CN108232016A - 基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，在下层透明电极与上层电极层之间夹有五层功能层，其特征在于：所述五层功能层由下到上依次为空穴传输层，纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层、缓冲层，所述空穴传输层、纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层全部通过低温溶液法制备成膜。本发明在钙钛矿太阳能电池的空血传输层与钙钛矿活性层之间加入一薄层纤维素薄膜，纤维素可改善氧化镍表面浸润性，易于形成连续均匀的钙钛矿薄膜，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从12.52提高到13.37，提高了6.8%，重复性好，成本低，具有广泛的应用前景。

Description

基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体的说是涉及一种基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
随着重工业的日益发达，煤炭石油等不可再生资源频频告急，能源问题日益成为国际社会经济发展的瓶颈，加之对不可再生资源的不当使用，环境问题愈发严重，人类生存受到极大威胁。太阳能等环保可再生资源日益受到人类关注，太阳能电池是人类社会应对能源枯竭危机、解决环境污染问题的重要途径。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流，但是钙钛矿薄膜太阳能电池由于其薄膜厚度、材料特征以及制备工艺的限制，其厚度通常在几百纳米左右，在一定程度上制约了其对可见光的吸收，制约了其电流密度的提高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，在传统的钙钛矿太阳能电池活性层与空穴传输层间引入了一层纤维素修饰层，目的是改善氧化镍表面浸润性，得到连续均匀的钙钛矿薄膜，提高钙钛矿活性层的吸光能力，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，在下层透明电极与上层电极层之间夹有五层功能层，其特征在于：所述五层功能层由下到上依次为空穴传输层，纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层、缓冲层，所述空穴传输层、纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层全部通过低温溶液法制备成膜。
本发明的进一步改进在于：所述下层透明电极层包括氟掺杂的氧化锡、铟掺杂的氧化锡、银纳米线、碳纳米管或石墨烯。
本发明的进一步改进在于：所述空穴传输层为氧化镍，空穴传输层的厚度为5纳米到40纳米。
本发明的进一步改进在于：所述纤维素界面修饰层为甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙二醇或聚环氧乙烷中的一种，所述纤维素界面修饰层的厚度为2-10纳米。
本发明的进一步改进在于：所述钙钛矿活性层为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbIx Br3-x、CH3NH3PbIxCl3-x中的一种，根据溶液配置方式不同，x取值在1到3之间，钙钛矿活性层的厚度为300纳米到600纳米。
本发明的进一步改进在于：所述电子传输层包括PC60BM，PC70BM，ICBA以及富勒烯衍生物，所述电子传输层的厚度为30纳米到120纳米。
本发明的进一步改进在于：所述缓冲层为bcp，所述缓冲层的厚度为10纳米。
本发明的进一步改进在于：所述低温是指室温到130℃之间。
本发明的进一步改进在于：所述上层电极包括铝、银、金、ITO、碳纳米管或石墨烯。
本发明的进一步改进在于：其中所述纤维素界面修饰层的制备方法如下以900rpm下旋涂15s，4000rpm下旋涂25s两步连续旋涂，手套箱环境下100℃退火10分钟成膜。
本发明的有益效果是：本发明采用低温溶液法制备薄膜，合理控制工艺条件，在氧化镍层与钙钛矿层间加入纤维素修饰层，有效改善了钙钛矿表面浸润性。提高了空穴传输效率，制得了连续均匀地钙钛矿薄膜，提高了钙钛矿吸收层的质量，制得的钙钛矿太阳能电池光电转换效率高，稳定性好。
本发明的太阳能电池，在钙钛矿太阳能电池的空血传输层与钙钛矿活性层之间加入一薄层纤维素薄膜，纤维素可改善氧化镍表面浸润性，易于形成连续均匀的钙钛矿薄膜，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从12.52提高到13.37，提高了6.8%，本发明基于纤维素修饰氧化镍的钙钛矿太阳能电池制备方法是通过溶液技术低温制备，重复性好，成本低，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1 是本发明纤维素界面层介于氧化镍空穴传输层与钙钛矿活性层之间的太阳能电池结构示意图。
图2 是本发明实施例一太阳能电池的性能测试的伏安特性曲线图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-2所示，本发明是一种基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，在下层透明电极与上层电极层之间夹有五层功能层，其特征在于：所述五层功能层由下到上依次为空穴传输层，纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层、缓冲层，所述空穴传输层、纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层全部通过低温溶液法制备成膜。
其中：所述下层透明电极层包括氟掺杂的氧化锡（FTO）、铟掺杂的氧化锡（ITO）、银纳米线、碳纳米管或石墨烯。
其中：所述空穴传输层为氧化镍，空穴传输层的厚度为5纳米到40纳米。
其中：所述纤维素界面修饰层为甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙二醇或聚环氧乙烷中的一种，所述纤维素界面修饰层的厚度为2-10纳米。
其中：所述钙钛矿活性层为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbIxBr3-x、CH3NH3PbIxCl3-x中的一种，根据溶液配置方式不同，x取值在1到3之间，钙钛矿活性层的厚度为300纳米到600纳米。
其中：所述电子传输层包括PC60BM，PC70BM，ICBA以及富勒烯衍生物，所述电子传输层的厚度为30纳米到120纳米。
其中：所述缓冲层为bcp，所述缓冲层的厚度为10纳米。
其中：所述低温是指室温到130℃之间，其中室温为20℃左右。
其中：所述上层电极包括铝、银、金、ITO、碳纳米管或石墨烯。
其中：其中所述纤维素界面修饰层的制备方法如下以900rpm下旋涂15s，4000rpm下旋涂25s两步连续旋涂，手套箱环境下100℃退火10分钟成膜。
实施例1
按照图1太阳能电池结构示意图进行器件制备。
将商业ITO经洗液，去离子水、丙酮、乙醇中各清洗两遍，每次15分钟，然后经氮气吹干，等离子体处理4分钟；
将洗净和等离子体处理后的ITO玻璃放在匀胶机上以4000转/分钟的速度旋涂30秒，制备空穴传输层氧化镍再在130℃的热台上退火10分钟；
将纤维素以1mg/ml的浓度溶于乙醇中，充分分散，以900rpm下旋涂15s，4000rpm下旋涂25s两步连续旋涂，手套箱环境下100℃退火10分钟；
将碘化铅与甲基胺碘化铅按照摩尔比1：1配成浓度为1.4mmol/ml的溶液，其中溶剂为摩尔比为3：7的DMSO与GBL混合液，在70℃热台加热4小时，充分溶解，然后将钙钛矿前驱液以以900rpm下旋涂15s，4000rpm下旋涂25s两步连续旋涂在纤维素修饰层上，于第二步15s时滴加反溶剂甲苯，然后在100℃热台上退火10分钟；
将20mg/ml的PCBM氯苯溶液以2000转/分钟的转速旋涂至钙钛矿薄膜上作为空穴传输层，在70℃下退火10min，
将旋涂好的四层功能层薄膜样品转移到真空蒸镀仪中，真空度为10-4Pa，蒸镀100nm银作为上层电极。
实验效果：进行太阳能电池的性能测试，其伏安特性曲线如图2，器件具体性能见表1
其中对比样品Voc=1.08，Jsc=16.87，FF=68.35，PCE=12.52；引入纤维素修饰层的器件Voc=1.07，Jsc=17.34，FF=71.82，PCE=13.37。

Claims (10)

1.一种基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，在下层透明电极与上层电极层之间夹有五层功能层，其特征在于：所述五层功能层由下到上依次为空穴传输层，纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层、缓冲层，所述空穴传输层、纤维素界面修饰层、钙钛矿活性层及电子传输层全部通过低温溶液法制备成膜。
2.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述下层透明电极层包括氟掺杂的氧化锡、铟掺杂的氧化锡、银纳米线、碳纳米管或石墨烯。
3.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层为氧化镍，空穴传输层的厚度为5纳米到40纳米。
4.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述纤维素界面修饰层为甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙二醇或聚环氧乙烷中的一种，所述纤维素界面修饰层的厚度为2-10纳米。
5.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿活性层为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbIx Br3-x、CH3NH3PbIxCl3-x中的一种，根据溶液配置方式不同，x取值在1到3之间，钙钛矿活性层的厚度为300纳米到600纳米。
6.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层包括PC60BM，PC70BM，ICBA以及富勒烯衍生物，所述电子传输层的厚度为30纳米到120纳米。
7.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述缓冲层为bcp，所述缓冲层的厚度为10纳米。
8.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述低温是指室温到130℃之间。
9.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述上层电极包括铝、银、金、ITO、碳纳米管或石墨烯。
10.根据权利要求1所述基于纤维素修饰空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：其中所述纤维素界面修饰层的制备方法如下以900rpm下旋涂15s，4000rpm下旋涂25s两步连续旋涂，手套箱环境下100℃退火10分钟成膜。
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