CN108346741A - 具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池依次设置有衬底层、电子传输层、金属纳米海胆结构层、光吸收层、空穴传输层以及正电极层。其中，所述的金属海胆纳米结构为在球形内核长有多个尖端突起的形状类似海胆的金属纳米结构，利用其尖端区局部电磁场增强的特性，增大太阳光与表面等离子体激元的耦合，增强光电流，因此使得光与金属海胆纳米颗粒的近场耦合更强，散射截面积更大，光吸收增强，从而进一步提高太阳能电池效率。

Description

具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在全球化石能源日益耗尽，环境污染不断恶化的今天，寻求一种清洁，可持续的新能源已经成为世界各国的重要研究课题。与石油、煤、天然气等不可再生能源相比，太阳能作为一种可持续的，清洁的新能源，对缓解能源危机和扼制环境污染具有非常重要的应用价值和发展前景。太阳能电池是利用光照在半导体上产生电动势这一光生伏特效应，将太阳能转换为电能的器件。随着光伏产业的飞速发展，太阳能电池转换效率不断提高，成本不断降低，光伏发电的前景愈发光明。但是要实现光伏发电大规模社会应用化，使太阳能作为主流的应用能源，目前仍然存在很多问题，如原材料成本高、制备工艺复杂、电池效率低等。
钙钛矿太阳能电池是一种利用有机金属卤化物钙钛矿结构作为吸光层的太阳能电池。与其他类型的太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池既没有第一代硅基太阳能电池的高额造价和高能耗问题，其环境友好，温和的制备条件也克服了第二代薄膜太阳能电池环境污染严重的缺点，具有优良的双极性载流子输运性质和工艺简单、制造成本低、能耗低、以及环境友好等特点，具有非常好的发展和应用前景。
局部表面等离子体共振是指当光入射在金属纳米颗粒上时，金属和半导体表面的自由电子发生集体共振，其显示出独特的光吸收和散射特性。中国专利CN 105336864 A公开了一种具有二氧化钛包覆金属粒子核壳层结构的钙钛矿太阳能电池。该发明利用二氧化钛包覆Au/Ag的核壳层直接作为电子传输层，利用纳米粒子的等离子体激元增强效应促进了吸光层中的光吸收。但是二氧化钛包覆Au/Ag的金属粒子附近的电场仍然很小，没有明显提升太阳能电池的效率。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种可以提高光电转换效率的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池依次设置有衬底层、电子传输层、金属纳米海胆结构层、光吸收层、空穴传输层以及正电极层。其中，所述的金属海胆纳米结构为在球形内核长有多个尖端突起的形状类似海胆的金属纳米结构，利用其尖端区局部电磁场增强的特性，增大太阳光与表面等离子体激元的耦合，增强光电流。
优选的，所述金属海胆纳米结构的材料选自金、银、铜中的任意一种。
更优选的，所述金属海胆纳米结构的材料为金属金。
优选的，所述的金属海胆纳米结构的核直径为20～80nm，所述的金属海胆纳米结构的表面尖端突起的长度和直径分别为10～40nm和2～15nm。
更优选的，所述金属海胆纳米结构的核直径为40～60nm，所述的金属海胆纳米结构的表面尖端突起的长度和直径分别为20～30nm和5～10nm。
更优选的，所述金属海胆纳米结构的核直径为40nm，所述的金属海胆纳米结构的表面尖端突起的长度和直径分别为20nm和6nm。其中核直径指的是金属海胆结构的球形内核的直径，所述表面尖端突起的长度指的是球形表面尖端椎体的高度，表面突起的直径指的是椎体的底面直径。
更优选的，所述金纳米海胆颗粒溶液的制备方法具体为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤。
优选的，所述电子传输层的材料为TiO2、ZnO、ZrO2中的任意一种，厚度为10～100nm。
优选的，所以空穴传输层的材料为Spiro-MeOTAD、P3HT、PTAA、TAPC、NPB、TPD、CuI、CuSCN、Cu2O、NiO中的任意一种，厚度为50～300nm。
优选的，所述衬底层包括衬底材料和位于衬底材料上的透明电极，所述衬底材料为ITO导电玻璃、PEN、PET中的任意一种，所述透明电极材料为ITO、FTO、AZO中的任意一种。
优选的，所述光吸收层为ABX3型钙钛矿晶体结构，厚度为300～500nm。其中，ABX3型钙钛矿晶体结构中A代表CH3NH3+，B代表Pb2+,Sn2+，X代表Cl-,Br-,I-。
优选的，所述正电极层的材料选自金、银、铜、铝中的任意一种。
本申请还提供了一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)提供一衬底层，所述衬底层包括衬底材料和位于衬底材料上的透明电极；(2)在所述衬底层上采用旋涂法制备电子传输层；(3)在所述电子传输层上采用旋涂法制备金属海胆纳米结构层；(4)在所述金属海胆纳米结构层上采用溶液合成法制备光吸收层；(5)在所述光吸收层上采用旋涂法制备空穴传输层；(6)在所述空穴传输层上采用真空蒸镀法制备正电极层。
与其他方法相比，旋涂法工艺简单，易操作，设备以及工艺成本低。
优选的，所述电子传输层的厚度为10～100nm，所述空穴传输层的厚度为50～300nm，所述光吸收层的厚度为300～500nm，所述正电极层的厚度为50～200nm。
优选的，所述步骤(3)具体为在所述电子传输层上采用旋涂法涂覆一层金属海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后即形成金属海胆纳米结构层。
所述金属海胆纳米溶液优选为金海胆纳米溶液。
优选的，金纳米海胆颗粒溶液的制备方法具体为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：本发明提供了一种具有等离子体金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底，电子传输层，金属海胆纳米结构层，光吸收层，空穴传输层以及正电极层。所述的金属海胆纳米结构为在球形内核上长有多个尖端突起的形状类似海胆的金属纳米结构，本发明结合了等离子体金属海胆纳米结构，利用等离子体金属海胆纳米结构修饰电子传输层与吸光层的界面，增大载流子迁移率；利用等离子体金属海胆纳米结构诱导的表面等离子体激元捕获太阳光，增大太阳光在电池吸光层中的光程长，增强光吸收；利用金属海胆纳米结构尖端部分的局部电场增强效应，使得入射光与金属海胆纳米结构以及吸光层的光学耦合作用增强；利用等离子体金属海胆纳米结构的前向散射增强效应，增大耦合到电池吸光层的太阳光，通过上述原理增强光吸收层对太阳光的吸收能力，从而提高太阳能电池的转换效率。与现有的利用二氧化钛包覆Au/Ag的核壳层直接作为电子传输层不同，金属海胆纳米颗粒尖端附近的局部电场远大于二氧化钛包覆Au/Ag的金属粒子附近的电场，因此使得光与金属海胆纳米颗粒的近场耦合更强，散射截面积更大，光吸收增强，从而进一步提高太阳能电池效率。
附图说明
图1为本发明的太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明的太阳能电池的J-V曲线以及测试结果；
图1中，1-衬底层，2-电子传输层，3-金属海胆纳米结构层，4-光吸收层，5-空穴传输层，6-正电极层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本申请所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，如图1所示，包括依次设置的衬底层1、电子传输层2、金属海胆纳米结构层3、光吸收层4、空穴传输层5和正电极层6。
其中，衬底层包括衬底材料和位于衬底材料上的透明电极，所述衬底材料为ITO导电玻璃、PEN、PET中的任意一种，所述透明电极材料为ITO、FTO、AZO中的任意一种，电子传输层的材料为TiO2、ZnO、ZrO2中的任意一种，厚度为10～100nm，金属海胆纳米结构的材料选自金、银、铜中的任意一种，光吸收层为ABX3型钙钛矿晶体结构，厚度为300～500nm。其中，ABX3型钙钛矿晶体结构中A代表CH3NH3+，B代表Pb2+,Sn2+，X代表Cl-,Br-,I-，所以空穴传输层的材料为Spiro-MeOTAD、P3HT、PTAA、TAPC、NPB、TPD、CuI、CuSCN、Cu2O、NiO中的任意一种，厚度为50～300nm，所述正电极层的材料选自金、银、铜、铝中的任意一种。
其制备方法包括以下步骤：
(1)提供一衬底层1，所述衬底层包括衬底材料和位于衬底材料上的透明电极；
(2)在所述衬底层上采用旋涂法制备电子传输层；
(3)在所述电子传输层上采用旋涂法制备金属海胆纳米结构层；
(4)在所述金属海胆纳米结构层上采用溶液合成法制备光吸收层；
(5)在所述光吸收层上采用旋涂法制备空穴传输层；
(6)在所述空穴传输层上采用真空蒸镀法制备正电极层。
为了验证本申请技术方案的技术效果，在上述具体实施方式要求的基础上，采用具体参数进行试验验证，得到以下具体实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的衬底层1、电子传输层2、金属海胆纳米结构层3、光吸收层4、空穴传输层5和正电极层6。
其制备方法如下：
(1)提供一衬底层，依次用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水清洗ITO导电玻璃，之后用氮气吹干，作为透明导电衬底层1；
(2)在透明导电衬底层1上采用旋涂法涂覆双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液，浓度为0.15M，涂覆完成后在温度为400℃下高温烧结1h，形成10nm厚的TiO2致密膜作为电子传输层2；
(3)采用旋涂法在电子传输层2上涂覆一层浓度为0.1M，直径为60nm的金属海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后形成金属海胆纳米结构层3；其中，金纳米海胆溶液的制备方法为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤；
(4)在金属海胆纳米结构层3上旋涂浓度为1.0M的PbI2溶液，干燥后放入浓度为2.0M的CH3NH3I溶液中浸泡30min，生长钙钛矿材料作为光吸收层4，厚度为300nm；
(5)在光吸收层4表面旋涂浓度为0.2M的Sprio-OMeTAD形成空穴传输层5，厚度为50nm；
(6)在空穴传输层5上真空蒸镀100nm厚的Ag作为顶电极层6。
实施例2
如图1所示，本实施例所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的衬底层1、电子传输层2、金属海胆纳米结构层3、光吸收层4、空穴传输层5和正电极层6。
其制备方法如下：
(1)提供一衬底层，依次用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水清洗FTO导电玻璃，之后用氮气吹干，作为透明导电衬底层1；
(2)在透明导电衬底层1上采用旋涂法涂覆双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液，浓度为0.15M，涂覆完成后在温度为400℃下高温烧结1h，形成30nm厚的TiO2致密膜作为电子传输层2；
(3)采用旋涂法在电子传输层2上涂覆一层浓度为0.1M，直径为40nm的Ag海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后形成金属海胆纳米结构层3；其中，Au纳米海胆溶液的制备方法为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤；
(4)在金属海胆纳米结构层3上旋涂浓度为1.0M的SnCl2溶液，干燥后放入浓度为2.0M的CH3NH3Cl溶液中浸泡30min，生长钙钛矿材料作为光吸收层4，厚度为400nm；
(5)在光吸收层4表面旋涂浓度为0.2M的CuSCN形成空穴传输层5，厚度为100nm；
(6)在空穴传输层5上真空蒸镀100nm厚的Au作为顶电极层6。
实施例3
如图1所示，本实施例所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的衬底层1、电子传输层2、金属海胆纳米结构层3、光吸收层4、空穴传输层5和正电极层6。
其制备方法如下：
(1)提供一衬底层，依次用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水清洗AZO导电玻璃，之后用氮气吹干，作为透明导电衬底层1；
(2)在透明导电衬底层1上采用旋涂法涂覆双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液，浓度为0.15M，涂覆完成后在温度为400℃下高温烧结1h，形成50nm厚的TiO2致密膜作为电子传输层2；
(3)采用旋涂法在电子传输层2上涂覆一层浓度为0.1M，直径为20nm的金属海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后形成金属海胆纳米结构层3；其中，金纳米海胆溶液的制备方法为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤；
(4)在金属海胆纳米结构层3上旋涂浓度为1.0M的SnI2溶液，干燥后放入浓度为2.0M的CH3NH3I溶液中浸泡30min，生长钙钛矿材料作为光吸收层4，厚度为500nm；
(5)在光吸收层4表面旋涂浓度为0.2M的TAPC形成空穴传输层5，厚度为200nm；
(6)在空穴传输层5上真空蒸镀100nm厚的Cu作为顶电极层6。
实施例4
如图1所示，本实施例所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的衬底层1、电子传输层2、金属海胆纳米结构层3、光吸收层4、空穴传输层5和正电极层6。
其制备方法如下：
(1)提供一衬底层，依次用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水清洗ITO导电玻璃，之后用氮气吹干，作为透明导电衬底层1；
(2)在透明导电衬底层1上采用旋涂法涂覆双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液，浓度为0.15M，涂覆完成后在温度为400℃下高温烧结1h，形成10nm厚的TiO2致密膜作为电子传输层2；
(3)采用旋涂法在电子传输层2上涂覆一层浓度为0.1M，直径为80nm的金属海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后形成金属海胆纳米结构层3；其中，金纳米海胆溶液的制备方法为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤；
(4)在金属海胆纳米结构层3上旋涂浓度为1.0M的PbBr 2溶液，干燥后放入浓度为2.0M的CH3NH3Br溶液中浸泡30min，生长钙钛矿材料作为光吸收层4，厚度为400nm；
(5)在光吸收层4表面旋涂浓度为0.2M的NiO形成空穴传输层5，厚度为150nm；
(6)在空穴传输层5上真空蒸镀100nm厚的Ag作为顶电极层6。
实施例5
如图1所示，本实施例所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的衬底层1、电子传输层2、金属海胆纳米结构层3、光吸收层4、空穴传输层5和正电极层6。
其制备方法如下：
(1)提供一衬底层，依次用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水清洗AZO导电玻璃，之后用氮气吹干，作为透明导电衬底层1；
(2)在透明导电衬底层1上采用旋涂法涂覆双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液，浓度为0.15M，涂覆完成后在温度为400℃下高温烧结1h，形成50nm厚的TiO2致密膜作为电子传输层2；
(3)采用旋涂法在电子传输层2上涂覆一层浓度为0.1M，直径为60nm的金属海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后形成金属海胆纳米结构层3；其中，金纳米海胆溶液的制备方法为将浓度为0.01mol/L的HAuCl4溶液加入到水溶液中，然后将抗坏血酸粉末迅速加入到水溶液中并使其反应5分钟，反应之后将制备产物分别离心并用水和乙醇洗涤；
(4)在金属海胆纳米结构层3上旋涂浓度为1.0M的SnI2溶液，干燥后放入浓度为2.0M的CH3NH3I溶液中浸泡30min，生长钙钛矿材料作为光吸收层4，厚度为400nm；
(5)在光吸收层4表面旋涂浓度为0.2M的Cu2O形成空穴传输层5，厚度为100nm；
(6)在空穴传输层5上真空蒸镀100nm厚的Ag作为顶电极层6。
对照例1
本实施例所述的一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的衬底层、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和正电极层。
其制备过程为：依次用丙酮溶液、无水乙醇、去离子水清洗ITO导电玻璃衬底，之后用氮气吹干；在透明导电衬底上采用旋涂法涂布双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液，通过高温烧结制备TiO2致密膜作为电子传输层；在电子传输层上旋涂PbI2溶液，干燥后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长钙钛矿材料作为吸光层；在吸光层4表面旋涂Sprio-OMeTAD形成空穴传输层；在空穴传输层上真空蒸镀Ag形成顶电极层。除没有金属海胆纳米结构层外，其他制备方法与实施例1均相同。
实施例6
将优选的实施例1制备的含金属海胆纳米结构层的钙钛矿太阳能电池与对比例1制备的无金属海胆纳米结构层的钙钛矿太阳能电池置于标准太阳光模拟器下进行测试，得到的J-V曲线如附图2所示。从图2可以更清楚的看出，在添加了金属海胆纳米结构层后，器件的开路电压Voc、短路电流Jsc以及填充因子(Fill factor，FF)均有提升，电池转换效率(Power conversion efficiency，PCE)从10.24提高到14.73。这一结果说明等离子体金属海胆纳米结构可修饰电子传输层与吸光层的界面，增大载流子迁移率，同时其诱导产生的表面等离子体激元和增强的局部电磁场，可使得入射光与金属海胆纳米结构以及吸光层的光学耦合作用增强，提高了光吸收，从而提高了电池的光电转换效率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池依次设置有衬底层、电子传输层、金属纳米海胆结构层、光吸收层、空穴传输层以及正电极层。
2.根据权利要求1所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述金属海胆纳米结构的材料选自金、银、铜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的金属海胆纳米结构的核直径为20～80nm，所述的金属海胆纳米结构的表面尖端突起的长度和直径分别为10～40nm和2～15nm。
4.根据权利要求1所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的材料为TiO2、ZnO、ZrO2中的任意一种，厚度为10～100nm。
5.根据权利要求1所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所以空穴传输层的材料为Spiro-MeOTAD、P3HT、PTAA、TAPC、NPB、TPD、CuI、CuSCN、Cu2O、NiO中的任意一种，厚度为50～300nm。
6.根据权利要求1所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述衬底层包括衬底材料和位于衬底材料上的透明电极，所述衬底材料为ITO导电玻璃、PEN、PET中的任意一种，所述透明电极材料为ITO、FTO、AZO中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层为ABX3型钙钛矿晶体结构，厚度为300～500nm。
8.一种具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)提供一衬底层，所述衬底层包括衬底材料和位于衬底材料上的透明电极；(2)在所述衬底层上采用旋涂法制备电子传输层；(3)在所述电子传输层上采用旋涂法制备金属海胆纳米结构层；(4)在所述金属海胆纳米结构层上采用溶液合成法制备光吸收层；(5)在所述光吸收层上采用旋涂法制备空穴传输层；(6)在所述空穴传输层上采用真空蒸镀法制备正电极层。
9.根据权利要求8所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为在所述电子传输层上采用旋涂法涂覆一层金海胆纳米颗粒溶液，自然干燥后即形成金属海胆纳米结构层。
10.根据权利要求9所述的具有金属海胆纳米结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述金海胆纳米颗粒溶液的制备方法具体为是使用抗坏血酸作为还原剂，在强磁力搅拌下，在水溶液中还原HAuCl4即得到相应的金属海胆纳米颗粒溶液。
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