CN107093670A - 一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池 Download PDF

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Abstract

一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：（1）清洗透明FTO导电玻璃，得到透明导电基底；（2）在步骤（1）所得透明导电基底上制备拓扑绝缘体电子传输层；（3）依次将钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层旋涂至拓扑绝缘体电子传输层上，再覆盖对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。本发明采用拓扑绝缘体这一类全新的量子物态作为电子传输层，其体相是有能隙的绝缘体，表面是金属态，载流子可以沿材料表面迅速传导，使电子传输具有方向性，能减少表面复合，不会因外来的扰动而失去电子性，能提高钙钛矿太阳能电池的稳定性及光电转换效率。

Description

一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于有机光电-太阳能电池领域，尤其涉及一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
能源是人类生存和发展的根本要素之一，全球自工业化发展以来，对能源的需求呈几何级数增长。而传统的化石能源储量却十分有限。过去的几十年中，人类开始尝试使用风能、水能、潮汐能、生物能等一系列可再生能能源。其中，太阳能由于总储量大，无地域限制，以及使用手段安全无污染等优点受到广泛关注。CH3NH3PbX3作为一种新型的光敏材料，在2009年被首先合成并应用于染料敏化太阳能电池中，分别获得了3.8%和3.1%的光电转换效率（J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050~6051）。目前报道的一种高稳定性的单片钙钛矿/硅串联太阳能电池的光电效率高达23.6%（KevinA. Bush, Zachary C. Holman,Michael D. McGehee et al. 23.6%-efficientmonolithic perovskite/silicon tandemsolar cells with improved stability. NatureEnergy 2017, 2, 17009.）。
钙钛矿型太阳能电池主要采用TiO2作为电子传输层，但常规的TiO2材料具有比表面积大、复合严重、表面具有众多陷阱态等无法避免的缺点。
中国专利CN 20167368 U公开了一种以溅射ZnO为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，通过磁控溅射的方法制备电子传输层，改善钙钛矿太阳能电池性能。但采用ZnO作为光阳极，导电性较差，磁控溅射步骤难控制，不利于工业化应用。
中国专利CN 105489770 A公开了一种氧化铟电子传输层平面钙钛矿太阳能电池及其制备方法，具体为采用低温溶液法合成的In2O3作为电子传输层，制备钙钛矿太阳能电池。但是采用旋涂烧结步骤所制备的In2O3电子传输层具有多孔膜结构，比表面积较大，因此具有较大的界面复合，不利于光电器件性能的提升。
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，提供一种光电转换效率较高的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其采用拓扑绝缘体作为电子传输层。
具体包括以下步骤：
（1）清洗透明FTO导电玻璃，得到透明导电基底；
（2）在步骤（1）所得透明导电基底上制备拓扑绝缘体电子传输层；
（3）依次将钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层旋涂至拓扑绝缘体电子传输层上，再覆盖对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
上述的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，清洗方式为：依次采用去离子水、无水乙醇、异丙醇超声震荡清洗透明FTO导电玻璃15~20 min，震荡结束后，采用臭氧氧化表面有机机团。
上述的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，拓扑绝缘体电子传输层的种类包括但不限于Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3。
拓扑绝缘体的制备方法属于现有技术。
所述步骤（2）中，Bi2Se3拓扑绝缘体电子传输层的制备方法，优选包括以下步骤（以Bi2Se3为例）：
①按照摩尔比为2:3的比例称取铋粉和硒粉，装入石英管中密封，抽真空至3×10-3~6×10-3 Pa，并密封；将石英管放入真空管式炉中，升温至700~800℃，保温60~80h，冷却至室温，得到Bi2Se3块材；
②称取步骤①所得Bi2Se3块材，研磨成粉末，装入石英管一端，石英管另一端装入步骤（1）所得透明导电基底，将石英管抽真空至3×10-3~6×10-3 Pa，水平放入真空管式炉中，采用气相传输法（VT）制备超薄Bi2Se3拓扑绝缘体材料(参见李小帅. Bi2Se3拓扑绝缘体制备与力学、电化学性能研究[D]. 东南大学, 2015.)，设置原料底端温度为700~800℃，透明导电基底温度设置为350~500℃，保温16~24 h，然后随炉冷却至室温，透明导电基底上生成Bi2Se3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层。
以上拓扑绝缘体电子传输层的制备方法中，若制备Sb2Te3拓扑绝缘体电子传输层，可采用其他方法，也可参考Bi2Se3拓扑绝缘体电子传输层的制备方法，不同之处在于：步骤①中，采用碲粉和锑粉代替铋粉和硒粉，得到的是Sb2Te3块材；步骤②中，制备的是Sb2Te3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层。其他参数与Bi2Se3的制备方法相同。
若制备Bi2Te3拓扑绝缘体电子传输层，可采用其他方法，也可参考Bi2Se3拓扑绝缘体电子传输层的制备方法，不同之处在于：步骤①中，采用碲粉代替硒粉，得到的是Bi2Te3块材；步骤②中，制备的是Bi2Te3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层。其他参数与Bi2Se3的制备方法相同。
上述的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层的制备过程：将CH3NH3PbX3溶液旋涂在步骤（2）所得的拓扑绝缘体电子传输层上（通过旋涂方式使有机溶剂挥发）。所述CH3NH3PbX3溶液的制备方法：将质量百分比为60~80%的二甲基甲酰胺、10~40%的CH3NH3X和5~10%的PbX2混合，在60~80℃下搅拌12~18h，即得，其中，X=Cl、I或Br。
上述的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，空穴传输层是由空穴传输材料溶液旋涂所得，所述空穴传输材料溶液是浓度为0.06~0.07 mol/L的2,2’,7,7’-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’-螺二芴（Spiro-OMeTAD）的氯苯溶液。
上述的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层的旋涂速度为2500~4000rpm，旋涂时间为30~60s。
上述的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，对电极为铂电极或金电极。
本发明之拓扑绝缘体是一类全新的量子物态，其体相是有能隙的绝缘体，表面是金属态，载流子可以沿材料表面迅速传导，使电子传输具有方向性，减少表面复合。而且拓扑绝缘体的表面态受到严格的拓扑保护，不会因外来的扰动而失去电子性，能提高拓扑绝缘体钙钛矿太阳能电池的稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明选用拓扑绝缘体作为电子传输层，体相表现为有能隙的绝缘体；表面为无能隙的金属态，具有高导电性，能提供稳定的导电通道，有利于钙钛矿太阳能电池中载流子的传输，降低界面上光生载流子的复合，增强器件的光电性能。同时采用化学蒸镀法制备的薄膜致密平整，有利于电子传输；且该种表面态受到严格的拓扑保护，不会因外来的扰动而失去金属性，能提高器件的光电性能。
附图说明
图1是本发明之用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2是采用气相传输法制备拓扑绝缘体纳米材料的装置示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
实施例1：
本实施例之用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其采用拓扑绝缘体作为电子传输层。
具体包括以下步骤：
（1）清洗透明FTO导电玻璃，得到透明导电基底：选择透明FTO导电玻璃，依次浸入去离子水、无水乙醇、异丙醇中超声震荡清洗15 min，震荡结束后，采用臭氧氧化表面有机机团。
（2）在步骤（1）所得透明导电基底上制备拓扑绝缘体电子传输层（Bi2Se3）：
①按照摩尔比为2:3的比例称取铋粉和硒粉，装入石英管中密封，抽真空至3×10-3Pa，并密封；将石英管放入真空管式炉中，升温至700℃，保温60h，冷却至室温，得到Bi2Se3块材；
②取步骤①所得Bi2Se3块材，研磨成粉末，取0.1 mol Bi2Se3粉末，装入石英管一端，石英管另一端装入步骤（1）所得透明导电基底，将石英管抽真空至3×10-3 Pa，水平放入真空管式炉中，采用气相传输法（VT）制备超薄Bi2Se3拓扑绝缘体材料，设置原料底端温度为700℃，透明导电基底温度设置为 350℃，保温16 h，然后随炉冷却至室温，透明导电基底上生成Bi2Se3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层；
（3）依次将钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层旋涂至拓扑绝缘体电子传输层上，再覆盖对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
所述步骤（3）中，钙钛矿CH3NH3PbI3吸光层的制备旋涂过程：按照以下质量百分比称取药品：称取70%的二甲基甲酰胺、20%的CH3NH3I和10%的PbI2，混合，于60℃沙浴条件下搅拌12 h，即得CH3NH3PbI3溶液；滴加1 ml CH3NH3PbI3溶液至步骤（2）所得的Bi2Se3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层；设置旋涂速度为2500 rpm，旋涂时间为30s，旋涂均匀。所述步骤（3）中，空穴传输层的制备及旋涂过程：称取2,2’,7,7’-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’-螺二芴（Spiro-OMeTAD），溶解于氯苯溶剂中，控制浓度为0.06 mol/L，将所得溶液旋涂至钙钛矿CH3NH3PbI3吸光层上，设置旋涂速度为2500 rpm，旋涂时间为30 s；覆盖铂对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
测试本实施例所得的拓扑绝缘体电子传输层钙钛矿太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为100 mW/cm2,有效光照面积为0.25 cm2的光电转换效率为9.6%。
实施例2
本实施例之用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其采用拓扑绝缘体作为电子传输层。
具体包括以下步骤：
（1）清洗透明FTO导电玻璃，得到透明导电基底：选择透明FTO导电玻璃，依次浸入去离子水、无水乙醇、异丙醇中超声震荡清洗20 min，震荡结束后，采用臭氧氧化表面有机机团。
（2）在步骤（1）所得透明导电基底上制备拓扑绝缘体电子传输层（Bi2Te3）：
①按照摩尔比为2:3的比例称取铋粉与碲粉，装入石英管中密封，抽真空至5×10-3Pa，并密封；将石英管放入真空管式炉中，升温至750℃，保温70h，冷却至室温，得到Bi2Te3块材；
②将步骤①所得Bi2Te3块材，研磨成粉末，取0.1 mol Bi2Te3粉末，装入石英管一端，石英管另一端装入步骤（1）所得透明导电基底，将石英管抽真空至5×10-3 Pa，水平放入真空管式炉中，采用气相传输法（VT）制备超薄Bi2Se3拓扑绝缘体材料，设置原料底端温度为750℃，透明导电基底温度设置为 400℃，保温18 h，然后随炉冷却至室温，透明导电基底上生成Bi2Te3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层；
（3）依次将钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层旋涂至拓扑绝缘体电子传输层上，再覆盖对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
所述步骤（3）中，钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层的制备过程：称取以下质量百分比的药品：75%的二甲基甲酰胺、15%的CH3NH3I和10%的PbI2，混合均匀，于60℃沙浴条件下搅拌12h，得CH3NH3PbI3溶液；滴加1 ml CH3NH3PbI3溶液至步骤（2）所得的Bi2Te3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层上，设置旋涂速度为3000 rpm，旋涂时间为40 s，旋涂均匀。
称取2,2’，7,7’-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’-螺二芴，溶解于氯苯溶剂中，控制浓度为0.07 mol/L，设置旋涂速度为3000 rpm，旋涂时间为40 s，将所得溶液旋涂至钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层上；覆盖铂对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
测试本实施例所得的拓扑绝缘体电子传输层钙钛矿太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为100 mW/cm2,有效光照面积为0.25 cm2的光电转换效率为9.2%。
对比例1：
本对比例，除步骤（2）采用传统的TiO2薄膜作为电子传输层外，其它步骤和实施例1相同。
本对比例中步骤（2）制备TiO2电子传输层的方法:采用旋涂方法（转速3000 rpm，旋转时间 50 s）将TiO2浆料（其中TiO2粉末与溶剂乙醇的固液体积比=1:3）沉积于透明FTO导电玻璃表面，使之成膜，经500 ℃热处理退火形成TiO2电子传输层。
测试本对比例所得的钙钛矿太阳能电池的性能：在室温环境，使用氙灯模拟太阳光，光强为100 mW/cm2,有效光照面积为0.25 cm2的光电转换效率为7.1%。
综上，本发明之拓扑绝缘体电子传输层钙钛矿太阳能电池，采用拓扑绝缘体作为电子传输层材料，能减少电子复合，最终提高钙钛矿电池的光电转换效率。

Claims (9)

1.一种用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其采用拓扑绝缘体作为电子传输层。
2.根据权利要求1所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括以下步骤：
（1）清洗透明FTO导电玻璃，得到透明导电基底；
（2）在步骤（1）所得透明导电基底上制备拓扑绝缘体电子传输层；
（3）依次将钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层旋涂至拓扑绝缘体电子传输层上，再覆盖对电极，得到用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤（1）中，清洗方式为：依次采用去离子水、无水乙醇、异丙醇超声震荡清洗透明FTO导电玻璃15~20 min，震荡结束后，采用臭氧氧化表面有机机团。
4.根据权利要求2或3所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤（2）中，拓扑绝缘体电子传输层为Bi2Se3、Sb2Te3、Bi2Te3中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，Bi2Se3拓扑绝缘体电子传输层的制备方法，包括以下步骤：
①按照摩尔比为2:3的比例称取铋粉和硒粉，装入石英管中密封，抽真空至3×10-3~6×10-3 Pa，并密封；将石英管放入真空管式炉中，升温至700~800℃，保温60~80h，冷却至室温，得到Bi2Se3块材；
②称取步骤①所得Bi2Se3块材，研磨成粉末，装入石英管一端，石英管另一端装入步骤（1）所得透明导电基底，将石英管抽真空至3×10-3~6×10-3 Pa，水平放入真空管式炉中，采用气相传输法制备超薄Bi2Se3拓扑绝缘体材料，设置原料底端温度为700~800℃，透明导电基底温度设置为350~500℃，保温16~24 h，然后随炉冷却至室温，透明导电基底上生成Bi2Se3纳米结构拓扑绝缘体电子传输层。
6.根据权利要求2或3所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤（3）中，钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层的制备过程：将CH3NH3PbX3溶液旋涂在步骤（2）所得的拓扑绝缘体电子传输层上；所述CH3NH3PbX3溶液的制备方法：将质量百分比为60~80%的二甲基甲酰胺、10~40%的CH3NH3X和5~10%的PbX2混合，在60~80℃下搅拌12~18h，即得，其中，X=Cl、I或Br。
7. 根据权利要求2或3所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤（3）中，空穴传输层是由空穴传输材料溶液旋涂所得，所述空穴传输材料溶液是浓度为0.06~0.07 mol/L的2,2’,7,7’-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’-螺二芴的氯苯溶液。
8.根据权利要求2或3所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤（3）中，钙钛矿CH3NH3PbX3吸光层、空穴传输层的旋涂速度为2500~4000rpm，旋涂时间为30~60s。
9.根据权利要求2或3所述的用拓扑绝缘体作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤（3）中，对电极为铂电极或金电极。
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