CN105489764A - 一种钙钛矿-云母光伏材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钙钛矿-云母光伏材料及其制备方法。本发明采用纳米云母材料充当钙钛矿吸光材料的惰性支架，防止支架材料干扰电子活动，迫使电子快速穿过钙钛矿吸收体层，显著提高电子传送速度。利用本发明提供的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，能使太阳能电池的光电转换效率最高可达13.8%。
Description
技术领域
本发明涉及光伏材料技术领域，特别地涉及一种钙钛矿-云母光伏材料及其制备方法。
背景技术
太阳能电池材料经过60多年的发展，已经有很多不同的类型。主要包括单晶/多晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒、染料敏化等。目前只有单晶/多晶硅太阳电池得到了广泛应用，其他类型的太阳能电池因原材料稀少、有毒、效率低、稳定性差等缺点在实际应用中受到限制。但单晶/多晶硅太阳电池生产成本高，寻找新型的太阳能电池仍是目前研究的热点。
钙钛矿型有机金属卤化物材料具有优异的光电性能且易于合成，已经在太阳能电池研究中广泛使用，目前基于这种材料的太阳能电池最高能量转换效率已经达到19%，其理论转化效率可以达到50%，具有很大的开发潜能。
钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿吸收层、有机空穴传输层、金属背电极五部分组成。钙钛矿太阳电池工作时，钙钛矿化合物在光照下吸收光子，其价带电子跃迁到导带，接着将导带电子注入到TiO2的导带，再传输到FTO，同时，空穴传输至有机空穴传输层，从而电子-空穴对发生分离，当接通外电路时，电子与空穴的移动将会产生电流。
其中，钙钛矿吸收层的主要作用是吸收太阳光产生的电子-空穴对，并能高效传输电子-空穴对、电子、空穴至相应的致密层和有机空穴传输层。钙钛矿吸收层一般采用介孔纳米结构作为支架，负载钙钛矿吸光材料，因为介孔纳米结构比表面积大，可吸附较多的吸光物质，从而获得较大的电池能量转换效率，介孔纳米材料的组成、微结构和性质对钙钛矿电池的能力转换效率非常重要。
在中国发明专利申请公开说明书CN201410340552中公开了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，采用TiO2/钙钛矿结构材料作为电池吸光层，spiro-OMeTAD作为空穴传输层，制得的太阳能电池能量转换率为11.2～12.6%。有研究利用Al2O3
纳米材料作为钙钛矿吸收层支架，组装的太阳能电池光电转化率为10.9%（LeeMM，TeuscherJ，SnaithHJ，etal.Efficienthybridsolarcells
basedonmeso-superstructuredorganometalhalideperovskites.
Science，2012，338：643-647.），同时也另有研究用ZnO纳米棒作为骨架层，相应的太阳能电池能量转化效率为11.13%（Dae-YongS，Jeong-Hyeok，ParkNG，etal.11%EfficientperovskitesolarcellbasedonZnOnanorods：Aneffectivechargecollectionsystem.J.Phys.Chem.C，2014，118（30）：16567-16573.）。
现有技术存在的缺点是：钙钛矿吸收层对光吸收量不高，组装的太阳能电池光电转化率不高。因此，本发明人在总结现有技术的基础上，经过大量研究完成了本发明。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺点而提出，所解决的技术问题是提供一种吸光性强、光电转换率高的钙钛矿-云母光伏材料，以及这种钙钛矿-云母光伏材料的制备方法。
本发明的技术方案：
本发明是通过下述技术方案实现的：
本发明一种钙钛矿-云母光伏材料，其特征是以纳米云母材料作为钙钛矿吸收体层的介孔纳米支架；所述钙钛矿-云母光伏材料厚度是500-650nm；所述钙钛矿-云母光伏材料所附着的致密层厚度是50-100nm；用作钙钛矿太阳能电池中的吸收层，支撑结构是纳米级云母粉末，钙钛矿结构材料是化学式ABX3的材料，其式中A代表甲基胺；B代表Pb；X是一种或两种选自碘、溴或氯的卤素元素。
本发明一种钙钛矿-云母光伏材料的制备方法。
所述钙钛矿-云母光伏材料制备方法的步骤如下：
（1）制备TiO2致密层
在FTO玻璃上丝网印刷一层TiO2薄膜层，450℃加热30min后，得到厚度为50-100nm的致密层；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为80～120℃，干燥时间为20～30h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为5～8h。最终得到300～600nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：3～5制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，100～200℃干燥，再转移到马弗炉中在温度300～600℃的条件下进行退火处理30～60min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度0.8～1.2mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度8～12mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡15～20min后，用异丙醇洗涤，再在温度90～110℃下加热30～50min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度500～650nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
本发明一种钙钛矿-云母光伏材料及其制备方法，其突出特点和有益效果在于：
一种用于太阳能电池的钙钛矿-云母光伏材料，用作太阳能电池中吸光层。吸光层在吸收光子并生成电子的光电过程中，基本的能量损失会逐步上升。纳米云母材料晶型优良，电绝缘性强，能够充当惰性支架，迫使电子停留其中，并通过超薄的钙钛矿吸收体层进行传送，从而减少能量损失，显著提高电子传送速度，迫使电子快速穿过钙钛矿吸收体层，并同时提高电压。利用本发明提供的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，能使太阳能电池的光电转换效率最高可达13.8%。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应理解为本发明的范围权限仅限于以下实例。
实施例1
（1）制备TiO2致密层
在FTO玻璃上丝网印刷一层TiO2薄膜层，450℃加热30min后，得到厚度为50nm的致密层；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为105℃，干燥时间为25h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为7h。最终得到400nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：3.5制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，100℃干燥，再转移到马弗炉中在温度350℃的条件下进行退火处理30min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度0.8mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度10mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡15min后，用异丙醇洗涤，再在温度90℃下加热30min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度500nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
利用本实施例制备的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，电池的光电转化率为12.7%。
实施例2
步骤（1）同上；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为25h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为6h。最终得到450nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：3.2制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，100℃干燥，再转移到马弗炉中在温度350℃的条件下进行退火处理30min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度1.0mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度10mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡15min后，用异丙醇洗涤，再在温度100℃下加热30min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度550nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
利用本实施例制备的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，电池的光电转化率为12.8%。
实施例3
步骤（1）同上；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为30h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为8h。最终得到300nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：4制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，200℃干燥，再转移到马弗炉中在温度600℃的条件下进行退火处理60min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度1.2mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度12mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡20min后，用异丙醇洗涤，再在温度90℃下加热50min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度420nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
利用本实施例制备的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，电池的光电转化率为11.8%。
实施例4
步骤（1）同上；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为20h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为5h。最终得到600nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：4制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，200℃干燥，再转移到马弗炉中在温度600℃的条件下进行退火处理45min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度1.0mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度12mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡20min后，用异丙醇洗涤，再在温度110℃下加热45min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度600nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
利用本实施例制备的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，电池的光电转化率为13.8%。
实施例5
步骤（1）同上；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为20h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为5h。最终得到600nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：3制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，200℃干燥，再转移到马弗炉中在温度500℃的条件下进行退火处理60min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度0.8mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度12mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡20min后，用异丙醇洗涤，再在温度90℃下加热50min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度650nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
利用本实施例制备的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，电池的光电转化率为11.9%。
实施例6
步骤（1）同上；
（2）制备纳米云母粉末
将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为25h。干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为6h。最终得到350nm的纳米级云母颗粒；
（3）制备纳米云母介孔层
将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：5制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，200℃干燥，再转移到马弗炉中在温度600℃的条件下进行退火处理60min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）制备钙钛矿-云母光伏材料
将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度0.8mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度8mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡15min后，用异丙醇洗涤，再在温度90℃下加热50min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度480nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
利用本实施例制备的钙钛矿-云母光伏材料组装太阳能电池，电池的光电转化率为13.1%。
Claims (6)
1.一种钙钛矿-云母光伏材料，其特征在于：以纳米云母材料作为钙钛矿吸收体层的介孔纳米支架。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿-云母光伏材料，其特征在于所述钙钛矿-云母光伏材料厚度是500-650nm。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿-云母光伏材料，其特征在于所述钙钛矿-云母光伏材料所附着的致密层厚度是50-100nm。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿-云母光伏材料，其特征在于所述钙钛矿结构材料是化学式为ABX3的材料，其式中A代表甲基胺；B代表Pb；X是一种或两种选自碘、溴或氯的卤素元素。
5.一种如权利要求1所述的钙钛矿-云母光伏材料的制备方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤：
（1）在FTO玻璃上丝网印刷一层TiO2薄膜层，450℃加热30min后，得到厚度为50-100nm的致密层；
（2）将云母微粒进行真空干燥，干燥温度为80～120℃，干燥时间为20-30h；干燥后的云母在高速粉碎机中研磨粉碎，粉碎时间为5～8h，最终得到300～600nm的纳米级云母颗粒；
（3）将步骤（2）中得到的云母颗粒与异丙醇按照重量比1：3～5制成料浆，旋涂至步骤（1）中得到的致密层，100～200℃干燥，再转移到马弗炉中在温度300～600℃的条件下进行退火处理30～60min，得到附着在致密层上的纳米云母介孔层；
（4）将步骤（3）得到的纳米云母介孔层旋涂浓度0.8-1.2mol/L碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液，然后在浓度8-12mg/mlCH3NH3I异丙醇中浸泡15-20min后，用异丙醇洗涤，再在温度90-110℃下加热30-50min，生成CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl2I或CH3NH3PbBr2I钙钛矿结构材料：于是得到厚度500-650nm的纳米云母介孔/钙钛矿光伏材料。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿-云母光伏材料的制备方法，其特征在于在步骤（3）中，将碘化铅、氯化铅或溴化铅与CH3NH3I按照摩尔比1:1分别溶解γ-丁内酯中，然后在温度55-65℃的条件下搅拌反应，得到碘化铅、氯化铅或溴化铅溶液2。
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