CN105390614B - 一种钙钛矿太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种湿度稳定的钙钛矿太阳电池及其制备方法，属于太阳电池技术领域。本发明针对现有钙钛矿型甲脒铅碘化物湿度稳定性差，而导致钙钛矿太阳电池的湿度稳定性差的缺点，提出了一种利用铯离子掺杂以提高甲脒铅碘化物的抗湿能力，增强太阳电池湿度稳定性的方法。本发明所制备的钙钛矿太阳电池以FTO导电玻璃(1)为基底，其上依次为致密二氧化钛层(2)、多孔二氧化钛层(3)、钙钛矿层(4)、空穴传输层(5)和电极(6)；其中钙钛矿层为铯掺杂甲脒铅碘化物。本发明方法所制备的钙钛矿太阳电池湿度稳定性高，有利于实际应用。此外它还比未引入铯离子的太阳电池效率更高，重复性好，有利于推广应用于实际生产。

Description

一种钙钛矿太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域。
背景技术
近年来，用具有钙钛矿结构的有机-无机杂化卤化物作为光吸收层制备太阳电池，其光电转化效率已经达到20％，受到了广泛关注。目前，最常用的钙钛矿型吸光层材料是甲胺铅碘化物(CH3NH3PbI3)，这种钙钛矿型材料的吸光范围约为300～800nm。另一种钙钛矿型吸光层材料是甲脒铅碘化物(HC(NH2)2PbI3)，这种钙钛矿型材料的吸光范围可以扩大到850nm，相对于甲胺铅碘化物，它可以利用更大波长范围的太阳光能量。但是，甲脒铅碘化物在空气中由于水蒸气的影响，会转变为另一种不能作为光伏材料的非钙钛矿结构。因此，提高钙钛矿型甲脒铅碘化物的抗湿能力，增强太阳电池器件的稳定性，成为该领域的研究重点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术制备的钙钛矿型甲脒铅碘化物抗湿度能力弱，湿度稳定性差的缺点，提出了一种利用铯离子提高甲脒铅碘化物的抗湿能力的湿度稳定的钙钛矿太阳电池。
本发明的钙钛矿太阳电池的技术方案如下：
一种钙钛矿太阳电池，以FTO导电玻璃为基底1，其上依次为致密二氧化钛层2、多孔二氧化钛层3、钙钛矿层4、空穴传输层5和电极6；其中钙钛矿层为铯掺杂甲脒铅碘化物，Pb和Cs的摩尔比为100:1～3；所述电极优选金电极或银电极。
致密二氧化钛层2的厚度优选20～150nm，多孔二氧化钛层的厚度优选50～1000nm，空穴传输层的厚度优选30～500nm，钙钛矿层4的厚度为200～250nm。
本发明还提供了钙钛矿太阳电池的制备方法，具体步骤如下：
A、在FTO导电玻璃基底1上制备致密二氧化钛层2，并在致密二氧化钛层2上制备多孔二氧化钛层3；
B、使碘化铅和碘化铯混合溶液在多孔二氧化钛层3表面匀胶制膜得到碘化铅和碘化铯混合膜；所述混合溶液中Pb和Cs的摩尔比为10:1～3；
C、在120～200℃条件下预热，除去碘化铅和碘化铯混合膜中剩余的溶剂；
D、在120～200℃条件下，用喷雾方式将浓度为30～70mg/mL甲脒氢碘酸盐溶液雾化，气流携带甲脒氢碘酸盐溶液雾滴与碘化铅和碘化铯混合膜接触并充分反应得到铯掺杂的甲脒铅碘化物；
E、待步骤D反应结束并冷却后除掉未反应的甲脒氢碘酸盐，并在120～200℃条件下退火处理后得到钙钛矿层4；
F、在甲脒铅碘化物膜表面制备空穴传输层5；并在空穴传输层5表面制备电极6后得到所述钙钛矿太阳电池。
甲脒氢碘酸盐溶液的溶剂为能溶解甲脒氢碘酸盐，不易溶解碘化铅，且易挥发、能够被雾化的溶剂，优选异丙醇。所述甲脒氢碘酸盐溶液浓度优选50mg/mL。
步骤A中致密二氧化钛的制备方法优选喷雾热解法；步骤C、步骤D和步骤E中温度条件优选160℃；步骤D中，雾化速度优选2～10μL/s，进一步优选5μL/s。
步骤E的优选方式为通过异丙醇洗涤方式去除未反应的甲脒氢碘酸盐。
步骤G中金电极或者银电极优选蒸发镀膜的方式制备。
本发明的有益效果：
1、用本发明方法所制备的钙钛矿太阳电池湿度稳定性高。
2、用本发明方法所制备的钙钛矿太阳电池重复性好。
3、用本发明方法所制备的钙钛矿太阳电池，其流程简单，易于控制，具有可操作性强的特点。
4、用本发明方法所制备的钙钛矿太阳电池比未引入铯离子的太阳电池光电转换效率更高。
附图说明
图1为本发明中钙钛矿太阳电池截面的扫描电镜照片。
以下附图标记为：1FTO导电玻璃基底、2致密二氧化钛层、3多孔二氧化钛层、4钙钛矿层、5空穴传输层和6电极。
具体实施方式
下面通过具体实施例的方式，结合说明书附图对本发明技术方案做进一步解释和说明。以下实施例中采用的基底面积为1.5cm×1.5cm，未特殊说明的反应均在常温常压下进行。
实施例1
以FTO导电玻璃为基底1；将乙酰丙酮配位的异丙醇钛用乙醇稀释10倍，取1.2mL稀释后的溶液平均分为三次，并在基底温度为450℃的条件下，以氧气为载体进行喷雾热解得到致密二氧化钛层2。
将二氧化钛浆料(18NRT，Dyesol)和乙醇按照1:6质量比稀释、混合均匀，取50μL稀释后的二氧化钛浆料，设置匀胶机转速5000r/min，持续时间30s，然后将旋涂得到的膜进行干燥和烧结，温度依次为80℃，125℃，350℃和500℃，每个温度持续时间均为30min；去除膜中的非二氧化钛物质，得到由二氧化钛纳米颗粒构成的多孔二氧化钛层3。
将浓度为462mg/mL的碘化铅和26mg/mL的碘化铯的二甲基甲酰胺混合溶液50μL滴到多孔二氧化钛膜上，设置匀胶机转速4000r/min，持续时间30s，在多孔二氧化钛膜上得到一层均匀厚度的碘化铅和碘化铯混合膜，随后对旋涂得到的膜进行干燥和预热，温度为160℃，持续5min。随后，将100μL的50mg/mL的甲脒氢碘酸盐的异丙醇溶液用喷雾的方式，使碘化铅和碘化铯混合膜和甲脒氢碘酸盐雾滴进行反应，喷雾的速度为5μL/s。喷雾结束后用异丙醇除去未反应的甲脒氢碘酸盐，并在160℃下退火10min，得到钙钛矿层4。
等上述钙钛矿膜冷却至室温后，旋涂空穴传输材料的溶液，1mL氯苯中含有：72.3mg的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-MeOTAD)、28.8μL的4-叔丁基吡啶和17.5μL的520mg/mL的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)的乙腈溶液。旋涂的转速为4000r/min，时间为20s，得到空穴传输层5。
最后以蒸发镀膜的方式制备100nm厚的金电极6，得到所述钙钛矿太阳电池器件。
经过测试，利用铯离子掺杂甲脒铅碘化物制备得到的钙钛矿太阳电池，光电转化效率达到14.9％。表明利用本发明的方法，可以制备出高性能的太阳电池器件。利用恒温恒湿箱进行老化测试，老化条件为湿度50％，温度20℃，100小时后，该太阳电池的光电转化效率保持在12.4％左右，表现出很好的湿度稳定性。而未掺杂铯离子的甲脒铅碘化物所制备的钙钛矿太阳电池，老化后效率仅为0.35％。测试太阳电池器件是利用氙灯模拟太阳光源，并在1个标准太阳光下测试，得出如上所述光电转化效率，准确有效，以下实施例的测试方法均与实施例1相同。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：在制备钙钛矿型吸光层材料时，用浓度为462mg/mL的碘化铅和52mg/mL的碘化铯的二甲基甲酰胺溶液，进而制备掺杂的甲脒铅碘化物来组装钙钛矿太阳电池。
经过测试，利用此浓度的铯离子掺杂甲脒铅碘化物制备得到的钙钛矿太阳电池，光电转化效率达到12.4％。利用恒温恒湿箱老化这种器件之后，老化条件为湿度50％，温度20℃，100小时后，该太阳电池的光电转化效率保持在4.8％左右，湿度稳定性强于未掺杂的钙钛矿太阳电池。
实施例3
实施例3与实施例1和实施例2的不同之处在于：在制备钙钛矿型吸光层材料时，用浓度为462mg/mL的碘化铅和78mg/mL的碘化铯的二甲基甲酰胺溶液，进而制备掺杂的甲脒铅碘化物来组装钙钛矿太阳电池。
经过测试，利用此浓度的铯离子掺杂甲脒铅碘化物制备得到的钙钛矿太阳电池，光电转化效率达到8.54％。利用恒温恒湿箱老化这种器件之后，老化条件为湿度50％，温度20℃，100小时后，该太阳电池的光电转化效率保持在3.4％左右，湿度稳定性强于未掺杂的钙钛矿太阳电池。
实施例4
除上述实施例外，步骤C、步骤D和步骤E中温度范围在120～200℃之间时，甲脒氢碘酸盐能够与碘化铅和碘化铯发生反应。喷雾速度应控制在2～10μL/s，速度过慢或或过快都不利于反应的进行，当喷雾速度为5μL/s，反应效果最好。甲脒氢碘酸盐溶液的浓度也应当控制在30～70mg/mL，浓度过高或过低也都会对反应效果产生影响，当浓度为50mg/mL时反应效果最好。
本发明中致密二氧化钛层2、多孔二氧化钛层3、空穴传输层5和电极6制备均可以利用现有技术，且方法并不限于本发明实施例中所举实例，使用其他本领域公知的方法也可达到与本发明实施例相同的效果。

Claims (8)

1.一种钙钛矿太阳电池，以FTO导电玻璃为基底（1），其上依次为致密二氧化钛层（2）、多孔二氧化钛层（3）、钙钛矿层（4）、空穴传输层（5）和电极（6），其特征在于，所述钙钛矿层（4）为铯掺杂甲脒铅碘化物，且其中Pb和Cs的摩尔比为10: 1~3；所述的钙钛矿层（4）的厚度为200~250nm，致密二氧化钛层（2）的厚度为20~150nm、多孔二氧化钛层（3）的厚度为50~1000nm和/或空穴传输层（5）的厚度为30~500nm；所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，步骤如下：
A、在FTO导电玻璃基底（1）上制备致密二氧化钛层（2），并在致密二氧化钛层（2）上制备多孔二氧化钛层（3）；
B、使碘化铅和碘化铯混合溶液在多孔二氧化钛层（3）表面匀胶制膜得到碘化铅和碘化铯混合膜；所述混合溶液中Pb和Cs的摩尔比为10:1~3；
C、在120~200℃条件下预热，除去碘化铅和碘化铯混合膜中剩余的溶剂；
D、在120~200℃条件下，用喷雾方式将浓度为30~70mg/mL甲脒氢碘酸盐溶液雾化，气流携带甲脒氢碘酸盐溶液雾滴与碘化铅和碘化铯混合膜接触并充分反应得到铯掺杂的甲脒铅碘化物；
E、待步骤D反应结束并冷却后除掉未反应的甲脒氢碘酸盐，并在120~200℃条件下退火处理后得到钙钛矿层（4）；
F、在钙钛矿层（4）表面制备空穴传输层（5）；并在空穴传输层（5）表面制备电极（6）后得到钙钛矿太阳电池。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述电极（6）为金电极或银电极。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述甲脒氢碘酸盐溶液，溶剂为异丙醇。
4.根据权利要求1或3所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述甲脒氢碘酸盐溶液浓度为50mg/mL。
5.根据权利要求1或3所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，喷雾速率为2~10μL/s。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤C、步骤D或步骤E中的温度条件为160℃。
7.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤E中除去未反应的甲脒氢碘酸盐的方法为用异丙醇洗涤。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述制备电极（6）方法为蒸发镀膜。
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