CN105489769A - 一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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王照奎
李萌
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    • Y02E10/549—Organic PV cells

Abstract

本发明提供一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：将甲基碘化铵、氯化铅溶于二甲基甲酰胺中，制成钙钛矿前驱液；将金属纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，然后加工在衬底上，再退火得到固化的阳极修饰层；将钙钛矿前驱液加工到阳极修饰层上，再退火得到固化的感光层；将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯加工到感光层上，得到电子传输层；将有机材料加工到电子传输层上，得到阴极修饰层；在阴极修饰层上加工阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。本发明制备得到的钙钛矿型太阳能电池能量转换效率高，光伏特性好。

Description

一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，尤其涉及一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池以其低成本、制备工艺简单等优点受到全世界科学研究者的广泛关注，成为最具潜力的可再生能源之一。日本Miyasaka等研究人员与2009年首次报道了具有钙钛矿结构的有机-铅卤化物作为光电转化材料。短短几年时间，钙钛矿型太阳能电池的能量转换效率已经提高到了15%以上，显示了极具潜力的应用前景。
目前钙钛矿薄膜太阳能电池由于其薄膜厚度、材料特性以及制备工艺的限制，其厚度通常在几百纳米左右，在一定程度上制约了其对可见光的吸收，影响其电流密度的提高。同时目前对太阳能电池的制备工艺通常采用溶液法等，也在一定程度上制约了其填充因子。光电流密度和填充因子较低，直接制约着其能量转化效率的进一步提升，为了进一步提高太阳能电池的能量转换效率，增加其电流密度和填充因子至关重要。
发明内容
解决的技术问题：针对现有的钙钛矿型太阳能电池厚度大、可见光吸收率差、能量转化效率较差等缺点，本发明提供一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法。
技术方案：一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将金属纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工在衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到固化的阳极修饰层，其中金属纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为（1-5）:7:50；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷等方法加工到（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工到（3）中的感光层上，得到电子传输层；
（5）将有机材料采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工到（4）中的电子传输层上，得到阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀或者喷墨打印的方法加工阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
上述所述的步骤（2）中的金属纳米颗粒为Au纳米颗粒或Ag纳米颗粒，衬底为ITO柔性基底、ITO玻璃基底、AZO玻璃基底或FTO玻璃基底。
上述所述的步骤（2）中阳极修饰层的厚度为40-50nm。
上述所述的步骤（3）中的感光层的厚度为200-300nm。
上述所述的步骤（4）中的电子传输层的厚度为40-50nm。
上述所述的步骤（5）中的有机材料为4,7-二苯基-1,10-菲啰啉或2,9-二甲基-47-二苯基-1,10-菲啰啉。
上述所述的步骤（5）中的阴极修饰层的厚度为5-10nm。
上述所述的步骤（6）中的阴极电极为Ag、Al或Au，厚度为60-100nm。
有益效果：本发明提供的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，具有以下有益效果：
1.本发明通过对传统的PEDOT:PSS掺杂Ag、Au金属纳米颗粒，增加钙钛矿太阳能电池中空穴传输层对空穴的抽取，实现电池器件电流的增强；
2.本发明采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法，用有机材料制备得到的阴极修饰层修饰阴极电极，在一定程度上很好的提高了钙钛矿电池器件的填充因子，进而实现了器件效率的提高；
3.采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工钙钛矿型太阳能电池，相比传统的高温退火制备工艺，具有制备工艺简单、制备温度低等优点，有利于大幅度降低有机太阳能电池的成本。
附图说明
图1为本发明制备得到的阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例中使用的ITO玻璃基底和ITO柔性基底购于中国南玻集团股份有限公司，PEDOT：PSS购于德国的Heraeus公司，碘化铅、甲基碘化胺、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯，4,7-二苯基-1,10-菲啰啉、2,9-二甲基-47-二苯基-110-菲啰啉和Ag购于百灵威科技有限公司。
实施例1
一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将Ag纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液通过在4500rpm的转速下旋转40s加工在ITO玻璃衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到厚度为50nm的固化的阳极修饰层，其中Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为3:7:50，Ag纳米颗粒的粒径大小为40-50nm；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到厚度为300nm的固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯通过在2000rpm的转速下旋转40s加工在（3）中的感光层上，得到厚度为50nm的电子传输层；
（5）将4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中，制成浓度为0.5mg/mL的溶液，将溶液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（4）中的电子传输层上，得到厚度为10nm的阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
实施例2
一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将Ag纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液通过在4500rpm的转速下旋转40s加工在ITO玻璃衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到厚度为50nm的固化的阳极修饰层，其中Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为3:7:50，Ag纳米颗粒的粒径大小为40-50nm；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到厚度为300nm的固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯通过在2000rpm的转速下旋转40s加工在（3）中的感光层上，得到厚度为50nm的电子传输层；
（5）将2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中，制成浓度为0.5mg/mL的溶液，将溶液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（4）中的电子传输层上，得到厚度为10nm的阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
实施例3
一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将Ag纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液通过在4500rpm的转速下旋转40s加工在ITO玻璃衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到厚度为50nm的固化的阳极修饰层，Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为3:7:50，Ag纳米颗粒的粒径大小为40-50nm；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到厚度为300nm的固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯通过在2000rpm的转速下旋转40s加工在（3）中的感光层上，得到厚度为50nm的电子传输层；
（5）将4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中，制成浓度为1mg/mL的溶液，通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（4）中的电子传输层上，得到厚度为10nm的阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
实施例4
一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将Ag纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液通过在4500rpm的转速下旋转40s加工在ITO玻璃衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到厚度为50nm的固化的阳极修饰层，Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为3:7:50，Ag纳米颗粒的粒径大小为40-50nm；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到厚度为300nm的固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯通过在2000rpm的转速下旋转40s加工在（3）中的感光层上，得到厚度为50nm的电子传输层；
（5）将4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中，制成浓度为0.9mg/mL的溶液，通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（4）中的电子传输层上，得到厚度为10nm的阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
实施例5
一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将Ag纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液通过在4500rpm的转速下旋转40s加工在ITO玻璃衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到厚度为50nm的固化的阳极修饰层，Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为1:7:50，Ag纳米颗粒的粒径大小为40-50nm；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到厚度为300nm的固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯通过在2000rpm的转速下旋转40s加工在（3）中的感光层上，得到厚度为50nm的电子传输层；
（5）将4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中，制成浓度为0.5mg/mL的溶液，将溶液通过在4000rpm的转速下旋转40秒加工在（4）中的电子传输层上，得到厚度为10nm的阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
实施例6
一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将Ag纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液通过在4500rpm的转速下旋转40s加工在ITO玻璃衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到厚度为50nm的固化的阳极修饰层，Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为5:7:50，Ag纳米颗粒的粒径大小为40-50nm；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液通过在4000rpm的转速下旋转40s加工在（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到厚度为300nm的固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯通过在2000rpm的转速下旋转40s加工在（3）中的感光层上，得到厚度为50nm的电子传输层；
（5）将4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中，制成浓度为0.5mg/mL的溶液，将溶液通过在4000rpm的转速下旋转40秒加工在（4）中的电子传输层上，得到厚度为10nm的阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
对比例1
一种钙钛矿型太阳能电池的制备方法，该制备方法的制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵和的氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌2h，制成30wt%的钙钛矿二甲基甲酰胺溶液；
（2）将PEDOT:PSS溶液在转速为4500rpm下旋转40s旋涂在ITO玻璃基底上，再在100℃，于空气中退火20min，形成固化的厚度为50nm的阳极修饰层；
（3）将（1）中得到的钙钛矿二甲基甲酰胺溶液在转速为4000rpm下旋转40s旋涂在（2）中得到的阳极修饰层上，再在100℃下退火处理，得到均匀固化的厚度为300nm的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯在转速为2000rpm下旋转40s旋涂在（3）中得到的感光层上，得到均匀的厚度为50nm的电子传输层；
（5）在（4）中得到的电子传输层上采用蒸镀的方法加工厚度为100nm的Ag阴极电极，即得钙钛矿型太阳能电池。
上述述实施例1～实施例6以及对比例1的钙钛矿型太阳能电池在光照强度为AM1.5G下的的技术性能指标，其检测结果如下：
对比实施例1和实施例2可知，阴极修饰采用4,7-二苯基-1,10-菲啰啉或者2,9-二甲基-47-二苯基-110-菲啰啉都具有较好的光伏特性。对比实施例1、3、4可知，当4,7-二苯基-1,10-菲啰啉溶解在乙醇中浓度为0.5mg/ml时，具有较好的光伏特性，4,7-二苯基-1,10-菲啰啉的加入量较少时，电流没有很好的提升，加入量较多时，填充因子会受到影响。对比实施例1、5、6可知，当Ag纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为3:7:50时，钙钛矿电池器件的具有最优的光电流和较好的填充因子，从而具有较好的能量转化效率。对比实施例1和对比例1可知，采用阴阳极共修饰后制备得到的太阳能电池具有很好的光电流和填充因子，进而能量转换效率得到很好的改善，具有突出的光伏特性。

Claims (8)

1.一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
（1）将甲基碘化铵、氯化铅按摩尔比3:1溶于二甲基甲酰胺中，搅拌5h，制成30wt%的钙钛矿前驱液；
（2）将金属纳米颗粒溶于乙醇中后，再与PEDOT:PSS互溶，溶液采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工在衬底上，再于100℃的空气中退火20min，得到固化的阳极修饰层，其中金属纳米颗粒、乙醇、PEDOT:PSS的重量比为（1-5）:7:50；
（3）将（1）中的钙钛矿前驱液旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷等方法加工到（2）中的阳极修饰层上，再于100℃的氮气中退火1h，得到固化的感光层；
（4）将[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工到（3）中的感光层上，得到电子传输层；
（5）将有机材料采用旋涂、喷墨打印或者卷对卷印刷方法加工到（4）中的电子传输层上，得到阴极修饰层；
（6）在阴极修饰层上采用蒸镀或者喷墨打印的方法加工阴极电极，即得阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的金属纳米颗粒为Au纳米颗粒或Ag纳米颗粒，衬底为ITO柔性基底、ITO玻璃基底、AZO玻璃基底或FTO玻璃基底。
3.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中阳极修饰层的厚度为40-50nm。
4.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的感光层的厚度为200-300nm。
5.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的电子传输层的厚度为40-50nm。
6.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的有机材料为4,7-二苯基-1,10-菲啰啉或2,9-二甲基-47-二苯基-1,10-菲啰啉。
7.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的阴极修饰层的厚度为5-10nm。
8.根据权利要求1所述的一种阴阳极共同修饰的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中的阴极电极为Ag、Al或Au，厚度为60-100nm。
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