CN107895759B - 一种使用碳量子点掺杂pcbm电子传输层高效钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种使用碳量子点掺杂PCBM电子传输层高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。通过将碳量子点掺入PCBM电子传输层溶液中，采用旋涂法制备高性能电子传输层。直接将此电子传输层溶液旋涂于钙钛矿层上，可以有效降低钙钛矿内载流子复合状况，增加载流子的传输效率，从而提升钙钛矿电池的效率。本发明的制备方法与使用未改良电子传输层的钙钛矿太阳能电池相比，制备方法简单，材料易得，且效果明显，适合高性能、低成本的钙钛矿太阳能电池的制备。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池制备的技术领域，特别涉及一种使用碳量子点掺杂PCBM电子传输层高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新型的固态薄膜电池，目前认证的光电转换效率已经达到22.1%。目前存在两种结构的钙钛矿太阳能电池：正置型和反置型；其中正置型的结构依次为：FTO/电子传输层/光吸收层/空穴传输层/电极，反置型的结构依次为：FTO/空穴传输层/光吸收层/电子传输层/电极，钙钛矿太阳能电池电池中常见的电子传输层有：PCBM、TiO2、ICBA、C60等，在反置型机构的电池中使用的电子受体PCBM，其LUMO能级与钙钛矿的导带匹配的比较好，在反型电池中被广泛的使用，而碳量子点作为一种新兴的量子点材料，其具有离散以及粒径小于10nm的准球型形貌等特点，同时这种材料本身也具有光吸收和电子存储特性，是一种性能十分优越的材料。
一个高效的电子传输层除了需要平滑以及致密之外，更重要的是需要有合适的导带大小、良好的电子迁移率和导电性以保证避免过度的电荷累积以及达到高效的电子注入，所以通过碳量子点在PCBM的掺杂则有望改善上述几点，为制备高效的钙钛矿太阳能电池打下良好的基础。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现存的技术不足，提供了一种使用碳量子点掺杂PCBM电子传输层高效钙钛矿太阳能电池，以及利用高性能新材料碳量子点掺入PCBM中制备方法。使用碳量子点掺杂PCBM电子传输层的太阳能电池结构为：FTO玻璃/PEDOT空穴传输层/钙钛矿吸光层/碳量子点掺杂PCBM电子传输层/银电极，与现有电池制备工艺相兼容，为开发高效的钙钛矿太阳能电池提供了一种新思路。
为了克服已经存在的技术不足，本发明的技术方案为：
本发明公开了一种使用碳量子点掺杂PCBM电子传输层高效钙钛矿太阳能电池，采用以下制备方法制成：1、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备空穴传输层；3、制备钙钛矿层；4、在钙钛矿层上制备电子传输层；5、在电子传输层上制备电极修饰层；6、在电极修饰层上制备电极，从而获得太阳能电池；
所述的电子传输层是采用以下方法制成的：首先配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，然后在其中加入一定量的碳量子点粉末，置于磁力搅拌器上搅拌12小时，待其溶解后，在已退火完成的钙钛矿层上旋涂上述溶液；其中碳量子点与PCBM的重量比为1：0.1875-0.5。
上述的钙钛矿太阳能电池，优选的：所述的碳量子点的粒径为5-10nm。
上述的钙钛矿太阳能电池，优选的：通过旋涂法制备钙钛矿光吸收层的厚度在270-300nm之间，通过旋涂法制备的PEDOT空穴传输层厚度为35nm，通过旋涂法制备的碳量子点掺杂PCBM电子传输层厚度为30-100nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。
本发明还公开了一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于采用以步骤：
（1）将FTO（方阻为15-20Ω/□）透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.65×1.75cm长方形，用碱液超声清洗30-60 min，再用酒精超声清洗30-60 min，最后用去离子水超声清洗10-30 min，然后放入烘干箱干燥以备用；
（2）配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，然后在其中加入一定量的碳量子点粉末，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；
（3）将洗净的基片使用等离子清洗机清洗10min，然后置于匀胶机上以旋涂PEDOT空穴传输层，135℃退火10min；
（4）在上述（3）条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内匀胶机上，旋涂浓度为1mmol/ml的MAI/PbAc2的DMF溶液，完成后100℃退火10min；
（5）在上述（4）条件下，将冷却后的基片至于匀胶机上旋涂掺有碳量子点的PCBM溶液，匀胶机旋转时间为30s；
（6）在上述（5）条件下，旋涂BCP（浴铜灵）的异丙醇溶液作为电极修饰层，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极。
本发明首次将碳量子点掺入PCBM中并制备了电子传输层，并制备了电池。这种工艺与现有工艺相兼容，并将电池的效率由14.6%提升至16.7%。
本发明的有益效果：本发明属于钙钛矿太阳能电池制备的技术领域，特别涉及一种使用碳量子点掺杂的PCBM电子传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法。通过将掺有碳量子点的PCBM溶液旋涂于钙钛矿光吸收层之上形成电子传输层，从而制备钙钛矿太阳能电池。通过碳量子点的掺入，使得PCBM电子传输层拥有更加良好的电导率，减小了载流子在界面处的复合行为，同时更加有利于钙钛矿光吸收层内部光生载流子的分离，获得了较高的光电转换效率。本发明通过向PCBM中掺入碳量子点，与原有工艺相兼容，且实现成本低，取得的效果较为良好，特别适合制备高效率，低成本的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
图1为反型钙钛矿太阳能结构示意图
图2为掺入碳量子点的TPV曲线
图3为掺入碳量子点的PL曲线
图4为掺入碳量子点和不掺碳量子点的I-V曲线
其中1.FTO导电玻璃，2.PEDOT空穴传输层，3.钙钛矿光吸收层，4.碳量子点掺杂PCBM电子传输层，5.BCP，6.电极。
具体实施方式
实施例1
（1）制备无空穴传输层平面异质结太阳能电池结构示意图如图1。将FTO（方阻为15Ω/□）透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上一厘米宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.6×1.7cm长方形，用碱液超声清洗40 min，再用酒精超声清洗50 min，最后用去离子水超声清洗20 min，然后放入烘干箱干燥以备用；（2）首先配置16mg/ml的PCBM氯苯溶液。（3）将洗净的基片使用等离子清洗机清洗10min，然后置于匀胶机上以4000rpm旋涂PEDOT溶液40s，135℃退火10min；（4）在上述（3）条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内匀胶机上，采取2000rpm转速旋涂浓度为1mmol/ml的MAI/PbAc2的DMF溶液，时间为30s，完成后100℃退火10min；（5）在上述（4）条件下，将冷却好的基片置于匀胶机上，以2000rpm的转速旋涂已溶解的掺量子点PCBM溶液，旋涂时间为30s；（6）在上述（5）条件下，以3500rpm转速旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空镀膜仪蒸镀Ag电极60nm，蒸发速率为0.5Å/s。
实施例2
本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤2中加入3mg碳量子点，碳量子点与PCBM的重量比为1：0.1875 ，所述的碳量子点的粒径为8nm 。
上述碳量子点制备方法:取1g柠檬酸铵,于180℃加热2小时,待冷却后溶解在100ml去离子水中,然后置于离心机中8000rpm离心10分钟以去除聚合颗粒,将离心完溶液置于透析袋中透析6小时,最后70摄氏度干燥5小时取得碳量子点粉末。其尺寸大小在 5-10nm ，单分散的，几何形状近乎准球型，荧光碳量子点粒径小，化学惰性高，易于功能化，耐光漂白，低毒性。
实施例3
本实施例与实施例2相同，不同之处在于步骤2中加入5mg碳量子点，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；碳量子点与PCBM的重量比为1： 0.3125，所述的碳量子点的粒径为5-10nm。
所述碳量子点的制备方法同实施例2。
实施例4
本实施例与实施例2相同，不同之处在于步骤2中加入8mg碳量子点，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；碳量子点与PCBM的重量比为1：0.5 ，所述的碳量子点的粒径为 8nm 。所述碳量子点采用市场出售的成品。
上述实施例制成电池的结构如图1所示，其中1为FTO导电玻璃，2为PEDOT空穴传输层，3为钙钛矿光吸收层，4为碳量子点掺杂PCBM电子传输层，5为BCP，6为电极。通过旋涂法制备钙钛矿光吸收层的厚度280nm，通过旋涂法制备的PEDOT空穴传输层厚度为35nm，通过旋涂法制备的碳量子点掺杂PCBM电子传输层厚度为60nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。
上述实施例1及实施例2-4的测试结果如下。
图2为掺入碳量子点的TPV曲线，横坐标为时间，纵坐标为开路电压。从图中可以看出，碳量子点加入使得电池中载流子复合速度减慢。
图3为掺入碳量子点的PL曲线，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度。从图中可以看出，碳量子点加入使得载流子复合产生荧光现象减弱。
图4为掺入碳量子点和不掺碳量子点的I-V曲线，横坐标为开路电压，纵坐标为短路电流密度。从图中可以看出，掺入后的效率明显提升。
具体的测试结果如表1所示。表明本发明制成的电池，其性能是掺入碳量子点后效率为16.1-16.7%，而掺入前为14.6%。
表1
Claims (3)
1.一种使用碳量子点掺杂PCBM电子传输层高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于采用以下制备方法制成：1、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备空穴传输层；3、制备钙钛矿层；4、在钙钛矿层上制备电子传输层；5、在电子传输层上制备电极修饰层；6、在电极修饰层上制备电极，从而获得太阳能电池；
所述的电子传输层是采用以下方法制成的：首先配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，然后在其中加入一定量的碳量子点粉末，置于磁力搅拌器上搅拌12小时，待其溶解后，在已退火完成的钙钛矿层上旋涂上述溶液；其中碳量子点与PCBM的重量比为1：0.1875-0.5；
所述的碳量子点的粒径为5-8nm；
所述碳量子点采用以下方法制成:取1g柠檬酸铵,于180℃加热2小时,待冷却后溶解在100ml去离子水中,然后置于离心机中8000rpm离心10分钟以去除聚合颗粒,将离心完溶液置于透析袋中透析6小时,最后70摄氏度干燥5小时取得碳量子点粉末。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：通过旋涂法制备钙钛矿光吸收层的厚度在270-300nm之间，通过旋涂法制备的PEDOT空穴传输层厚度为35nm，通过旋涂法制备的碳量子点掺杂PCBM电子传输层厚度为30-100nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。
3.一种权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于采用以步骤：
（1）将方阻为15-20Ω/□的FTO透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.65×1.75cm长方形，用碱液超声清洗30-60 min，再用酒精超声清洗30-60 min，最后用去离子水超声清洗10-30 min，然后放入烘干箱干燥以备用；
（2）配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，然后在其中加入一定量的碳量子点粉末，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；
（3）将洗净的基片使用等离子清洗机清洗10min，然后置于匀胶机上以旋涂PEDOT空穴传输层，135℃退火10min；
（4）在上述（3）条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内匀胶机上，旋涂浓度为1mmol/ml的MAI/PbAc2的DMF溶液，完成后100℃退火10min；
（5）在上述（4）条件下，将冷却后的基片至于匀胶机上旋涂掺有碳量子点的PCBM溶液，匀胶机旋转时间为30s；
（6）在上述（5）条件下，旋涂BCP的异丙醇溶液作为电极修饰层，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极。
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Citations (2)
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| US9391287B1 (en) * | 2013-12-19 | 2016-07-12 | The Board Of Regents Of The University Of Nebraska | Photovoltaic perovskite material and method of fabrication |
| CN106784146A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-05-31 | 济南大学 | 一种甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗叠层薄膜电池组装技术 |
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2017
- 2017-11-13 CN CN201711112345.6A patent/CN107895759B/zh active Active
Patent Citations (2)
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| Carbon Quantum Dots/TiOx Electron Transport Layer Boosts Efficiency of Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells to 19%;Hao Li等;《Nano Letters》;20170301;第17卷;第2329-2335页，supporting information Device fabrication and characterization部分 * |
| Hao Li等.Carbon Quantum Dots/TiOx Electron Transport Layer Boosts Efficiency of Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells to 19%.《Nano Letters》.2017,第17卷 * |
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