CN108172690A - 一种量子点太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点太阳能电池及其制备方法。器件包括玻璃基底，阴极，电子传输层，量子点吸光层，空穴传输层和阳极；其量子点吸光层为立方相钙钛矿结构的CsPbI3薄膜，CsPbI3量子点的尺寸为1～20纳米，薄膜厚度为20～800纳米；空穴传输层为有机共轭聚合物薄膜，如P3HT、PTB7、PTB7‑Th等，薄膜厚度为10～200纳米。本发明利用有机共轭聚合物作为空穴传输材料，具有优异的空穴传输能力，无需掺杂；同时，有机共轭聚合物薄膜由于其本身的化学结构具有很强的抗水能力，提高了量子点太阳能电池的光电转换效率和空气稳定性。本发明提供的量子点太阳能电池具有制备工艺简单、可重复性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种量子点太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
有机——无机杂化钙钛矿材料凭借其众多优异的光电性质，例如：在可见光范围中较高的吸光系数、较低的激子结合能以及较长的载流子扩散长度（大于1微米）等，引起国内外研究人员的广泛关注和探索。基于此类材料的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在过去的几年内飞速飙升，至今已达22.7%。另外，钙钛矿太阳能电池具备溶液法制备的特点，可极大地降低生产成本，极具应用前景。
如今，高效的钙钛矿太阳能电池结构中吸光材料通常含有甲胺、甲脒有机阳离子或者两者混和，而基于此类有机阳离子的钙钛矿材料极易遭受水、氧、极性溶剂、紫外光以及高温等因素破坏而分解，从而大大降低了电池的寿命。相比于此类钙钛矿材料，纯无机型钙钛矿（如CsPbI3）具有更好的稳定性。通常情况下，CsPbI3薄膜在350摄氏度以上才能维持稳定的立方相（α-CsPbI3），低于此温度易发生相转变，而室温下以正交相存在（δ- CsPbI3），正交相的CsPbI3的带隙为2.82 eV，无法作为合适的吸光材料。因此，探索一种能在较低温度下稳定维持立方相的方法尤为重要。
目前，将CsPbI3制备成量子点成为室温下稳定维持立方相的最有效途径，凭借半导体量子点独特的光电性质，通过合理的尺寸调控、表面钝化及器件构筑，量子点电池的光电转换效率现已突破13%。然而，现今量子点电池的研究报道非常少，器件结构仍需要进一步合理设计；此外，较差的器件重复性使得该领域发展缓慢，极大的阻碍了它的发展和应用；另一方面，现今采用的spiro-OMeTAD作为空穴传输材料，需要掺杂及氧化，极大的降低了器件的稳定性和重复性。因此，设计新型的器件结构和制备工艺，以实现量子点重复性和稳定性的提高，是一项迫在眉睫的工作任务。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，利用有机共轭聚合物薄膜作为空穴传输层，提供一种高效稳定，工艺简单，成本低廉，重复性优异的量子点太阳能电池及其制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现：提供一种量子点太阳能电池，包括玻璃基底，阴极，电子传输层，量子点吸光层，空穴传输层和阳极；所述的量子点吸光层为立方相钙钛矿结构的CsPbI3薄膜，CsPbI3量子点的尺寸为1～20纳米，薄膜厚度为20～800纳米；所述的空穴传输层为有机共轭聚合物薄膜，薄膜厚度为10～200纳米；所述的有机共轭聚合物为P3HT、PTB7、PTB7-Th中的一种。
上述技术方案中，所述的电子传输层为二氧化钛或二氧化锡薄膜。
本发明技术方案还包括提供一种量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1．在阴极基底上制备电子传输层；
2．空气或氮气氛围中，在电子传输层上逐层旋涂浓度为5～90毫克每毫升的CsPbI3量子点溶液，旋涂转速为500～8000转每分钟，形成厚度为20～800纳米的量子点薄膜，再用铅源溶液处理薄膜表面，退火处理后，得到吸光层；
3．空气或氮气氛围中，在吸光层上旋涂浓度为1～50毫克每毫升的有机共轭聚合物溶液，溶液中的有机共轭聚合物为P3HT 、PTB7或PTB7-Th中的一种，溶剂为氯苯，二氯苯，三氯甲烷或甲苯中的一种，旋涂转速为500～8000转每分钟；再在温度为25～200℃的条件下退火处理0～120分钟，制备得到厚度为10～200纳米的空穴传输层；
4．在空穴传输层上制备金属阳极，得到量子点太阳能电池。
上述制备方法步骤1中，可以采用化学浴沉积方法制备厚度为10～120纳米的二氧化钛薄膜，作为电子传输层；还可以采用旋涂法制备厚度为10～120纳米的二氧化锡薄膜，作为电子传输层。步骤2中，量子点溶液的旋涂层数为1～10层，退火温度为25～350℃。
本发明采用量子点吸光层，以有机共轭聚合物薄膜为空穴传输层，其发明原理是：有机共轭聚合物分子中含有π-π共轭主链，具有优异的电荷传输能力，利于空穴的高效传输，且聚合物的能级、带隙均可以调节以匹配钙钛矿量子点吸光层的能级，从而促进空穴的提取；有机共轭聚合物分子结构中含有的有机烷链及苯环单元皆具有优异的抗水能力，利于提高器件的空气稳定性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用有机共轭聚合物P3HT、PTB7、PTB7-Th薄膜作为空穴传输层，其能级、光学带隙均可调，具有优异的空穴传输性能和抗水能力，极大提高了量子点太阳能电池的输出性能和空气稳定性；还由于有机共轭聚合物薄膜均匀致密，厚度可调，使得量子点太阳能电池生产易于重复。
附图说明
图1是本发明提供的量子点太阳能电池的结构示意图；图中，至下而上依次是1、玻璃基底；2、阴极；3、电子传输层；4、量子点吸光层；5、空穴传输层；6、金属阳极。
图2分别是本发明实施例中有机共轭聚合物的分子结构式，（a）为P3HT，（b）为PTB7，（c）为PTB7-Th。
图3是本发明实施例1所提供的量子点太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图4是本发明实施例2所提供的量子点太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图5是本发明实施例3所提供的量子点太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图6是本发明实施例4所提供的量子点太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图7是本发明实施例5所提供的量子点太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
图8是本发明实施例6所提供的量子点太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种量子点太阳能电池，结构如图1所示，在玻璃基底1上，至下而上依次制备阴极2，电子传输层3，量子点吸光层4，空穴传输层5和金属阳极6；制备方法的具体步骤如下：
步骤一，在玻璃基底1上制备氟掺杂氧化锡（简称FTO）阴极2，再在其上利用四氯化钛水溶液化学浴沉积制备厚度为50纳米的二氧化钛薄膜，得到电子传输层3。
步骤二，在电子传输层3上逐层旋涂制备CsPbI3量子点薄膜。具体方法是：将合成后的量子点溶解于正辛烷中，制备浓度为50毫克每毫升的溶液，以1000转每分钟旋涂30s，用硝酸铅的乙酸甲酯溶液钝化表面2秒，重复旋涂、钝化的过程4次，再在温度为40℃的条件下退火处理60分钟，得到450纳米厚度的量子点吸光层4。
步骤三，在吸光层4上旋涂有机共轭聚合物薄膜形成空穴传输层5。在本实施例中，采用的有机聚合物是P3HT，其分子结构式参见附图2中的（a）；将P3HT溶解于二氯苯，制备浓度为20毫克每毫升的溶液，转速3000转每分钟，旋涂40秒后，再在温度为25℃的条件下退火处理30分钟，形成60纳米厚度的空穴传输层5。经原子力显微镜探测，其表面粗糙为4.10纳米，通过紫外光电子能谱仪测出P3HT薄膜的能级分别为-3.0 eV和-5.0 eV。
步骤四，在空穴传输层5上真空热蒸镀金属阳极6，厚度为120纳米，得到如图1所示结构的量子点太阳能电池。
参见附图3，它是对本实施例提供有的机共轭聚合物P3HT作为空穴传输层的量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为9.90 mA/cm2，开路电压为1.218 V，填充因子为69.1%，光电转换效率为8.33%。
实施例2
本实施例提供一种量子点太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，在氟掺杂氧化锡（简称FTO）阴极2上，利用四氯化钛水溶液化学浴沉积制备厚度为80纳米的二氧化钛薄膜，得到电子传输层3。
步骤二，在电子传输层3上逐层旋涂制备CsPbI3量子点薄膜。具体是将合成后的量子点溶解在正辛烷中，形成50毫克每毫升的溶液，以2000转每分钟旋涂30s，用硝酸铅的乙酸甲酯溶液钝化表面5秒；重复旋涂、钝化过程5次，70℃退火20分钟，得到510纳米厚度的量子点吸光层4。
步骤三，在吸光层4上旋涂有机共轭聚合物薄膜形成空穴传输层5。有机聚合物是PTB7，其分子结构式参见附图2中的（b），溶解于氯苯，制备得到 10毫克每毫升的溶液，以2000转每分钟旋涂于吸光层4上，不退火（0分钟），形成60纳米厚度的空穴传输层5。经原子力显微镜探测其表面粗糙为6.96纳米，通过紫外光电子能谱仪测出P7B7薄膜的能级分别为-3.31 eV和-5.15 eV。
步骤四，在空穴传输层5上真空热蒸镀金属阳极6，厚度为110纳米，得到如图1所示结构的量子点太阳能电池。
参见附图4，它是对本实施例提供的有机共轭聚合物PTB7作为空穴传输层的量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为10.81 mA/cm2，开路电压为1.117 V，填充因子为81.7%，光电转换效率为9.87%。
实施例3
本实施例提供一种量子点太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，在氟掺杂氧化锡（简称FTO）阴极2上，利用四氯化钛水溶液化学浴沉积制备厚度为30纳米的二氧化钛薄膜，得到电子传输层3。
步骤二，在电子传输层3上逐层旋涂制备CsPbI3量子点薄膜。具体是将合成后的量子点溶解在正辛烷中，制备得到75毫克每毫升的溶液，以3000转每分钟旋涂35秒，用硝酸铅的乙酸甲酯溶液钝化表面8秒；重复旋涂、钝化的过程2次，100℃退火2分钟，得到420纳米厚度的量子点吸光层4。
步骤三，在吸光层4上旋涂有机共轭聚合物薄膜形成空穴传输层5。有机聚合物是PTB7-Th，其分子结构式参见附图2中的（c），溶解于氯仿，形成5毫克每毫升的溶液，3000转每分钟旋涂，80℃退30分钟，形成25纳米厚度的空穴传输层5。经原子力显微镜探测其表面粗糙为6.64纳米，通过紫外光电子能谱仪测出PTB7-Th薄膜的能级分别为-3.60 eV和-5.21eV。
步骤四，在空穴传输层5上真空热蒸镀金属阳极6，厚度为100纳米，得到如图1所示结构的量子点太阳能电池。
参见附图5，它是对本实施例提供有机共轭聚合物PTB7-Th作为空穴传输层的量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为10.00 mA/cm2，开路电压为1.187 V，填充因子为61.2%，光电转换效率为7.26%。
实施例4
本实施例提供一种量子点太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，在氟掺杂氧化锡（简称FTO）阴极2上，旋涂二氧化锡胶体分散液，形成厚度30纳米二氧化锡薄膜，得到电子传输层3。
步骤二，在电子传输层3上逐层旋涂制备CsPbI3量子点薄膜。具体是将合成后的量子点溶解在正辛烷中，形成10毫克每毫升的溶液， 800转每分钟旋涂60秒，用乙酸铅的乙酸甲酯溶液钝化表面15秒，接着重复旋涂、钝化的过程8次，200℃退火10秒钟，得到320纳米厚度的量子点吸光层4。
步骤三，在吸光层4上旋涂制备有机共轭聚合物薄膜形成空穴传输层5。有机聚合物是PTB7，溶解于甲苯，形成5毫克每毫升的溶液，1000转每分钟旋涂，50℃退火10分钟，形成10纳米厚度的空穴传输层5，经原子力显微镜探测其表面粗糙为5.96纳米，通过紫外光电子能谱仪测出PTB7薄膜的能级分别为-3.31 eV和-5.15 eV。
步骤四，在空穴传输层5上真空热蒸镀金属阳极6，厚度为120纳米，得到如图1所示结构的量子点太阳能电池。
参见附图6，它是对本实施例提供的在二氧化锡薄膜作为电子传输层、有机共轭聚合物PTB7作为空穴传输层的量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为9.25 mA/cm2，开路电压为1.006 V，填充因子为67.4%，光电转换效率为6.27%。
实施例5
本实施例提供一种量子点太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，在氟掺杂氧化锡（简称FTO）阴极2上，旋涂二氧化锡胶体分散液，形成厚度55纳米二氧化锡薄膜，得到电子传输层3。
步骤二，在电子传输层3上逐层旋涂制备CsPbI3量子点薄膜。具体是将合成后的量子点溶解在正辛烷中，形成30毫克每毫升的溶液，1000转每分钟旋涂40秒，用硝酸铅的乙酸甲酯溶液钝化表面8秒，接着重复旋涂、钝化的过程6次，90℃退火20分钟，得到380纳米厚度的量子点吸光层4。
步骤三，在吸光层4上旋涂制备有机共轭聚合物薄膜形成空穴传输层5。有机聚合物是PTB7，溶解于氯苯，形成15毫克每毫升的溶液，6000转每分钟旋涂，120退火2分钟，形成70纳米厚度的空穴传输层5，经原子力显微镜探测其表面粗糙℃为6.32纳米，通过紫外光电子能谱仪测出PTB7薄膜的能级分别为-3.35 eV和-5.2 eV。
步骤四，在空穴传输层5上真空热蒸镀金属阳极6，厚度为150纳米，得到如图1所示结构的量子点太阳能电池。
参见附图7，它是对本实施例提供的在二氧化锡薄膜作为电子传输层、有机共轭聚合物PTB7作为空穴传输层的量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为9.75 mA/cm2，开路电压为1.214 V，填充因子为70.6%，光电转换效率为9.00%。
实施例6
本实施例提供一种量子点太阳能电池，其结构如图1所示，具体步骤如下：
步骤一，在氟掺杂氧化锡（简称FTO）阴极2上，利用四氯化钛水溶液化学浴沉积制备厚度为80纳米的二氧化钛薄膜，得到电子传输层3。
步骤二，在电子传输层3上逐层旋涂制备CsPbI3量子点薄膜。具体是将合成后的量子点溶解在正辛烷中，形成60毫克每毫升的溶液，1000转每分钟旋涂50秒，用硝酸铅的乙酸甲酯溶液钝化表面5秒；重复旋涂、钝化的过程5次，80℃退火10分钟，得到550纳米厚度的量子点吸光层4。
步骤三，在吸光层4上旋涂制备有机聚合物薄膜形成空穴传输层5。有机聚合物是P3HT，溶解于甲苯，得到6毫克每毫升的溶液，以1500转每分钟旋涂，形成30纳米厚度的空穴传输层5，经原子力显微镜探测其表面粗糙为3.89纳米，通过紫外光电子能谱仪测出P3HT薄膜的能级分别为-3.05 eV和-5.0 eV。
步骤四，在空穴传输层5上真空热蒸镀金属阳极6，厚度为80纳米，得到如图1所示结构的。
参见附图8，它是对本实施例提供的在有机共轭聚合物P3HT作为空穴传输层的量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为9.22 mA/cm2，开路电压为1.199 V，填充因子为75.0%，光电转换效率为8.29%。
本发明各实施例提供的量子点太阳能电池器件的技术参数参见表1。
表1
。
Claims (6)
1.一种量子点太阳能电池，包括玻璃基底（1），阴极（2），电子传输层（3），量子点吸光层（4），空穴传输层（5）和阳极（6），其特征在于：所述的量子点吸光层（4）为立方相钙钛矿结构的CsPbI3薄膜，CsPbI3量子点的尺寸为1～20纳米，薄膜厚度为20～800纳米；所述的空穴传输层（5）为有机共轭聚合物薄膜，薄膜厚度为10～200纳米；所述的有机共轭聚合物为P3HT、PTB7、PTB7-Th中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种量子点太阳能电池，其特征在于：所述的电子传输层（3）为二氧化钛或二氧化锡薄膜。
3.如权利要求1所述的一种量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在阴极基底上制备电子传输层；
（2）空气或氮气氛围中，在电子传输层上逐层旋涂浓度为5～90毫克每毫升的CsPbI3量子点溶液，旋涂转速为500～8000转每分钟，形成厚度为20～800纳米的量子点薄膜，再用铅源溶液处理薄膜表面，退火处理后，得到吸光层；
（3）空气或氮气氛围中，在吸光层上旋涂浓度为1～50毫克每毫升的有机共轭聚合物溶液，溶液中的有机共轭聚合物为P3HT 、PTB7或PTB7-Th中的一种，溶剂为氯苯，二氯苯，三氯甲烷或甲苯中的一种，旋涂转速为500～8000转每分钟；再在温度为25～200℃的条件下退火处理0～120分钟，制备得到厚度为10～200纳米的空穴传输层；
（4）在空穴传输层上制备金属阳极，得到量子点太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的一种量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（1）中采用化学浴沉积方法制备厚度为10～120纳米的二氧化钛薄膜，作为电子传输层。
5.根据权利要求3所述的一种量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（1）中采用旋涂法制备厚度为10～120纳米的二氧化锡薄膜，作为电子传输层。
6.根据权利要求3所述的一种量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）中量子点溶液的旋涂层数为1～10层，退火温度为25～350℃。
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