CN105826476A - 一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于太阳电池技术领域的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法。所述制备方法包括二氧化钛致密层的制备、二氧化钛骨架层的制备、钙钛矿光吸收层的制备、复合空穴传输层的制备及蒸镀对电极。所述制备方法制备的钙钛矿太阳电池具有复合空穴传输层，无机材料的加入提高了空穴传输层整体的空穴迁移率，减小了光生载流子的复合，使其具有更高的光电转化效率及短路电流，减少了钙钛矿光吸收层的表面粗糙度，进一步提高电池的短路电流，同时降低了钙钛矿太阳电池的成本，简化了生产工艺，对钙钛矿太阳电池的进一步发展起到积极的作用。

Description

一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法。
背景技术
有机无机卤素铅钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)具有较高的电荷迁移率和电荷扩散长度、出色的光吸收系数、合适的禁带宽度等优点。此外，钙钛矿材料所含的元素在地球上含量丰富且容易提取。因此，钙钛矿材料受到了广泛的关注，目前基于钙钛矿材料的太阳电池发展迅速，最高效率已经超过了20％。
钙钛矿太阳电池的空穴传输材料分为有机类与无机类，其中最常用的为有机Spiro-OMeTAD空穴传输材料。虽然采用此类空穴传输材料制备的钙钛矿太阳电池具有较高的能量转换效率，但这些材料价格昂贵，增加了应用成本，同时这些有机材料制备流程复杂，稳定性差，对钙钛矿电池的规模化应用提出了巨大的挑战。为了解决钙钛矿太阳电池成本高，空穴传输材料制备工艺复杂、稳定性差等难题，在保证钙钛矿太阳电池能量转换效率的前提下，探索新型空穴传输材料，降低钙钛矿太阳电池的成本具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，采取的技术方案如下：
一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，所述的钙钛矿太阳电池包括导电玻璃、二氧化钛致密层、二氧化钛骨架层、钙钛矿光吸收层、复合空穴传输层和对电极，所述复合空穴传输层的制备材料包括乙酰丙酮铜和Spiro-OMeTAD。
所述复合空穴传输层的制备方法为：将乙酰丙酮铜前驱体溶液旋涂于钙钛矿光吸收层上，在温度为80-100℃下加热结晶20min；冷却到室温后，再旋涂上20μl的Spiro-OMeTAD溶液，获得复合空穴传输层。
所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上旋涂二氧化钛致密层溶液，加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(2)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后，在其上旋涂二氧化钛骨架层溶液，加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(3)钙钛矿光吸收层的制备：将获得的二氧化钛骨架层冷却到室温后，利用两步旋涂法制作钙钛矿光吸收层；
首先将30-50μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，在3000-4000r/s下旋涂30s，然后在温度为70-90℃下加热结晶30min；冷却到室温后，再将70-100μl碘甲胺溶液喷涂于碘化铅上，反应20-40s，然后在3000r/s下旋涂30s，最后在温度为70-90℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(4)复合空穴传输层的制备：将获得的钙钛矿光吸收层冷却到室温后，将乙酰丙酮铜前驱体溶液旋涂于钙钛矿光吸收层上，在温度为80-100℃下加热结晶20min；冷却到室温后，再旋涂上20μl的Spiro-OMeTAD溶液，获得复合空穴传输层；
(5)对电极的制备：真空条件下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为60-80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池。
所述乙酰丙酮铜前驱体溶液的浓度为0.5-3mg/ml，溶剂为邻二氯苯。
所述乙酰丙酮铜前驱体溶液的旋涂的转速为4000r/s，时间为30s；Spiro-OMeTAD溶液旋涂的转速为4000r/s，时间为20s。
步骤(1)中所述二氧化钛致密层溶液的用量为30-50μl，旋涂转速为3000r/s，旋涂时间为30s。
步骤(2)中所述二氧化钛骨架层溶液的用量为30-50μl，旋涂转速为3000-5000r/s，旋涂时间为30s；二氧化钛骨架层溶液中，二氧化钛颗粒的直径为18nm。
步骤(3)中所述碘化铅溶液的浓度为300-600mg/ml，溶剂为DMF；所述碘甲胺溶液的浓度为6-10mg/ml，溶剂为异丙醇。
步骤(3)中碘化铅溶液滴于二氧化钛骨架层上，静置30-60s后再旋涂，使碘化铅更加充分铺满于介孔层表面及适当的渗透于其中；旋涂完毕后静置2-5min后再加热结晶，有利于碘化铅在空气中氧化产生合适的孔隙以便与碘甲胺更加充分的反应。
所述制备方法除步骤(1)与(2)的加热结晶过程及步骤(5)外，均在水含量低于30％的手套箱中进行。
本发明的有益效果为：所述制备方法制备的钙钛矿太阳电池具有有机材料(Spiro-OMeTAD)与无机材料(铜氧化物)组成的复合空穴传输层，由于无机材料的加入提高了空穴传输层整体的空穴迁移率，减小了光生载流子的复合；与只具备有机Spiro-OMeTAD空穴传输层的钙钛矿太阳电池相比具有更高的光电转化效率及短路电流，同时由于无机层的修饰，可减少由液相法合成的钙钛矿光吸收层的表面粗糙度，进一步提高电池的短路电流。另外，无机空穴材料的引入减小了有机材料Spiro-OMeTAD溶液的用量，降低了钙钛矿太阳电池的成本，简化了生产工艺，对钙钛矿太阳电池的进一步发展起到积极的作用。
附图说明
图1为本发明所述制备方法制备的钙钛矿太阳电池的结构示意图。
图2为本发明所述制备方法所制备的钙钛矿太阳电池的J-V曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述，本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)导电玻璃的清洗：将导电玻璃切成15mm×13mm，利用锌粉与盐酸将其中间刻蚀掉2mm后，在重铬酸钾洗液中浸泡30min，取出用清水冲干；然后浸泡在洗涤液中超声2h，取出分别用清水、去离子水、乙醇冲洗干净放入烘箱烘干；
(2)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上，旋涂二氧化钛致密层溶液，二氧化钛致密层溶液的用量为40μl，旋涂转速为3000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台进行加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后移入手套箱内，然后在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛骨架层溶液，二氧化钛骨架层溶液的用量为35μl，旋涂转速为5000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(4)钙钛矿光吸收层的制备：在使用的前一夜配制好碘化铅溶液，并在60℃下加热搅拌溶解，碘化铅溶液的浓度为462mg/ml，然后在使用前1h将其加热至70℃，并在实验过程中保证恒温以确保碘化铅的溶解度；旋涂前1h配置碘甲胺溶液，浓度为8mg/ml，并持续搅拌；
待二氧化钛骨架层冷却到室温后移入手套箱内，取40μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，静置50s后在4000r/s下旋转30s，冷却4min后将其移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min；
冷却至室温后，取100μl碘甲胺溶液，将其一次性从样品一角注射铺满样品，反应20s后在3000r/s下旋涂30s，移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(5)复合空穴传输层的制备：在使用的前两小时配置乙酰丙酮铜前驱体溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为0.6mg/ml；
待钙钛矿光吸收层冷却至室温后，取40μl乙酰丙酮铜前驱体滴在钙钛矿光吸收层上，在4000r/s下，旋涂20s，旋涂后在80℃下加热结晶20min；冷却至室温后，再将20μlSpiro-OMeTAD溶液，在4000r/s下旋涂20s，获得复合空穴传输层；
(6)蒸镀对电极：利用超真空镀膜机在1×10-5pa下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池，其结构示意图如图1所示，J-V曲线图如图2所示。
实施例2
(1)导电玻璃的清洗：将导电玻璃切成15mm×13mm，利用锌粉与盐酸将其中间刻蚀掉2mm后，在重铬酸钾洗液中浸泡30min，取出用清水冲干；然后浸泡在洗涤液中超声2h，取出分别用清水、去离子水、乙醇冲洗干净放入烘箱烘干；
(2)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上，旋涂二氧化钛致密层溶液，二氧化钛致密层溶液的用量为35μl，旋涂转速为3000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台进行加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后移入手套箱内，在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛骨架层溶液，二氧化钛骨架层溶液的用量为35μl，旋涂转速为5000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(4)钙钛矿光吸收层的制备：在使用的前一夜配制好碘化铅溶液，并在60℃下加热搅拌溶解，碘化铅溶液的浓度为462mg/ml，然后在使用前1h将其加热至70℃，并在实验过程中保证恒温以确保碘化铅的溶解度；旋涂前1h配置碘甲胺溶液，浓度为8mg/ml，并持续搅拌；
待二氧化钛骨架层冷却到室温后移入手套箱内，取40μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，静置40s后在4000r/s下旋转30s，冷却4min后移至钛加热板上，在80℃下加热结晶30min；
冷却至室温后，取80μl碘甲胺溶液，将其一次性从样品一角注射铺满样品，反应30s后在3000r/s下旋涂30s，移至钛加热板上，在80℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(5)复合空穴传输层的制备：在使用的前两小时配置乙酰丙酮铜前驱体溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为1.0mg/ml；
待钙钛矿光吸收层冷却至室温后，取40μl乙酰丙酮铜前驱体滴在钙钛矿光吸收层上，在4000r/s下，旋涂20s，旋涂后在80℃下加热结晶20min；冷却至室温后，再将20μlSpiro-OMeTAD溶液，在4000r/s下旋涂20s，获得复合空穴传输层；
(6)蒸镀对电极：利用超真空镀膜机在1×10-5pa下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池。
实施例3
(1)导电玻璃的清洗：将导电玻璃切成15mm×13mm，利用锌粉与盐酸将其中间刻蚀掉2mm后，在重铬酸钾洗液中浸泡30min，取出用清水冲干；然后浸泡在洗涤液中超声2h，取出分别用清水、去离子水、乙醇冲洗干净放入烘箱烘干；
(2)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上，旋涂二氧化钛致密层溶液，二氧化钛致密层溶液的用量为45μl，旋涂转速为3000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台进行加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后移入手套箱内，在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛骨架层溶液，二氧化钛骨架层溶液的用量为35μl，旋涂转速为5000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(4)钙钛矿光吸收层的制备：在使用的前一夜配制好碘化铅溶液，并在60℃下加热搅拌溶解，碘化铅溶液的浓度为462mg/ml，然后在使用前1h将其加热至70℃，并在实验过程中保证恒温以确保碘化铅的溶解度；旋涂前1h配置碘甲胺溶液，浓度为8mg/ml，并持续搅拌；
待二氧化钛骨架层冷却到室温后移入手套箱内，取40μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，静置50s后在4000r/s下旋转30s，冷却4min后移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min；
冷却至室温后，取100μl碘甲胺溶液，将其一次性从样品一角注射铺满样品，反应20s后在3000r/s下旋涂30s，移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(5)复合空穴传输层的制备：在使用的前两小时配置乙酰丙酮铜前驱体溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为0.8mg/ml；
待钙钛矿光吸收层冷却至室温后，取40μl乙酰丙酮铜前驱体滴在钙钛矿光吸收层上，在4000r/s下，旋涂20s，旋涂后在80℃下加热结晶20min；冷却至室温后，再将20μlSpiro-OMeTAD溶液，在4000r/s下旋涂20s，获得复合空穴传输层；
(6)蒸镀对电极：利用超真空镀膜机在1×10-5pa下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池。
实施例4
(1)导电玻璃的清洗：将导电玻璃切成15mm×13mm，利用锌粉与盐酸将其中间刻蚀掉2mm后，在重铬酸钾洗液中浸泡30min，取出用清水冲干；然后浸泡在洗涤液中超声2h，取出分别用清水、去离子水、乙醇冲洗干净放入烘箱烘干；
(2)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上，旋涂二氧化钛致密层溶液，二氧化钛致密层溶液的用量为40μl，旋涂转速为3000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台进行加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后移入手套箱内，在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛骨架层溶液，二氧化钛骨架层溶液的用量为35μl，旋涂转速为5000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(4)钙钛矿光吸收层的制备：在使用的前一夜配制好碘化铅溶液，并在60℃下加热搅拌溶解，碘化铅溶液的浓度为462mg/ml，然后在使用前1h将其加热至70℃，并在实验过程中保证恒温以确保碘化铅的溶解度；旋涂前1h配置碘甲胺溶液，浓度为8mg/ml，并持续搅拌；
待二氧化钛骨架层冷却到室温后移入手套箱内，取40μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，静置50s后在4000r/s下旋转30s，冷却4min后移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min；
冷却至室温后，取100μl碘甲胺溶液，将其一次性从样品一角注射铺满样品，反应20s后在3000r/s下旋涂30s，移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(5)复合空穴传输层的制备：在使用的前两小时配置乙酰丙酮铜前驱体溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为1.2mg/ml；
待钙钛矿光吸收层冷却至室温后，取40μl乙酰丙酮铜前驱体滴在钙钛矿光吸收层上，在4000r/s下，旋涂20s，旋涂后在80℃下加热结晶20min；冷却至室温后，再将20μlSpiro-OMeTAD溶液，在4000r/s下旋涂20s，获得复合空穴传输层；
(6)蒸镀对电极：利用超真空镀膜机在1×10-5pa下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池。
实施例5
(1)导电玻璃的清洗：将导电玻璃切成15mm×13mm，利用锌粉与盐酸将其中间刻蚀掉2mm后，在重铬酸钾洗液中浸泡30min，取出用清水冲干；然后浸泡在洗涤液中超声2h，取出分别用清水、去离子水、乙醇冲洗干净放入烘箱烘干；
(2)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上，旋涂二氧化钛致密层溶液，二氧化钛致密层溶液的用量为40μl，旋涂转速为3000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台进行加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后移入手套箱内，在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛骨架层溶液，二氧化钛骨架层溶液的用量为35μl，旋涂转速为5000r/s，时间为30s，旋涂后放入程序控温加热台加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(4)钙钛矿光吸收层的制备：在使用的前一夜配制好碘化铅溶液，并在60℃下加热搅拌溶解，碘化铅溶液的浓度为462mg/ml，然后在使用前1h将其加热至70℃，并在实验过程中保证恒温以确保碘化铅的溶解度；旋涂前1h配置碘甲胺溶液，浓度为8mg/ml，并持续搅拌；
待二氧化钛骨架层冷却到室温后移入手套箱内，取40μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，静置50s后在4000r/s下旋转30s，冷却4min后将其移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min；
冷却至室温后，取100μl碘甲胺溶液，将其一次性从样品一角注射铺满样品，反应20s后在3000r/s下旋涂30s，移至钛加热板上，在70℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(5)复合空穴传输层的制备：在使用的前两小时配置乙酰丙酮铜前驱体溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为1.4mg/ml；
待钙钛矿光吸收层冷却至室温后，取40μl乙酰丙酮铜前驱体滴在钙钛矿光吸收层上，在4000r/s下，旋涂20s，旋涂后在80℃下加热结晶20min；冷却至室温后，再将20μlSpiro-OMeTAD溶液，在4000r/s下旋涂20s，获得复合空穴传输层；
(6)蒸镀对电极：利用超真空镀膜机在1×10-5pa下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池。

Claims (10)

1.一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，所述的钙钛矿太阳电池包括导电玻璃、二氧化钛致密层、二氧化钛骨架层、钙钛矿光吸收层、复合空穴传输层和对电极，其特征在于，所述复合空穴传输层的制备材料包括乙酰丙酮铜和Spiro-OMeTAD。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述复合空穴传输层的制备方法为：将乙酰丙酮铜前驱体溶液旋涂于钙钛矿光吸收层上，在温度为80-100℃下加热结晶20min；冷却到室温后，再旋涂上20μl的Spiro-OMeTAD溶液，获得复合空穴传输层。
3.根据权利要求2所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)二氧化钛致密层的制备：在清洗过的导电玻璃上旋涂二氧化钛致密层溶液，加热结晶，获得厚度为50-70nm的二氧化钛致密层；
(2)二氧化钛骨架层的制备：将获得的二氧化钛致密层自然冷却到室温后，在其上旋涂二氧化钛骨架层溶液，加热结晶，获得二氧化钛骨架层；
(3)钙钛矿光吸收层的制备：将获得的二氧化钛骨架层冷却到室温后，利用两步旋涂法制作钙钛矿光吸收层；
首先将30-50μl碘化铅溶液滴在二氧化钛骨架层上，在3000-4000r/s下旋涂30s，然后在温度为70-90℃下加热结晶30min；冷却到室温后，再将70-100μl碘甲胺溶液喷涂于碘化铅上，反应20-40s，然后在3000r/s下旋涂30s，最后在温度为70-90℃下加热结晶30min，获得钙钛矿光吸收层；
(4)复合空穴传输层的制备：将获得的钙钛矿光吸收层冷却到室温后，将乙酰丙酮铜前驱体溶液旋涂于钙钛矿光吸收层上，在温度为80-100℃下加热结晶20min；冷却到室温后，再旋涂上20μl的Spiro-OMeTAD溶液，获得复合空穴传输层；
(5)对电极的制备：真空条件下，在复合空穴传输层上蒸镀厚度为60-80nm的金，作为对电极，获得基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述乙酰丙酮铜前驱体溶液的浓度为0.5-3mg/ml，溶剂为邻二氯苯。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述乙酰丙酮铜前驱体溶液的旋涂的转速为4000r/s，时间为30s；Spiro-OMeTAD溶液旋涂的转速为4000r/s，时间为20s。
6.根据权利要求3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述二氧化钛致密层溶液的用量为30-50μl，旋涂转速为3000r/s，旋涂时间为30s。
7.根据权利要求3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述二氧化钛骨架层溶液的用量为30-50μl，旋涂转速为3000-5000r/s，旋涂时间为30s；二氧化钛骨架层溶液中，二氧化钛颗粒的直径为18nm。
8.根据权利要求3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述碘化铅溶液的浓度为300-600mg/ml，溶剂为DMF；所述碘甲胺溶液的浓度为6-10mg/ml，溶剂为异丙醇。
9.根据权利要求3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中碘化铅溶液滴于二氧化钛骨架层上，静置30-60s后再旋涂；旋涂完毕后静置2-5min后再加热结晶。
10.根据权利要求3所述的一种基于复合空穴传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法除步骤(1)与(2)的加热结晶过程及步骤(5)外，均在水含量低于30％的手套箱中进行。
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