CN108039413B - 一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料 - Google Patents

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Abstract

本案涉及一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料，包括有机组分和填料组分；其中，有机组分含有聚乙烯咔唑、磷酸三甲酚酯和异紫蒽酮，填料组分包括聚并苯、碳粉和聚二茂铁二甲基硅烷；由本发明所提供的空穴传输材料制备的空穴传输层能够调节阳极与光敏活性层的能级匹配性、传输空穴阻挡电子、调节电极表面能、增加界面稳定性、提高电池寿命，更是提高了电池的开路电压、短路电流以及光电转换效率，有效增强了电池的综合性能，同时制备工艺简单具有大规模生产的前景。

Description

一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料。
背景技术
钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，其分子式为ABO3，最早是在化合物钛酸钙(CaTiO3)中发现此类氧化物的，因此而得名——钙钛矿，钙钛矿一般呈立方体或八面体形状，具有金属光泽的晶体，在对钙钛矿的研究中，人们发现一种金属有机卤化物钙钛矿薄膜具有很好的光能吸收作用，于是将其作为光敏活性层引入了有机太阳能结构之中，与导电玻璃阳极、金属阴极以及空穴传输材料和电子传输材料一同构成钙钛矿太阳能电池，钙钛矿太阳能电池一经问世其光电转换效率达到12％以上，超过了众多传统的有机太阳能电池和聚合物太阳能电池，在薄膜太阳能电池领域异军突起，目前有机混合钙钛矿太阳能电池的最高转换效率已经超过22％，具有广阔的市场应用前景。
其中钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输层是由一层无机或有机材料形成的薄膜，在正置太阳能电池中夹在导电玻璃阳极与钙钛矿光敏活性层之间，主要是为了增加阳极对空穴的收集和阻挡空穴与电子在电极处的复合，同时能够调节电极表面能，增加界面稳定性，提高电池寿命和光电转换效率；然而已经报道的空穴传输材料或者酸性较强容易腐蚀导电玻璃，或者导电性能较差，或者制备工艺极其复杂，难以满足商业化需求。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种稳定性好、制备工艺简单的用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料。
本发明提供了一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料，包括有机组分和填料组分；其中所述有机组分含有聚乙烯咔唑、磷酸三甲酚酯和异紫蒽酮；所述填料组分包括聚并苯、碳粉和聚二茂铁二甲基硅烷。
优选的是，所述有机组分中各原料的重量份如下：
聚乙烯咔唑 50-55份；
磷酸三甲酚酯 18-20份；
异紫蒽酮 20-25份。
优选的是，所述填料组分中各原料的重量份如下：
聚并苯 40-45份；
碳粉 28-30份；
聚二茂铁二甲基硅烷 20-22份。
优选的是，所述填料组分中各填料的粒径小于5nm。
优选的是，所述有机组分与填料组分的重量比为1∶0.18-0.2。
优选的是，先将所述有机组分溶于甲苯中，然后再加入填充组分充分混合均匀，得到空穴传输材料的原液。
优选的是，所述空穴传输材料通过旋涂或者真空蒸镀的方式成膜于薄膜太阳能电池的阳极，厚度在60-80nm。
对本发明及其有益效果的阐述：本发明所提供的空穴传输材料主要是应用于钙钛矿薄膜太阳能电池，由该空穴传输材料制备的空穴传输层能够调节阳极与光敏活性层的能级匹配性、传输空穴阻挡电子、调节电极表面能、增加界面稳定性、提高电池寿命，提高了电池的开路电压、短路电流以及光电转换效率，有效增强了电池的综合性能，同时制备工艺简单具有大规模生产的前景；本案中的空穴材料采用流动态空穴传输聚合物与固态空穴传输填料相结合的方式，首先将聚乙烯咔唑、磷酸三甲酚酯和异紫蒽酮溶解于甲苯溶液之中，三者之间相互协同作用，有效促进了电子/空穴对在材料界面的分离，尽管聚乙烯咔唑和异紫蒽酮单独使用时也具有一定的空穴传输能力，但是它们与阳极材料以及钙钛矿材料的接触性能不好，电子/空穴复合率高，在磷酸三甲酚酯的作用下，三者在甲苯中相互融合交联，能够增加材料的表面稳定性、缓降光敏活性材料和阳极之间的势能差，从而提高传输效率；其次，本发明中还添加了固态的纳米级空穴传输粒子，包括聚并苯、碳粉和聚二茂铁二甲基硅烷，尽管添加量极少，但是其加入后能极大地提高聚合物材料的空穴性能，同时还可以增强钙钛矿电池的耐腐蚀性能、延长使用寿命，其中聚并苯和聚茂铁二甲基硅烷相互配合在促进空穴方面作用显著。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
含有本发明中所涉及的空穴传输层的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备过程如下(所有操作在氮气保护下完成)：
(1)基底预处理：将ITO导电玻璃分割至15mm*15mm大小，分别用洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇超声三次，每次30min，接着将基底用去离子水超声30min，并完全漂洗；最后用氮气完全吹干待用；
(2)空穴传输层制备：将55重量份聚乙烯咔唑、20重量份磷酸三甲酚酯和25重量份异紫蒽酮在300重量份的甲苯溶液中混合均匀，得到空穴填充层的有机组分，向其中加入由45重量份聚并苯、30重量份碳粉和22重量份聚二茂铁二甲基硅烷混合组成的填料组分，超声混合均匀，得到空穴传输层原液，然后将在ITO玻璃基底上旋涂空穴传输层原液，厚度在65nm左右，然后在120℃烘干待用；
(3)钙钛矿薄膜太阳能电池的制备：按照常规两步法在空穴传输层上沉积CH3NH3PbI3薄膜，然后用ALD技术在钙钛矿薄膜上沉积TiO2致密层作为电子传输层，厚度在60nm，最后采用直流溅射仪在电子传输层上真空镀金，作为顶电极，将制备的器件在真空避光过夜保存12小时，然后进行相关性能的测试。
实施例2
将实施例1的步骤(2)空穴传输层制备调整为：将50重量份聚乙烯咔唑、18重量份磷酸三甲酚酯和20重量份异紫蒽酮在300重量份的甲苯溶液中混合均匀，得到空穴填充层的有机组分，向其中加入由40重量份聚并苯、28重量份碳粉和20重量份聚二茂铁二甲基硅烷混合组成的粒径小于5nm的填料组分，超声混合均匀，得到空穴传输层原液，然后将在ITO玻璃基底上旋涂空穴传输层原液，厚度在70nm左右，然后在120℃烘干待用。
即仅将空穴传输层中的组分含量进行了调整，其余制备过程与实施例1相同。
对比例1
将实施例1步骤(2)中磷酸三甲酚酯用相同重量的聚乙烯咔唑代替，即有机组分中不加入磷酸三甲酚酯组分，其余制备过程与实施例1相同。
对比例2
将实施例1步骤(2)中异紫蒽酮用相同重量的聚乙烯咔唑代替，即有机组分中不加入异紫蒽酮组分，其余制备过程与实施例1相同。
对比例3
将实施例1步骤(2)中聚并苯用相同重量的碳粉代替，即填料组分中不加入聚并苯组分，其余制备过程与实施例1相同。
对比例4
将实施例1步骤(2)中聚二茂铁二甲基硅烷用相同重量的碳粉代替，即填料组分中不加入聚二茂铁二甲基硅烷组分，其余制备过程与实施例1相同。
对实施例1-2和对比例1-4中制备的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜太阳能电池的性能进行相关测试，在相同地模拟太阳能光照条件下分别测试各电池的开路电压VOC(V)、短路电流JSC(mA/cm2)、填充因子FF(％)和光电转换效率PCE(％)，数据记录于表1之中。
当用模拟太阳光照射测试时，含有按照本案中原料及组分制备的空穴传输层的太阳能电池的光电转换效率较高，器件效率的提高主要得益于短路电流JSC的提高以及填充因子EF的增加，使光照中电子/空穴传输顺畅，复合较少，从而获得更高的光电转换效率；对比例1-4中分别调整了太阳能电池空穴传输层中的组分，一旦缺失空穴传输层中的任一组分，电池的开路电压、短路电流以及填充因子均有明显的下降，而且最重要的光电转换效率更是降低了25％以上，这说明空穴填充层中的各组分之间存在相互作用，正式它们的相互协同作用，才能促进电子/空穴对在材料表面更好的分离，减少了电荷复合现象的发生，从而使电池的性能得到了提高。
表1
太阳能电池 V<sub>OC</sub>(V) J<sub>SC</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) FF(％) PCE(％)
实施例1 0.95 13.74 83 8.79
实施例2 0.93 13.71 80 8.75
对比例1 0.83 11.22 62 6.52
对比例2 0.82 11.16 64 6.43
对比例3 0.85 10.65 56 5.94
对比例4 0.80 10.09 58 5.88
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (4)

1.一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的空穴传输材料，其特征在于，包括有机组分和填料组分；其中所述有机组分含有聚乙烯咔唑、磷酸三甲酚酯和异紫蒽酮；所述填料组分包括聚并苯、碳粉和聚二茂铁二甲基硅烷；
所述有机组分与填料组分的重量比为1∶0.18-0.2；
所述有机组分中各原料的重量份如下：
聚乙烯咔唑 50-55份；
磷酸三甲酚酯 18-20份；
异紫蒽酮 20-25份；
所述填料组分中各原料的重量份如下：
聚并苯 40-45份；
碳粉 28-30份；
聚二茂铁二甲基硅烷 20-22份。
2.根据权利要求1所述的空穴传输材料，其特征在于，所述填料组分中各填料的粒径小于5nm。
3.根据权利要求1所述的空穴传输材料，其特征在于，先将所述有机组分溶于甲苯中，然后再加入填料组分充分混合均匀，得到空穴传输材料的原液。
4.根据权利要求1所述的空穴传输材料，其特征在于，所述空穴传输材料通过旋涂或者真空蒸镀的方式成膜于薄膜太阳能电池的阳极，厚度在60-80nm。
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