CN105390291B - 银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料 - Google Patents

银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能电池技术。本发明解决了现有Spiro‑OMeTAD应用在太阳能电池中时，电池效率仍然较低的问题，提供了一种银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，其技术方案可概括为：银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，包括有掺杂4‑叔丁基吡啶和双三氟甲烷磺酰亚胺锂的Spiro‑OMeTAD氯苯溶液，所述Spiro‑OMeTAD氯苯溶液中还均匀分散有占总质量0.01％‑5％的银纳米线。本发明的有益效果是，由于银纳米线具有优良的导电性，从而为空穴的传输提供快速通道，减少了电子和空穴的复合，从而提高了电池寿命，且由于光衍射特性，银纳米线对光的衍射还可以增加光的吸收，使电池充分吸收光能，适用于太阳能电池。

Description

银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，特别涉及太阳能电池的空穴传输材料。
背景技术
近年来，以煤、石油和天然气为代表的传统能源对环境造成的污染日益严重，加上不可再生能源衰竭与全球经济发展之间的矛盾越来越突出，因此在当前背景下，以太阳能光伏产业为代表的可再生洁净能源受到普遍重视并取得快速发展。
目前，太阳能电池研究中多采用液体电解质体系，由于液态电解质存在挥发、渗漏和腐蚀电极的问题，因此电池的寿命偏低。为了解决这一问题，固态电解质太阳能电池应运而生。P型半导体载流子为空穴，很自然的适合作为固态电解质。作为固态电解质的P型半导体应满足以下条件：1)必须对可见光透明；2)必须能够在不破坏吸附在二氧化钛纳米颗粒表面的吸光材料的情况下沉积该半导体材料；3)能够且必须与太阳能电池的其他层电势相匹配；4)必须有高的空穴迁移率。
Spiro-OMeTAD作为小分子空穴传输材料被固态电解质广泛使用在太阳能电池中，未掺杂的Spiro-OMeTAD最初用在固态染料敏化太阳能电池中，电池效率并不理想，后来通过掺杂4-叔丁基吡啶(TBP)和双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，使得电池效率有所提高。但其效率还并不能让人满意。
发明内容
本发明的目的是解决现有Spiro-OMeTAD应用在太阳能电池中时，电池效率仍然较低的缺点，提供了一种银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，包括有掺杂4-叔丁基吡啶和双三氟甲烷磺酰亚胺锂的Spiro-OMeTAD氯苯溶液，其特征在于，所述Spiro-OMeTAD氯苯溶液中还均匀分散有占总质量0.01％-5％的银纳米线。
进一步的，所述Spiro-OMeTAD氯苯溶液所占质量百分比分别为：4-叔丁基吡啶占0.05％-5％，双三氟甲烷磺酰亚胺锂占0.01％-3％，Spiro-OMeTAD占0.01％-10％，氯苯为溶剂。
具体的，所述银纳米线长度为300nm-20μm，直径为5-300nm。
本发明的有益效果是，通过上述银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，由于该材料中加入了银纳米线，使用其制作太阳能电池后，由于银纳米线具有优良的导电性，从而为空穴的传输提供快速通道，减少了电子和空穴的复合，从而提高了电池寿命，且由于光的衍射特性，银纳米线对光的衍射还可以增加光的吸收，使电池充分吸收光能。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述的固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试结果示意图；
图2为本发明实施例2中所述的固态量子点太阳能电池的光电性能测试结果示意图；
图3为本发明实施例3中所述的钙钛矿太阳能电池的光电性能测试结果示意图；
其中，A曲线为应用了本发明中所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料的固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试曲线，B曲线为固态染料敏化太阳能电池中所采用的太阳能电池空穴传输材料中无银纳米材料时的光电性能测试曲线，C曲线为应用了本发明中所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料的固态量子点太阳能电池的光电性能测试曲线，D曲线为固态量子点太阳能电池中所采用的太阳能电池空穴传输材料中无银纳米材料时的光电性能测试曲线，E曲线为应用了本发明中所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池的光电性能测试曲线，F曲线为钙钛矿太阳能电池中所采用的太阳能电池空穴传输材料中无银纳米材料时的光电性能测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，包括有掺杂4-叔丁基吡啶和双三氟甲烷磺酰亚胺锂的Spiro-OMeTAD氯苯溶液，Spiro-OMeTAD氯苯溶液中还均匀分散有占总质量0.01％-5％的银纳米线。其中，Spiro-OMeTAD氯苯溶液所占质量百分比可以分别为：4-叔丁基吡啶占0.05％-5％，双三氟甲烷磺酰亚胺锂占0.01％-3％，Spiro-OMeTAD占0.01％-10％，氯苯为溶剂，银纳米线长度可以为300nm-20μm，直径可以为5-300nm。
实施例1
本发明实施例1中，以将上述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料应用在固态染料敏化电池中为例。
其具体制备步骤为：
步骤1、在掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)表面通过刮涂法涂上一层粘糊状的P25二氧化钛胶体，然后在马弗炉中450℃下热处理30分钟得到多孔二氧化钛薄膜；最后将其浸泡于4×10-4mol/L的染料的有机溶液中浸泡8小时，得到染料敏化太阳能电池光阳极；
步骤2、在有200ul的Spiro-OMeTAD氯苯溶液配成的空穴传输材料中，加入50ul分散在氯苯溶液中的银纳米线(浓度为20mg/ml)(这里，由于在有200ul的Spiro-OMeTAD氯苯溶液配成的空穴传输材料中，加入50ul分散在氯苯溶液中的银纳米线，其浓度为20mg/ml，这50ul里面里面的银纳米线浓度本来就很小，因而基本就只占了整个空穴传输材料总质量的大约0.01％-5％)，并超声分散均匀；然后按转速为2000r，时间为40s，旋涂在步骤1所得到 的染料敏化太阳能电池光阳极上，所制作的空穴传输层的厚度为50-800nm；
步骤3、称取0.03g纯度为99.99％的金丝，通过真空热蒸发的方式沉积在空穴传输层上，沉积金电极的为厚度100nm。
对该电池进行光电性能测试，其测试结果如图1中A曲线所示，B曲线为对比实验电池(不加银纳米线，其余实验条件完全相同，即固态染料敏化太阳能电池中所采用的太阳能电池空穴传输材料中无银纳米材料时)性能测试曲线，可计算出短路电流密度5.2mA/cm2，开路电压为0.73V，填充因子为61，光电转化效率为2.3％；A曲线为应用了本发明中所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料的固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试曲线，可计算出短路电流密度6.1mA/cm2，开路电压为0.71V，填充因子为62，光电转化效率为2.7％，相对于对比实验提高了17％。
实施例2
本发明实施例2中，以将上述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料应用在固态量子点太阳能电池中为例。
其具体制备步骤为：
步骤1、在掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)表面通过刮涂法涂上一层粘糊状的P25二氧化钛胶体，然后在马弗炉中450℃下热处理30分钟得到多孔二氧化钛薄膜；
步骤2、在多孔二氧化钛薄膜上采用连续离子层吸附反应法(SILAR)沉积CdS量子点，具体方法是先将多孔二氧化钛薄膜浸入0.05M的Cd(NO)3·4H2O甲醇溶液中60s，然后用甲醇清洗；再浸入0.05M的Na2S·9H2O甲醇溶液中60s，然后用甲醇清洗；循环浸泡9次，在真空干燥箱中70℃下放4小时；
步骤3、在有200ul的spiro-OMeTAD氯苯溶液配成的空穴传输材料中，加入50ul分散在氯苯溶液中的银纳米线(浓度为20mg/ml)，并超声分散均匀；然后按转速为2000r，时间为40s，旋涂在步骤2所得到的CdS量子点上，所制作的空穴传输层的厚度为50-800nm；
步骤4、称取0.03g纯度为99.99％的金丝，通过真空热蒸发的方式沉积在空穴传输层上，沉积金电极的为厚度100nm。
对该电池进行光电性能测试，其测试结果如图2中C曲线所示，D曲线为对比实验电池(不加银纳米线，其余实验条件完全相同，即固态量子点太阳能电池中所采用的太阳能电池空穴传输材料中无银纳米材料时)性能测试曲线，可计算出短路电流密度1.91mA/cm2，开路电压为0.43V，填充因子为60，光电转化效率为0.5％；C曲线为应用了本发明中所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料的固态量子点太阳能电池的光电性能测试曲线，可计算出短路电流密度2.75mA/cm2，开路电压为0.41V，填充因子为59，光电转化效率为0.67％，相 对于对比实验提高了34％。
实施例3
本发明实施例3中，以将上述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料应用在钙钛矿太阳能电池中为例。
其具体制备步骤为：
步骤1、采用水热合成法制备锐钛矿型的二氧化钛纳米颗粒，其制备过程如下：采用钛酸四异丙酯[Ti(i-OC3H7)4]、硝酸(HNO3)、冰乙酸(CH3COOH)和去离子水(H2O)为原料，控制Ti(i-OC3H7)4、HNO3、CH3COOH和H2O的摩尔比为1∶2.8∶1∶76；首先将Ti(i-OC3H7)4溶于H2O中，强力搅拌下加入CH3COOH，再边搅拌边缓慢加入HNO3；然后将反应体系加热至80℃并转入高压釜中，在150-300℃的温度和0-330Mpa的压力条件下水热反应，得到二氧化钛溶胶；最后将二氧化钛溶胶经真空除水处理后加入高分子表面活性剂调节粘度，得到粘稠状二氧化钛胶体；
步骤2、将掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)清洗干净，然后将钛酸四异丙酯溶于乙醇中，用旋涂的方式在洗净的FTO玻璃上旋涂后，500℃热处理30分钟得到厚度约为30nm的致密二氧化钛层；
步骤3、将步骤1得到的二氧化钛胶体按与无水乙醇1∶3.5的比例稀释，按转速4000r，时间60s旋涂到步骤2得到的基片上，形成300-600nm厚的多孔二氧化钛薄膜，450℃下热处理30分钟；
步骤4、通过两步法制备CH3NH3PbI3，将1.3mol/L的PbI2二甲基甲酰胺(DMF)溶液，以3000r/min旋涂到多孔二氧化钛层上；配制10mg/mL的CH3NH3I异丙醇溶液，将旋涂好的PbI2膜浸入CH3NH3I异丙醇溶液中，碘化铅转化为CH3NH3PbI3，最后在90℃下热处理40分钟；
步骤5、在有200ul的spiro-OMeTAD氯苯溶液配成的空穴传输材料中，加入50ul分散在氯苯溶液中的银纳米线(浓度为20mg/ml)，并超声分散均匀；然后按转速为2000r，时间为40s，旋涂在步骤4所得到的CH3NH3PbI3膜上，所制作的空穴传输层的厚度为50-800nm；
步骤6、称取0.03g纯度为99.99％的金丝，通过真空热蒸发的方式沉积在空穴传输层上，沉积金电极的为厚度100nm。
对该电池进行光电性能测试，其测试结果如图3中E曲线所示，F曲线为对比实验电池(不加银纳米线，其余实验条件完全相同，即钙钛矿太阳能电池中所采用的太阳能电池空穴传输材料中无银纳米材料时)性能测试曲线，可计算出短路电流密度23.3mA/cm2，开路电压为0.935V，填充因子为67，光电转化效率为14.7％；E曲线为应用了本发明中所述的银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池的光电性能测试曲线，可计算出短路电 流密度26.5mA/cm2，开路电压为0.93V，填充因子为65，光电转化效率为15.9％，相对于对比实验提高了8％。

Claims (3)

1.银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，包括有掺杂4-叔丁基吡啶和双三氟甲烷磺酰亚胺锂的Spiro-OMeTAD氯苯溶液，其特征在于，所述Spiro-OMeTAD氯苯溶液中还均匀分散有占总质量0.01％-5％的银纳米线。
2.根据权利要求1所述银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，其特征在于，所述Spiro-OMeTAD氯苯溶液所占质量百分比分别为：4-叔丁基吡啶占0.05％-5％，双三氟甲烷磺酰亚胺锂占0.01％-3％，Spiro-OMeTAD占0.01％-10％，氯苯为溶剂。
3.根据权利要求1或2所述银纳米线复合太阳能电池空穴传输材料，其特征在于，所述银纳米线长度为300nm-20μm，直径为5-300nm。
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