CN108440394A - 新型富勒烯电子传输层材料及其构成的钙钛矿太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型富勒烯电子传输层材料及其构成的钙钛矿太阳电池。本发明通过分子设计上以富勒烯侧链末端基团的区别合成了上述两种化合物并制备出相应的钙钛矿太阳电池。所制备的钙钛矿电池均具有较高的开路电压VOC，较高的短路电流JSC，较高的填充因子，其中PCP所在钙钛矿电池能量转换效率最高为19.32％，MCM所在钙钛矿电池能量转换效率最高可达19.11％。不同于传统平面型器件，所述电子传输材料在钙钛矿制备过程中可溶解于溶剂中最终留在钙钛矿层中形成异质结结构，从而提高电子的抽取效率且降低空穴‑电子复合的几率，最终提高器件效率。

Description

新型富勒烯电子传输层材料及其构成的钙钛矿太阳电池
技术领域
本发明涉及两种新材料和太阳电池，尤其涉及了一种新型电子传输层材料及它们构成的钙钛矿太阳电池。
背景技术
通过太阳电池来高效地转化太阳光为电能一直以来是学术界与产业界关注与研究的热点。硅基太阳电池为主导的无机太阳电池是目前所有太阳电池中发展最为成熟的品种，具有相对较高的光电转化效率，但生产制造过程中高的能耗与污染带来了高昂的生产成本，同时对周边环境造成污染。
可溶液加工的太阳电池，能够通过roll-to-roll技术实现清洁、高效、大规模批量生产，是太阳电池未来发展的方向之一。代表性的可溶液加工太阳电池(如染料敏化电池、有机(聚合物)电池、有机-无机杂化电池、量子点敏化电池等)的光电转换效率的研究在快速发展。其中有机-无机杂化电池中的杂化钙钛矿太阳电池近年来效率得到了飞速发展，截至2018年，研究报道杂化钙钛矿太阳电池的最高效率可达22.7％(NREL EfficiencyChart.https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png)，说明杂化钙钛矿太阳电池具有很好的产业化前景。
在杂化钙钛矿太阳电池中，目前所使用的电子传输材料局限于ZnO、TiO2、SnO2和PCBM等。这类金属氧化物的电子传输材料的电子迁移率普遍较低，而PCBM成本很高。同时许多类似PCBM结构的电子传输层也逐渐发展却很少的文献会对新材料的构效关系进行深入研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足和现有分子设计原理的不明，本发明提出合成了两种新型电子传输层材料及它们构成的钙钛矿太阳电池，新型电子传输层材料在结构上仅有侧链末端基团的差别，两种电子传输材料均具有合适的LUMO能级与钙钛矿层能级匹配，并获得了由两种新型电子传输层材料改性而成的钙钛矿太阳电池。同时通过控制所述两种电子传输材料的溶解度，使其在钙钛矿制备过程中溶解于溶剂中最终留在钙钛矿层中形成异质结结构，最终提高电子的抽取效率且降低空穴-电子复合的几率从而提高器件效率。
本发明采用的技术方案如下：
一、基于新型电子传输层材料：
电子传输层材料命名为PCP(Di(3-(pyridin-4-yl)propyl)[60]fullerenylmalonate)及MCM(Di(1-methoxyethyl)[60]fullerenyl malonate)，具体化学结构式为：
二、两种基于新型电子传输层材料的太阳电池：
该太阳电池包括基底、透明金属电极层、空穴传输层、光敏层、电子传输层、金属电极层；从基底自下而上依次为透明金属电极层、空穴传输层、光敏层、电子传输层和金属电极层；电子传输层为富勒烯电子传输材料PCP或MCM。
所述的富勒烯电子传输材料PCP及MCM具体化学结构式为：
基于上述技术方案，该太阳电池中各部件还可以采用如下优选方式：
所述的电子传输层的厚度为2～200nm。
所述的基底材料为玻璃或石英或柔性PET或柔性PEN。
所述的透明金属电极层材料为氧化铟锡或氟掺氧化锡。
所述的光敏层化学结构通式为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xBrx或CH3NH3PbI3-xClx，其中0≤x≤3。
所述的电子传输层在制备过程中部分溶解并存于所述光敏层中与其形成异质结结构。
所述的空穴传输层为氧化镍纳米颗粒；
所述的金属电极层材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化锡，厚度为50-300nm。
本发明由新型电子传输层材料改性的钙钛矿太阳电池包括衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极，所述的电子传输层为PCP及MCM材料的薄膜。
所述的电子传输层通过溶液旋涂于光敏层上，其厚度为2～200nm。
本发明富勒烯电子传输材料PCP及MCM的制备过程如下：
将两种原料和四溴化碳加入干燥的反应瓶中，以氯苯作溶剂，然后用氩气鼓泡30分钟，加入DBU(1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯)，常温搅拌5小时；反应结束后，反应混合液倒入硅胶层析柱，以甲苯、二氯甲烷/甲醇作洗脱剂，纯化得到富勒烯电子传输材料；所述的两种原料为bis(3-(pyridin-4-yl)propyl)malonate及bis(2-methoxyethyl)malonate中的一种原料以及C60分别用于制备PCP及MCM。
本发明太阳电池的制备过程如下：
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗15分钟后，氮气流干燥，再用氧等离子体处理20分钟；NiOx是通过在ITO玻璃基底上旋涂前驱体溶液(六水合硝酸镍(II):乙二胺＝1M:1M乙二醇溶液)并300℃退火1小时制备，参考文献Nature Nanotechnology 2015，11，75报道的方法。甲基碘化铵(MAI)和碘化铅(PbI2)以1.4M的总浓度按照1：1摩尔比溶于二甲基乙酰胺：甲基吡咯烷酮(4:1)混合溶剂；在旋涂钙钛矿层之前，将前驱体溶液和NiOx基底加热至70℃；旋涂过程有1000rpm维持10秒，4000rpm维持30秒，在热前驱体溶液滴到热基底之后开始旋转，在第二阶段中50微升甲苯约15秒滴到其上，然后100℃退火2分钟。PCP或MCM氯苯溶液(10mg/ml)以2000rpm转速30秒旋涂在钙钛矿上；阴极界面修饰材料BCP乙醇溶液(0.5mg/ml)3000rpm转速30秒旋涂其上，然后高真空5x10-4Pa条件下在真空室沉积100纳米厚的Ag(阴极)。器件面积为0.115cm2,这是由Ag和ITO的横截面所决定的。
本发明的优点和有益效果在于：
本发明利用PCP及MCM合适的LUMO能级和较高的电子迁移率等特性，两种材料所制备的钙钛矿电池均具有较高的开路电压VOC，较高的短路电流JSC，较高的填充因子，其中PCP所在钙钛矿电池能量转换效率最高为19.32％(VOC＝1.11V,JSC＝22.31mA/cm2,FF＝0.78)，MCM所在钙钛矿电池能量转换效率最高可达19.11％(VOC＝1.08V,JSC＝22.12mA/cm2,FF＝0.80)。同时我们研究探讨了相似结构的两种电子传输材料在侧链末端基团的改变后所引起的效率改变的构效关系。而且不同于传统的平面型器件，所述两种电子传输材料分布于钙钛矿中晶界处从而能够提高空穴的抽取效率且降低空穴-电子复合的几率，最终提高器件效率。
附图说明
图1是本发明太阳电池的结构示意图。
图2是本发明的钙钛矿杂化太阳电池的电流-电压曲线。
图3是本发明的钙钛矿杂化太阳电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的太阳电池包括基底1、透明金属电极层2、空穴传输层3、光敏层4、电子传输层5、金属电极层6；从基底1自下而上依次为透明金属电极层2、空穴传输层3、光敏层4、电子传输层5和金属电极层6；其中电子传输层5采用富勒烯电子传输材料PCP及MCM，具体化学结构式为：
本发明在PCP及MCM的电子传输层结构中，[60]富勒烯球壳决定了整个分子具有合适的LUMO能级，具有较高的导电性和电子迁移率；酯基侧链作为柔性侧链，增大了富勒烯的溶解性；同时不同末端基团具有不同的配位能力，故能和钙钛矿层中的铅离子具有不同强度的结合作用，导致电子传输层材料MCM相较于PCP展现出更好的光伏性能，同时由于在制备钙钛矿薄膜过程中溶剂对电子传输材料的溶解使电子传输材料保留于钙钛矿层的晶界处，与铅离子相互作用从而弯曲钙钛矿/富勒烯异质结的能带同时也提高了电子传输效率，减少了空穴和电子的复合几率。最终MCM所在的钙钛矿器件效率最高可达19.11％，非常小的迟滞现象；而PCP所在的钙钛矿器件效率最高可达19.32％，却存在明显迟滞现象。
本发明的实施例如下：
实施例1
利用bis(3-(pyridin-4-yl)propyl)malonate与C60的Bingel反应来合成PCP，反应方程式为：
其中，C60通过商业化途径购买，bis(3-(pyridin-4-yl)propyl)malonate是参考文献Polyhedron 2015,87,417.报道的方法合成。PCP的合成步骤为
在干燥的反应瓶中加入152.5mg bis(3-(pyridin-4-yl)propyl)malonate，317.7mg C60和292.3mg四溴化碳溶于70ml氯苯中，然后用氩气鼓泡30分钟，加入DBU 0.18ml(ρ＝1.018g/ml)，常温搅拌5小时；反应结束后，反应混合液倒入硅胶层析柱，以甲苯、二氯甲烷/甲醇作洗脱剂，纯化得到黄褐色固体产物(175.6mg，产率38％)。
用循环伏安(CV)方法测得PCP的HOMO能级为-3.88eV；用紫外-可见吸收光谱测得薄膜状态下PCP的最大吸收峰位于335nm处，吸收带边为560nm，光学带隙为2.21eV。
实施例2
利用bis(2-methoxyethyl)malonate与C60的Bingel反应来合成MCM，反应方程式为：
其中，C60通过商业化途径购买，bis(2-methoxyethyl)malonate通过盐酸催化的酯化反应制得。MCM的合成步骤为：
在干燥的反应瓶中加入260mg bis(2-methoxyethyl)malonate，1.021g C60和785mg四溴化碳溶于120ml氯苯中，然后用氩气鼓泡30分钟，加入DBU 0.44ml(ρ＝1.018g/ml)，常温搅拌5小时；反应结束后，反应混合液倒入硅胶层析柱，以甲苯、二氯甲烷/甲醇作洗脱剂，纯化得到褐色固体产物(700mg，产率63％)。
用循环伏安(CV)方法测得MCM的LUMO能级为-3.88eV；用紫外-可见吸收光谱测得薄膜状态下MCM的最大吸收峰位于336nm处，吸收带边为560nm，光学带隙为2.21eV。
实施例3
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗15分钟后，氮气流干燥，再用氧等离子体处理20分钟；NiOx是通过在ITO玻璃基底上旋涂前驱体溶液(六水合硝酸镍(II):乙二胺＝1M:1M乙二醇溶液)并300℃退火1小时制备，参考文献Nature Nanotechnology 2015，11，75报道的方法。甲基碘化铵(MAI)和碘化铅(PbI2)以1.4M的总浓度按照1：1摩尔比溶于二甲基乙酰胺：甲基吡咯烷酮(4:1)混合溶剂；在旋涂钙钛矿层之前，将前驱体溶液和NiOx基底加热至70℃；旋涂过程有1000rpm维持10秒，4000rpm维持30秒，在热前驱体溶液滴到热基底之后开始旋转，在第二阶段中50微升甲苯约15秒滴到其上，然后100℃退火2分钟。实施例1得到的PCP的氯苯溶液(10mg/ml)以2000rpm转速30秒旋涂在钙钛矿上；阴极界面修饰材料BCP乙醇溶液(0.5mg/ml)3000rpm转速30秒旋涂其上，然后高真空5x10-4Pa条件下在真空室沉积100纳米厚的Ag(阴极)。得到的器件面积为0.115cm2,这是由Ag和ITO的横截面所决定的。
在光照强度为100mW/cm2的AM 1.5G模拟太阳光照射下，测试该器件的电流－电压曲线，从中得到开路电压为1.11V，短路电流密度为22.31mA/cm2，填充因子为0.78，光电能量转换效率为19.32％。
图2给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。
实施例4
将表面刻蚀有条状ITO(阳极)的透明导电玻璃依次用清洗剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声振荡清洗15分钟后，氮气流干燥，再用氧等离子体处理20分钟；NiOx是通过在ITO玻璃基底上旋涂前驱体溶液(六水合硝酸镍(II):乙二胺＝1M:1M乙二醇溶液)并300℃退火1小时制备，参考文献Nature Nanotechnology 2015，11，75报道的方法。甲基碘化铵(MAI)和碘化铅(PbI2)以1.4M的总浓度按照1：1摩尔比溶于二甲基乙酰胺：甲基吡咯烷酮(4:1)混合溶剂；在旋涂钙钛矿层之前，将前驱体溶液和NiOx基底加热至70℃；旋涂过程有1000rpm维持10秒，4000rpm维持30秒，在热前驱体溶液滴到热基底之后开始旋转，在第二阶段中50微升甲苯约15秒滴到其上，然后100℃退火2分钟。实施例2得到的MCM的氯苯溶液(10mg/ml)以2000rpm转速30秒旋涂在钙钛矿上；阴极界面修饰材料BCP乙醇溶液(0.5mg/ml)3000rpm转速30秒旋涂其上，然后高真空5x10-4Pa条件下在真空室沉积100纳米厚的Ag(阴极)。得到的器件面积为0.115cm2,这是由Ag和ITO的横截面所决定的。
在光照强度为100mW/cm2的AM 1.5G模拟太阳光照射下，测试该器件的电流－电压曲线，从中得到开路电压为1.08V，短路电流密度为22.12mA/cm2，填充因子为0.80，光电能量转换效率为19.11％。
图3给出了该器件在光照强度为100mW/cm2的AM1.5模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。
由此可见，本发明的钙钛矿太阳电池具有较高的开路电压VOC，较高的短路电流JSC，较高的填充因子，能量转换效率(PCE)最高为19.32％，且通过调控末端基团与铅的作用力大小可以得到不同的器件效率。通过控制两种电子传输材料的溶解度，使其与钙钛矿层形成异质结结构，从而提高电子的抽取效率且减少钙钛矿表面缺陷，最终提高器件效率。

Claims (10)

1.一种新型富勒烯电子传输材料，其特征在于：所述的电子传输材料PCP及MCM中的任意一种，具体化学结构式分别为：
2.一种如权利要求1所述材料的制备方法，其特征在于步骤如下：将两种原料和四溴化碳加入干燥的反应瓶中，以氯苯作溶剂，用氩气鼓泡后，加入1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯，常温搅拌反应；反应结束后，反应混合液倒入硅胶层析柱，以甲苯、二氯甲烷/甲醇作洗脱剂，纯化得到富勒烯电子传输材料；所述的两种原料为bis(3-(pyridin-4-yl)propyl)malonate及bis(2-methoxyethyl)malonate中的一种原料以及C60，分别用于制备PCP及MCM。
3.一种基于新型电子传输材料的太阳电池，其特征在于：包括基底(1)、透明金属电极层(2)、空穴传输层(3)、光敏层(4)、电子传输层(5)、金属电极层(6)；从基底(1)自下而上依次为透明金属电极层(2)、空穴传输层(3)、光敏层(4)、电子传输层(5)和金属电极层(6)；电子传输层(5)为富勒烯电子传输材料PCP及MCM中的任意一种，PCP及MCM的具体化学结构式为：
4.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的电子传输层(3)的厚度为2～200nm。
5.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的基底(1)材料为玻璃或石英或柔性PET或柔性PEN。
6.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的透明金属电极层(2)材料为氧化铟锡或氟掺氧化锡。
7.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的光敏层(4)化学结构通式为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xBrx或CH3NH3PbI3-xClx，其中0≤x≤3。
8.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的电子传输层(3)在制备过程中部分溶解并存于所述光敏层(4)中与其形成异质结结构。
9.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的空穴传输层(3)为PTAA或氧化镍纳米颗粒。
10.根据权利要求3所述的太阳电池，其特征在于：所述的金属电极层(6)材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化锡，厚度为50-300nm。
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