用卷对卷工艺进行制备，即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。特别的，使用材料为商品化银纳米线溶胶，溶剂为异丙醇，浓度20-25g/l，银纳米线直径约100-200nm，长度50-150μm。刮刀涂布速度为45-60mm/s，优选为50mm/s；涂布温度为室温；刮刀与基底间距为100μm；涂布后经氮气中80-100℃退火15-30分钟，优选95℃，25分钟。厚度约为75-125nm。
下面以一个具体实施例来对本发明的制备方法进行进一步解释：
取一附有透明导电层的高透玻璃基底，面积为3cm×3cm；在其上采用原子层沉积的方式沉积氧化铝，两种反应气体分别为氩气(ar，纯度≥99.999％)载三甲基铝(al(ch3)3)，和水(h2o)；两者交替以脉冲的形式充入反应室，脉冲时间优选0.015s，停留时间60s，交替循环10次；将fapbi3配成质量分数为25％的溶液，溶剂选用dmf；刮刀涂布速度为30mm/s；涂布温度为50℃；刮刀与基底间距为50μm；涂布后经氮气中110℃退火30min；配制pedot：pss水溶液，使用异丙醇按照1:3比例稀释，采用刮刀涂布方式在透明导电电极上涂膜，条件为25mm/s，涂布温度70℃，刮刀与基底间距50μm，手套箱氮气氛下90℃退火20min；最后以热蒸发的方式蒸镀100nm厚的金背电极。
得到的电池有效面积为4.0cm2，经检测，电池光电转换效率13.9％。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
1.一种具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次连接后形成整体太阳能电池的高透玻璃层(100)、透明电极层(102)、超薄氧化铝层(104)、钙钛矿活性层(106)、空穴传输层(108)和金属对电极层(110)；超薄氧化铝层(104)的厚度为2～5nm。
2.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，透明电极层(102)为fto、ito或azo。
3.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，钙钛矿活性层(104)的材料为mapbbr3或fapbbr3。
4.根据权利要求3所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，钙钛矿活性层(104)的厚度为400～600nm。
5.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，空穴传输层(108)的材料为spiro-ometad、ptaa、氧化镍、碘化亚铜、pedot：pss、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类或丁二烯类。
6.根据权利要求5所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，空穴传输层(106)的厚度为100～150nm。
7.根据权利要求1所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，金属对电极层(110)材料为金、银、铝或铂。
8.根据权利要求7所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，金属对电极层(110)的厚度为75～125nm。
9.根据权利要求1～8任意一项所述具有简化结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在高透玻璃层(100)上制备透明电极层(102)；
步骤2：在透明电极层(102)上采用原子层沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂方法制备超薄氧化铝层(104)；
步骤3：在超薄氧化铝层(104)上制备钙钛矿活性层(106)；
步骤4：在钙钛矿活性层(106)上采用刮刀涂布制备空穴传输层(108)；
步骤5：在空穴传输层(108)采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积或激光沉积方法制备金属对电极层(110)。
10.根据权利要求9所述的具有简化结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2采用原子层沉积法，具体为：采用氩气载三甲基铝和水两种反应气体，交替以脉冲的形式充入反应室，按照脉冲时间0.015s、停留时间60s交替一次为一个循环，进行5～30次循环。
技术总结