CN104327827A - 钙钛矿量子点纳米晶的制备及其在量子点太阳电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了钙钛矿量子点纳米晶的制备及其在量子点太阳电池中的应用,采用蒸发溶剂法和溶液法的特点,成功制备出p型半导体:有机铅卤化物钙钛矿量子点纳米晶,通过改变有机/无机反应物之间的配比来调节钙钛矿半导体的能级,通过改变反应温度和反应时间来控制钙钛矿量子点的粒径,使之与n型半导体材料TiO2能级相匹配,并辅以PEDOT:PSS作为空穴传输材料,组装成高光电转换效率的钙钛矿量子点太阳能电池。本发明的优点:钙钛矿合成所需原材料成本低廉,操作简单,反应条件温和,无高温高压反应较为安全,制备晶体稳定、晶型良好,半导体能级人为可控。钙钛矿太阳能电池易组装,成本低且具有高的光电转换效率,具有比较高的开发价值。

Description

钙钛矿量子点纳米晶的制备及其在量子点太阳电池中的应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钙钛矿量子点纳米晶的制备,具体涉及钙钛矿量子点纳米晶的制备及其在量子点太阳电池中的应用。

背景技术

[0002] 随着工业水平的飞速发展,人类对于能源依赖越来越重。传统化石能源得到前所未有的重度使用,继而带来了一系列的环境问题;而其不可再生性导致人类对于新型环保能源需求越来越迫切。太阳能作为一种理想能源而得到重视,光伏发电因其昂贵的成本及低转化效率成为利用太阳能的最大障碍。降低光伏电池材料及器件的生产成本,提高电池光电转换效率成为当前最主要的工作。有机铅卤化物钙钛矿量子点作为一种独特二维多量子阱结构的有序晶体材料具有如下优点:无机组分卤化铅为杂化材料提供了一个较高的迁移率、高的热稳定性、较高的介电性和较低的能隙;有机铵盐则为材料提供了一个优良的自组装和成膜性。有机铅卤化物钙钛矿的能级可通过改变有机/无机组分的配比来调控,使其与η型半导体材料的能级相匹配,提高太阳能能电池光电转换效率。

[0003] 在太阳能电池P型半导体材料的选择中,合成的低成本、材料的稳定性和易于调控的能级是优先考虑应用于太阳能电池的因素。有机铅卤化物钙钛矿具有优异的成膜性能是一种理想的太阳电池材料,可替代的传统太阳能电池材料。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种钙钛矿量子点纳米晶的制备及其在量子点太阳电池中的应用,其利用蒸发溶剂法和溶液法的特点,采用步速降温工艺,制备出纯净无毒、宽吸收峰、晶型稳定的钙钛矿纳米晶半导体。

[0005] 本发明可通过如下技术方案实现,钙钛矿量子点纳米晶的制备,其特征在于方法步骤如下:

(1)将有机胺RNH2 (R=烷烃)溶液加入圆底烧瓶中,将圆底烧瓶置于冰盐浴中,在Ar保护下搅拌,然后向其中缓慢加入过量的浓氢卤酸HX(X=Cl、Br、I)水溶液;反应完全后,旋蒸去除溶剂析出有机胺盐RNH3X粗产物粉末;

(2)将制得的RNH3X粉末置于锥形瓶中,加入无水乙醚搅拌使杂质溶解,过滤得粉末,反复三次得纯净RNH3X,移入真空干燥箱中真空干燥得纯净干燥RNH3X,保存于干燥器中;

(3)将RNH3X和PbX2 (X= Cl、Br、I)按化学计量比加入到二者混溶溶剂中,整个装置在Ar保护下密闭加热搅拌反应;

(4)反应完全后,缓慢步速冷却,析出晶体,过滤得RNH3PbX3钙钛矿晶体粗产物;

(5)将RNH3PbX3移入锥形瓶中,加入无水乙醚搅拌使杂质溶解,过滤得粉末,反复三次得纯净RNH3PbX3晶体,移入真空干燥箱中干燥得纯净RNH3PbX3晶体,保存于干燥器中备用。

[0006] 本发明所述钙钛矿量子点纳米晶的制备及其在量子点太阳电池中的应用,其特征在于:n型半导体材料选用多孔纳米T12,将制备好的RNH3PbX3晶体配成溶液,在导电玻璃FTO层旋涂上一层RNH3PbX3薄膜,然后再往RNH3PbX3薄膜上旋涂上一层T12胶体,以PEDOT: PSS为空穴传输材料、钼金为背电极组装成钙钛矿量子点太阳能电池器件。

[0007] 优选的,所述步骤(I)中有机胺RNH2的R为烷烃。

[0008] 优选的,所述步骤(I)中浓氢卤酸HX的X为Cl、Br、I。

[0009] 优选的,所述步骤(I)到步骤(5 )中的物质X为Cl、Br、I。

[0010] 优选的,所述步骤(3)中RNH3X =PbX2的化学计量比为2:1。

[0011] 本发明的优点是:(1)本发明利用蒸发溶剂法和溶液法的特点,结合旋涂制备薄膜的技术,制备出晶型稳定、能级匹配的有机铅卤化物钙钛矿量子点纳米晶,使其与后续太阳能电池器件组装工艺相适应。(2)钙钛矿合成所需原材料成本低廉,操作简单,反应条件温和,无高温高压反应较为安全,制备晶体稳定、晶型良好,半导体能级人为可控。钙钛矿太阳能电池易组装,成本低且具有高的光电转换效率,具有比较高的开发价值。

具体实施方式

[0012] 以下通过具体实施例作进一步描述,但本实施例并不用于限制本发明,凡是采用本发明的相似结构及其相似变化,均应列入本发明的保护范围。

[0013] 本发明采用蒸发溶剂法合成有机胺盐,采用溶液法合成钙钛矿:在有机胺盐RNH3X和卤化铅PbX2的混溶溶剂中反应结晶,采用步述冷却析出钙钛矿量子点晶体。

[0014] 本发明钙钛矿量子点纳米晶的合成及提纯具体步骤如下:

(I)将15mL CH3NH2 (30%水溶液)加入250mL圆底烧瓶中,将圆底烧瓶置于冰盐浴中,保持温度稳定在(TC,在Ar保护下搅拌,然后向CH3NH2缓慢加入25mL HI (57%水溶液),搅拌2h使其反应完全,60°C旋蒸去除溶剂,析出CH3NH3I粗产物粉末。

[0015] (2)将制得的CH3NH3I粉末置于锥形瓶中,加入无水乙醚搅拌使杂质溶解,过滤得粉末。反复三次得纯净CH3NH3I,移入真空干燥箱中70°C真空干燥24h得纯净干燥CH3NH3I,保存于干燥器中。

[0016] (3)取30mL Y - 丁内酯于250mL圆底烧瓶中,将CH3NH3I和PbI2按化学计量比1:1加入到Y - 丁内酯,整个装置在Ar保护下密闭,加热至60°C搅拌反应12h。

[0017] (4)反应完全后,以5°C /h步速冷却至0°C,过滤得CH3NH3PbI3钙钛矿量子点晶体粗产物。

[0018] (5)将CH3NH3PbI3移入250mL锥形瓶中,加入无水乙醚搅拌0.5h使杂质溶解,过滤得粉末,反复三次得纯净CH3NH3PbI3晶体,移入真空干燥箱中70°C真空干燥得纯净CH3NH3PbI3晶体,保存于干燥器中备用。

[0019] 本发明钙钛矿量子点太阳能电池组装步骤如下:

(I)取1.5*2.0cm2的FTO导电玻璃于丙酮、无水乙醇和水摩尔比为2:2:1的溶液中超声清洗lOmin,随即用去离子水清洗掉有机溶剂,将洗净的导电玻璃烘干。

[0020] (2)取洗干净的FTO导电玻璃置于匀胶机上,在导电玻璃FTO层进行旋涂成膜:初速度 300 rad/min旋涂 5s CH3NH3PbI3溶液,将转速提高至 2000 rad/min旋涂 30s CH3NH3PbI3溶液,然后再往CH3NH3PbI3层上2000 rad/min旋涂30s T12胶体,形成p-η结膜结构。

[0021] (3)往p-n结结构上2000 rad/min旋涂5s PEDOT: PSS,用钼金电极夹在PEDOT: PSS层组装成钙钛矿量子点太阳能电池。

[0022] 通过钙钛矿量子点的合成、提纯和钙钛矿量子点太阳能电池组装三个步骤制备出低成本、高电子迁移率、高光电转换效率的钙钛矿量子点,满足高效太阳能电池制备工艺的要求。

Claims (6)

1.钙钛矿量子点纳米晶的制备,其特征在于方法步骤如下: (1)将有机胺RNH2溶液加入圆底烧瓶中,将圆底烧瓶置于冰盐浴中,在Ar保护下搅拌,然后向其中缓慢加入过量的浓氢卤酸HX水溶液;反应完全后,旋蒸去除溶剂析出有机胺盐RNH3X粗产物粉末; (2)将制得的RNH3X粉末置于锥形瓶中,加入无水乙醚搅拌使杂质溶解,过滤得粉末,反复三次得纯净RNH3X,移入真空干燥箱中真空干燥得纯净干燥RNH3X,保存于干燥器中; (3)将RNH3X和PbX2按化学计量比加入到二者混溶溶剂中,整个装置在Ar保护下密闭加热搅拌反应; (4)反应完全后,缓慢步速冷却,析出晶体,过滤得RNH3PbX3钙钛矿晶体粗产物; (5)将RNH3PbX3移入锥形瓶中,加入无水乙醚搅拌使杂质溶解,过滤得粉末,反复三次得纯净RNH3PbX3晶体,移入真空干燥箱中干燥得纯净RNH3PbX3晶体。
2.一种根据权利要求1所述的钙钛矿量子点纳米晶在量子点太阳电池中的应用,其特征在于:η型半导体材料选用多孔纳米T12,将制备好的RNH3PbX3晶体配成溶液,在导电玻璃FTO层旋涂上一层RNH3PbX3薄膜,然后再往RNH3PbX3薄膜上旋涂上一层T12胶体,以PEDOT: PSS为空穴传输材料、钼金为背电极组装成钙钛矿量子点太阳能电池器件。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点纳米晶的制备,其特征在于:所述步骤(I)中有机胺RNH2的R为烷烃。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点纳米晶的制备,其特征在于:所述步骤(I)中浓氢卤酸HX的X为Cl、Br、I。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点纳米晶的制备,其特征在于:所述步骤(I)到步骤(5)中的物质X为Cl、Br、I。
6.根据权利要求2所述的钙钛矿量子点纳米晶的制备在量子点太阳电池中的应用,其特征在于:所述RNH3PbX3中的X为Cl、Br、I。
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