CN105047826B - 一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。太阳能电池包括：ITO基底层、ITO基底层上的CuInS2层、CuInS2层上的Al2O3层、Al2O3层上的CdS:CH3NH3PbI3层、CdS:CH3NH3PbI3层上的PCBM层以及银电极。其制备方法主要通过旋涂和烘烤处理将各层成型。本发明通过在钙钛矿的前驱体溶液中加入了CdS粉体材料，弥补了以往钙钛矿太阳电池在钙钛矿层制作好后的退火阶段钙钛矿在表面形成一层致密膜导致内部的溶剂不易挥发从而来影响电池的性能，并且也为在钙钛矿层产生的电子的传输提供了新的途径，本发明所提供的方法能够在同样的条件下尽可能的提高太阳电池的性能。

Description

一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备 方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着环境污染和能源危机的不断加剧，人类急需寻找一种新的清洁能源如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。而太阳能在这些新能源当中又是最具有发展潜力的新型能源。太阳能清洁干净无污染，其储量巨大，取之不尽，用之不竭，具有很好的应用前景。将太阳能转换为电能是解决环境污染和能源危机的重要途径之一，因此太阳能电池的发展就备受人们的关注，近些年来以钙钛矿为吸光材料的新型太阳能电池发展迅猛，转化效率不断地提升，受到了越来越多的科研工作者的关注，并且钙钛矿这种材料比较容易制备，这种电池的组装过程也比较廉价，所以具有较大的商业应用前景。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)将ITO基底依次用去离子水、无水乙醇、丙酮进行超声清洗，然后将ITO基底用氮气吹干，得到ITO基底层。
2)在氮气保护下将CuInS2前驱体溶液在步骤1)得到的ITO基底层上进行旋涂，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2层。
优选的，在氮气保护下将CuInS2前驱体溶液在步骤1)得到的ITO基底层上旋涂1～3次，转速1000～3000rpm，时间10～50s，每次旋涂后在氮气气氛下依次在145～155℃和240～260℃下各烘烤5～10分钟，得到ITO/CuInS2层。
具体的，CuInS2前驱体溶液的配制方法如下：在氮气保护下，将每0.08～0.12mmol的In(OAc)3、0.4～0.6mmol的硫脲、和30～50μL的丙酸溶解到0.4～0.8mL的丁胺中，并进行超声分散，形成均质溶液，再加入0.09～0.13mmol的CuI，得到CuInS2前驱体溶液。
3)在步骤2)得到的ITO/CuInS2层上旋涂Al2O3的异丙醇分散液，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2/Al2O3层。
优选的，步骤3)中，在步骤2)得到的ITO/CuInS2层上旋涂Al2O3的异丙醇分散液，转速2200rpm～2800rpm，旋涂时间20～40s，之后在80～120℃的温度条件下烘烤5～10分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3层。
具体的，所述Al2O3的异丙醇分散液为γ型纳米氧化铝的异丙醇的分散液，其中，氧化铝的固含量为20％～25％，纳米氧化铝粒子的粒径为10～30纳米。
4)在步骤3)得到的ITO/CuInS2/Al2O3层上旋涂CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3层。
优选的，将步骤3)得到的ITO/CuInS2/Al2O3层在氮气的保护下以1500rpm～2000rpm的转速旋涂CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液，旋涂时间为10～20s，之后在80～90℃的温度条件下烘烤0.5～2小时，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3层。
更优选的，CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液的配制方法为：将每0.9～1.1mmol的CH3NH3I和0.9～1.1mmol的PbI2加入到0.9～1.1ml的DMF中搅拌12～36h，得到钙钛矿的前驱体溶液，之后再加入0.09～0.11mmol的CdCl2和0.28～0.32mmol的硫脲的粉体，得到所述的CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液。
5)在步骤4)得到的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS+CH3NH3PbI3层上旋涂一层PCBM层，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM样品。
具体的，步骤5)中，在步骤4)得到的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS+CH3NH3PbI3层上旋涂一层PCBM层，转速1500rpm时间20s之后以80℃烘烤5分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM层。
6)在步骤5)得到的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM样品上，通过真空蒸发法蒸镀银电极，得到结构为ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM/Ag的太阳能电池。
本发明还提供了一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：ITO基底层、所述ITO基底层上的CuInS2层、所述CuInS2层上的Al2O3层、所述Al2O3层上的CdS:CH3NH3PbI3层、所述CdS:CH3NH3PbI3层上的PCBM层以及银电极。
本发明通过在在钙钛矿的前驱体溶液中加入了CdS粉体材料，弥补了以往钙钛矿太阳电池在钙钛矿层制作好后的退火阶段钙钛矿在表面形成一层致密膜导致内部的溶剂不易挥发从而来影响电池的性能，并且也为在钙钛矿层产生的电子的传输提供了新的途径，本发明所提供的方法能够在同样的条件下尽可能的提高太阳电池的性能。
附图说明
图1是本发明所提供的太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明所提供的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM/Ag太阳能电池的电流-电压曲线。
图3为CuInS2的XDR图谱。
图4为混合有CdS的钙钛矿图谱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
在氮气手套箱内配置CuInS2前驱体溶液，将0.1mmol醋酸铟、0.5mmol硫脲和40μL丙酸溶于0.6mL丁胺中，并进行超声分散使其形成均质溶液，随后再将0.11mmol碘化亚铜加入到上述溶液中。
将ITO基底(ITO导电玻璃)依次用去离子水、无水乙醇和丙酮进行超声清洗，各15分钟，最后用氮气将ITO基底吹干。
在氮气手套箱中，将CuInS2前驱体溶液在ITO基底上进行旋凃，转速3000rpm，时间30s，旋涂一次。然后在氮气气氛下先在150℃下烘烤10分钟，随后再在250℃下烘烤8分钟。
在制备好的ITO/CuInS2样品上旋凃稀释比例为10:1(isopropinol:Al2O3)的Al2O3溶液，转速2500rpm，时间30s，之后将样品在150℃下烘烤10分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3。
在氮气气氛下旋涂CdS:perovskite混合溶液，转速2000rpm，时间30s，之后在氮气气氛下将样品在60℃下烘烤1小时。
在将所得到的样品旋涂PCBM转速1500rpm，时间30s然后100℃退火5分钟。
把所得到的样品蒸发银电极，太阳能电池1组装完成。
实施例2
在氮气手套箱内配置CuInS2前驱体溶液，将0.09mmol醋酸铟、0.6mmol硫脲和45μL丙酸溶于0.7mL丁胺中，并进行超声分散使其形成均质溶液，随后再将0.12mmol碘化亚铜加入到上述溶液中。
将ITO基底依次用去离子水、无水乙醇和丙酮进行超声清洗，各15分钟，最后用氮气将ITO基底吹干。
在氮气手套箱中，将CuInS2前驱体溶液在ITO基底上进行旋凃，转速3000rpm，时间30s，旋涂三次。每次在氮气气氛下先在150℃下烘烤10分钟，随后再在250℃下烘烤8分钟。
在制备好的ITO/CuInS2样品上旋凃稀释比例为10:1(isopropinol:Al2O3)的Al2O3溶液，转速2500rpm，时间30s，之后将样品在150℃下烘烤10分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3。
在氮气气氛下旋涂CdS:perovskite混合溶液，转速2000rpm，时间30s，之后在氮气气氛下将样品在60℃下烘烤1小时。
在将所得到的样品旋涂PCBM转速1500rpm，时间30s然后100℃退火5分钟。
把所得到的样品蒸发银电极，太阳能电池2组装完成。
实施例3
在氮气手套箱内配置CuInS2前驱体溶液，将0.12mmol醋酸铟、0.4mmol硫脲和35μL丙酸溶于0.6mL丁胺中，并进行超声分散使其形成均质溶液，随后再将0.11mmol碘化亚铜加入到上述溶液中。
将ITO基底依次用去离子水、无水乙醇和丙酮进行超声清洗，各15分钟，最后用氮气将ITO基底吹干。
在氮气手套箱中，将CuInS2前驱体溶液在ITO基底上进行旋凃，转速3000rpm，时间30s，旋涂二次。每次在氮气气氛下先在150℃下烘烤10分钟，随后再在250℃下烘烤8分钟。
在制备好的ITO/CuInS2样品上旋凃稀释比例为10:1(isopropinol:Al2O3)的Al2O3溶液，转速2500rpm，时间30s，之后将样品在150℃下烘烤10分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3。
在氮气气氛下旋涂CdS:perovskite混合溶液，转速2000rpm，时间30s，之后在氮气气氛下将样品在60℃下烘烤1小时。
在将所得到的样品旋涂PCBM转速1500rpm，时间30s然后100℃退火5分钟。
把所得到的样品蒸发银电极，太阳能电池3组装完成。
所得太阳能电池经过测定，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，电池的有效面积均小于1平方厘米时，各性能测定值如下：
如图2所示，为实施例1得到的太阳能电池1的电流电压曲线图。
图3证明了我们得到了想要的薄膜。
图4证明了在钙钛矿太阳电池中确实加入了CdS。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：
1)将ITO基底依次用去离子水、无水乙醇、丙酮进行超声清洗，然后将ITO基底用氮气吹干，得到ITO基底层；
2)在氮气保护下将CuInS2前驱体溶液在步骤1)得到的ITO基底层上进行旋涂，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2层；
3)在步骤2)得到的ITO/CuInS2层上旋涂Al2O3的异丙醇分散液，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2/Al2O3层；
4)在步骤3)得到的ITO/CuInS2/Al2O3层上旋涂CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3层，其中，所述CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液的配制方法为：将每0.5～1.5mmol的CH3NH3I和0.5～1.5mmol的PbI2加入到0.8～1.2ml的DMF中搅拌12～36h，得到钙钛矿的前驱体溶液，之后再加入0.08～0.12mmol的CdCl2和0.28～0.32mmol的硫脲的粉体，得到所述的CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液；
5)在步骤4)得到的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3层上旋涂一层PCBM层，旋涂后进行烘烤处理，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM样品；
6)在步骤5)得到的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM样品上，通过真空蒸发法蒸镀银电极，得到结构为ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM/Ag的太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤4)中，将步骤3)得到的ITO/CuInS2/Al2O3层在氮气的保护下以1500rpm～2000rpm的转速旋涂CdS:CH3NH3PbI3的混合前驱体溶液，旋涂时间为10～20s，之后在80～90℃的温度条件下烘烤0.5～2小时，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3层。
3.根据权利要求2所述的在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤2)中，在氮气保护下将CuInS2前驱体溶液在步骤1)得到的ITO基底层上旋涂1～3次，转速1000～3000rpm，时间10～50s，每次旋涂后在氮气气氛下依次在145～155℃和240～260℃下各烘烤5～10分钟，得到ITO/CuInS2层。
4.根据权利要求3所述的在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述CuInS2前驱体溶液的配制方法如下：在氮气保护下，将每0.08～0.12mmol的醋酸铟、0.4～0.6mmol的硫脲和30～50μL的丙酸溶解到0.4～0.8mL的丁胺中，并进行超声分散，形成均质溶液，再加入0.09～0.13mmol的CuI，得到CuInS2前驱体溶液。
5.根据权利要求1至4任一所述的在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤3)中，在步骤2)得到的ITO/CuInS2层上旋涂Al2O3的异丙醇分散液，转速2200rpm～2800rpm，旋涂时间20～40s，之后在80～120℃的温度条件下烘烤5～10分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3层；所述Al2O3的异丙醇分散液为γ型纳米氧化铝的异丙醇的分散液，其中，氧化铝的固含量为20％～25％，纳米氧化铝粒子的粒径为10～30纳米。
6.根据权利要求1至4任一所述的在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤5)中，在步骤4)得到的ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3层上旋涂一层PCBM层，转速1500rpm，旋涂时间20s，之后以80℃烘烤5分钟，得到ITO/CuInS2/Al2O3/CdS:CH3NH3PbI3/PCBM层。
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