CN106910826A - 新型介孔结构钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，该电池自下而上分别为FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、多孔层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，其中多孔层采用的是具有上转换特性的材料。该制备方法，包括以下步骤：选择FTO进行清洗吹干；将钛酸异丙酯溶液旋涂在FTO上得到氧化钛致密层；将Er/Yb‑NaYF4溶液旋涂在氧化钛致密层上得到上转换材料多孔层；将钙钛矿前去溶液旋涂在上转换材料多孔层上得到钙钛矿吸收层；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上得到空穴传输层；沉积金属电极。上转换材料多孔层吸收CH3NH3PbI3无法吸收的红外光，发出可见光，从而被钙钛矿材料吸收，提高电池的光电流密度。

Description

新型介孔结构钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是解决人类社会能源危机的有效途径之一，近年来，有机/无机杂化钙钛矿电池发展迅猛，展现出良好的应用前景。随着制备技术的不断发展，钙钛矿电池的光电转换效率已高达22.1%。目前报道的介孔结构有机/无机杂化钙钛矿电池的构成主要是FTO/TiO2致密层/TiO2多孔层/CH3NH3PbI3吸收层/spiro-OMeTAD空穴传输层/Au。
CH3NH3PbI3作为应用最为广泛的的钙钛矿型光吸收剂，其禁带宽度约为1.5eV，吸收截止波长为800nm，对于大于其光学带隙的红外光无法吸收。此外，由于钙钛矿材料具有双载流子传输特性，TiO2、Al2O3等多孔层主要起骨架作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池及其制备方法，解决以往钙钛矿电池中对于大于其光学带隙的红外光无法吸收的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，该电池自下而上分别为FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、多孔层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，所述多孔层为上转换材料多孔层。
进一步的，所述上转换材料多孔层为Er/Yb-NaYF4纳米颗粒，纳米颗粒的粒径在20-30nm，上转换材料多孔层厚度为290-310nm。
进一步的，所述的空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述空穴传输层的厚度为 140-160nm。
进一步的，所述钙钛矿吸收层是CH3NH3PbI3，所述钙钛矿吸收层厚为400-600nm。
进一步的，所述氧化钛致密层厚度为15-25 nm。
一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
①选择FTO作为衬底材料，然后对FTO进行清洗，然后用N2吹干；
②在乙醇中加入乙酰丙酮、盐酸以及钛酸异丙酯，搅拌均匀后获得钛酸异丙酯溶液，将配制好的钛酸异丙酯溶液旋涂在洗干净的FTO玻璃上，然后烘干烧结得到氧化钛致密层；
③在甲苯中加入Er/Yb-NaYF4纳米颗粒，超声处理后获得分散均匀的Er/Yb-NaYF4溶液，将Er/Yb-NaYF4溶液旋涂在氧化钛致密层上，然后加热去除残余有机物，得到上转换材料多孔层；
④将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂中搅拌后得到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液，然后将钙钛矿前去溶液旋涂在上转换材料多孔层上，旋涂完毕后将样品至于加热板上100℃退火，得到钙钛矿吸收层；
⑤在氯苯和乙腈的混合溶液中依次加入spiro-OMeTAD、Li-TFSI和叔丁基吡啶，室温下磁力搅拌，配制成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，然后将样品取出手套箱，放置在密闭的干燥器内过夜氧化，得到空穴传输层；
⑥高真空镀膜仪的腔室真空达到1×10-3Pa后，在上述制备完成的样品上热蒸发沉积金属电极。
进一步的，在所述步骤④中，将钙钛矿前去溶液旋涂在多孔层上，旋涂过程为两个阶段，低速阶段转速为800r/min，时间为20s，高速阶段转速为4000 r/min，时间为40s；当转速达到4000r/min约10s后，用移液器量取500ul氯苯对旋转的钙钛矿层进行冲淋，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火10min。
本发明的有益效果是：本发明专利通过使用新的介孔材料，即具有上转换发光特性的纳米颗粒，取代传统的TiO2或Al2O3多孔层，起到钙钛矿电池的骨架作用。同时，利用该材料的上转换特性，吸收CH3NH3PbI3无法吸收的红外光，发出可见光，从而被钙钛矿材料吸收，在一定程度上增加电池的光利用率，提高电池的光电流密度。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是介孔结构有机/无机杂化钙钛矿电池示意图。
图2是Er/Yb-NaYF4上转换材料PL光谱图，从图中可以看出980nm的红外光激发后，Er/Yb-NaYF4发射出520nm、540nm和650nm三种波长的可见光。
图3是Er/Yb-NaYF4纳米材料的SEM图，从图中可以看出其粒径为20-30nm。
图4是本发明电池和传统电池在AM1.5光照下I-V曲线图，从图中可以看出，本发明电池中钙钛矿电池的短路电流密度明显增加，光电转换效率也随之增大，光电流密度的提高得益于红外光的吸收。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1至图4所示，一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，其特征是，该电池自下而上分别为FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、多孔层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，多孔层是上转换材料多孔层。
上转换材料多孔层为Er/Yb-NaYF4纳米颗粒，纳米颗粒的粒径在20-30nm，上转换材料多孔层厚度为290-310nm，厚度优选300nm，Er、Yb的掺杂比例分别为1%和19%。
空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述空穴传输层的厚度为 140-160nm，优选150nm。钙钛矿吸收层是CH3NH3PbI3，钙钛矿吸收层厚为400-600nm。氧化钛致密层厚度为15-25 nm，厚度优选20nm。金属电极为Au电极，厚度为80nm。
一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
①选择FTO作为衬底材料，然后对FTO进行清洗，然后用N2吹干；
具体的，选择方块电阻10Ω、透过率90%的FTO作为衬底材料，依次用异丙醇、丙酮、乙醇超声清洗15min，然后用N2吹干。
②在乙醇中加入乙酰丙酮、盐酸以及钛酸异丙酯，搅拌均匀后获得钛酸异丙酯溶液，将配制好的钛酸异丙酯溶液旋涂在洗干净的FTO玻璃上，然后烘干烧结得到氧化钛致密层。
具体的，在5ml乙醇中，加入10ul乙酰丙酮，350ul 2mol/L的盐酸，以及0.213g钛酸异丙酯，搅拌均匀后获得0.15mol/L的钛酸异丙酯溶液。将配制好的钛酸异丙酯溶液旋涂在洗干净的FTO玻璃上，具体旋涂工艺设置为：低速800r/min，3s；高速2850r/min，30s。然后将样品取下，放入马弗炉中，500℃下烧结30min。
③在甲苯中加入Er/Yb-NaYF4纳米颗粒，超声处理后获得分散均匀的Er/Yb-NaYF4溶液，将Er/Yb-NaYF4溶液旋涂在氧化钛致密层上，然后加热去除残余有机物，得到上转换材料多孔层；
具体的，将Er/Yb-NaYF4纳米颗粒分散在甲苯中，浓度约为5mg/ml，超声分散均匀后，旋涂在致密层上，旋涂结束后100℃加热10min以去除残余有机物。
④将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂中搅拌后得到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液，然后将钙钛矿前去溶液旋涂在上转换材料多孔层上，旋涂完毕后将样品至于加热板上100℃退火，得到钙钛矿吸收层；
具体的，将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在5ml的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜（体积比4:6）混合溶剂中，60℃下磁力搅拌12h，得到浓度为1.2mol/L的CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液。
在手套箱中，将钙钛矿前去溶液旋涂在多孔层上，旋涂过程为两个阶段，低速阶段转速为800r/min，时间为20s，高速阶段转速为4000 r/min，时间为40s。当转速达到4000r/min约10s后，用移液器量取500ul氯苯对旋转的钙钛矿层进行冲淋，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火10min。
⑤在氯苯和乙腈的混合溶液中依次加入spiro-OMeTAD、Li-TFSI和叔丁基吡啶，室温下磁力搅拌，配制成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，然后将样品取出手套箱，放置在密闭的干燥器内过夜氧化，得到空穴传输层；
具体的，在2ml氯苯和0.2ml乙腈的混合溶液中依次加入343mg 的spiro-OMeTAD（2,2’,7,7’- 四 [N,N- 二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’- 螺二茐）、36.7 mg的Li-TFSI（二（三氟甲基磺酰）锂）和50ul叔丁基吡啶，室温下磁力搅拌6h，配制成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，旋涂速率为5000r/min，时间为30s，然后将样品取出手套箱，放置在密闭的干燥器内过夜氧化。
⑥高真空镀膜仪的腔室真空达到1×10-3Pa后，在上述制备完成的样品上热蒸发沉积金属电极。
具体的，高真空镀膜仪的腔室真空达到1×10-3Pa后，在上述制备完成的样品上热蒸发沉积80nm厚的Au层，电池面积为0.5cm ×0.5cm。
实施效果：最后进行电池的性能测试，在 AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，钙钛矿太阳能电池样品 I-V 曲线如图 4 所示。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，其特征是，该电池自下而上分别为FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、多孔层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，所述多孔层是上转换材料多孔层。
2.根据权利要求1所述的新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述上转换材料多孔层为Er/Yb-NaYF4纳米颗粒，纳米颗粒的粒径在20-30nm，上转换材料多孔层厚度为290-310nm。
3.根据权利要求1所述的新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述的空穴传输层为spiro-OMeTAD，所述空穴传输层的厚度为 140-160nm。
4.根据权利要求1所述的新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述钙钛矿吸收层是CH3NH3PbI3，所述钙钛矿吸收层厚为400-600nm。
5.根据权利要求1所述的新型介孔结构钙钛矿太阳能电池，其特征是，所述氧化钛致密层厚度为15-25 nm。
6.一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
①选择FTO作为衬底材料，然后对择FTO进行清洗，然后用N2吹干；
②在乙醇中加入乙酰丙酮、盐酸以及钛酸异丙酯，搅拌均匀后获得钛酸异丙酯溶液，将配制好的钛酸异丙酯溶液旋涂在洗干净的FTO玻璃上，然后烘干烧结得到氧化钛致密层；
③在甲苯中加入Er/Yb-NaYF4纳米颗粒，超声处理后获得分散均匀的Er/Yb-NaYF4溶液，将Er/Yb-NaYF4溶液旋涂在氧化钛致密层上，然后加热去除残余有机物，得到上转换材料多孔层；
④将摩尔比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶体溶解在的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶剂中搅拌后得到CH3NH3PbI3钙钛矿前驱溶液，然后将钙钛矿前去溶液旋涂在上转换材料多孔层上，旋涂完毕后将样品至于加热板上100℃退火，得到钙钛矿吸收层；
⑤在氯苯和乙腈的混合溶液中依次加入spiro-OMeTAD、Li-TFSI和叔丁基吡啶，室温下磁力搅拌，配制成HTM溶液；将配制好的HTM溶液旋涂到钙钛矿吸收层上，然后将样品取出手套箱，放置在密闭的干燥器内过夜氧化，得到空穴传输层；
⑥高真空镀膜仪的腔室真空达到1×10-3Pa后，在上述制备完成的样品上热蒸发沉积金属电极。
7.根据权利要求6所述的一种新型介孔结构钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征是，在所述步骤④中，将钙钛矿前驱溶液旋涂在多孔层上，旋涂过程为两个阶段，低速阶段转速为800r/min，时间为20s，高速阶段转速为4000 r/min，时间为40s；当转速达到4000r/min约10s后，用移液器量取500ul氯苯对旋转的钙钛矿层进行冲淋，旋涂完毕后，将样品至于加热板上100℃退火10min。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170630

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