CN108511608B - 一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池。本发明利用锌源和铝源通过胶体磨法制备出锌铝水滑石后，将其热解产物铝掺杂的氧化锌二维纳米片用有机溶剂分散，旋涂到基底FTO上，500‑600℃下退火形成电子传输层。利用水滑石纳米片抗水和稳定的特性，使钙钛矿物质的稳定性得以提高，同时电极材料选择碳电极作为阳极，密封性得以提高，更加可以提高钙钛矿层的抗潮解性能，同时延长钙钛矿电池的寿命。此外，本发明提供的电池制备简单，可简化对器件封装的要求，提高器件寿命，降低制造成本。

Description

一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料及 其制备方法、钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于光电材料技术领域，具体而言，涉及一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池。
背景技术
层状双金属氢氧化物(LDHs)又称为水滑石,是一种新型的具有分层结构的无机功能材料,是由带正电层板金属阳离子和层间阴离子构成。一般的化学结构式可用[MII 1-xMIII x(OH)2]z+(An-)z/n·yH2O来描述，其中MII和MIII分别为二价和三价金属；An-则是层间阴离子。这种材料的特点是合成简便且具有相对较大的比表面体积和很高的阴离子交换能力，以LDHs为前驱所制备的掺杂氧化物的掺杂离子分布高度均匀。因此,以锌铝水滑石为前驱物，在一定的退火温度下热解制备了特定锌/铝摩尔比的掺杂氧化锌并及其作为钙钛矿太阳能电池电子传输层，研究了这种铝掺杂氧化锌的光电性能。
太阳能电池领域的发展分为传统的电池和新概念的太阳能电池。传统太阳能电池主要为硅太阳能电池，因为硅是一种半导体材料，吸收太阳光后会产生一定的光伏效应。传统太阳能电池为基于硅晶片的单晶硅和多晶硅以及GaAs为主要的材料的电池。但是，这种电池问题主要还是成本过高，所以发展新型材料的太阳能电池成为一种趋势。新概念的太阳能电池主要以薄膜为主，如染料敏化电池、钙钛矿太阳能电池。染料敏化电池染料敏化太阳能电池(DSSCs)主要由工作电极、氧化还原电解质和对电极组成。光阳极就是工作电极，是由染料敏化的nc-TiO2多孔膜来构成的；其中二氧化钛的光阳极是整个DSSCs的核心部分，在电池中不仅起到负载染料的作用外，还起到了接收电子和传输电子的作用。但是，染料敏化电池的能量转换效率不算很高。钙钛矿电池(PSC)从2012年报道的效率为9.7％的电池，经过几年的研究，已经取得惊人的进展，其电池具有优异的重现性，功率转换效率(PCE)高达21.6％，在标准AM 1.5G的条件下认证的PCE为21.02％。PSC具有很好的发展前景，有望在未来作为一种新型的能源器件投入人类的生活应用中。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池。
一种用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料，是通过高温热解锌铝水滑石得到的铝掺杂氧化锌。
所述锌铝水滑石是通过胶体磨法制备的纳米片状锌铝水滑石，化学式为[Zn2+ 1- xAl3+ x(OH)2]x+(CO3 2-)3x/2·mH2O，其中0.27≤x≤0.44，m为结晶水含量，0.1≤m≤5。
所述锌铝水滑石中锌铝摩尔比为2-5：1。
所述锌铝水滑石高温热解时的退火温度为500℃-600℃，退火时间不超过1h。
上述用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的水滑石热解材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将可溶锌盐和可溶铝盐的混合溶液与氢氧化钠溶液同时加入到胶体磨中，将得到的乳浊液放在高压反应釜中100℃-110℃静置反应不超过24小时，再通过离心机离心洗涤，干燥，得到纳米片状锌铝水滑石；
2)将步骤1)中得到的纳米片状锌铝水滑石置于马弗炉中，加热至500℃-600℃，保持温度煅烧不超过1h，自然冷却至室温，得到铝掺杂氧化锌。
一种钙钛矿太阳能电池，将上述的水滑石热解材料用作电子传输层材料。
所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法：将导电玻璃的下部区域刻蚀，上部区域空白，中间区域先涂覆电子传输层材料，500-600℃煅烧不超过30min后涂覆钙钛矿层，干燥后在刻蚀区域和中间区域涂覆两块不联通的导电碳浆直到刻蚀区域底部，并且刻蚀区域和中间区域的左右两侧、与空白区域相接的中间区域部分不涂覆导电碳浆，干燥后即得钙钛矿太阳能电池。
所述的刻蚀的方法为：将需要刻蚀的区域撒上Zn粉，然后滴加盐酸到Zn粉上，反应完成后用HF棉球擦拭，最后依次使用丙酮，乙醇，去离子水超声清洗，使用棉签把导电玻璃擦洗干净备用。
所述钙钛矿太阳能电池的电子传输层材料的制作方法为：将铝掺杂氧化锌研磨后加入松油醇，乙醇和/或异丙醇，超声搅拌得到浆料。
所述钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层的制作方法为：先在电子传输层上涂覆PbI2的DMF溶液，然后浸入碘甲胺溶液中即得到钙钛矿层，碘甲胺溶液的溶剂为无水异丙醇和环己烷的混合溶剂。
本发明利用锌源和铝源通过胶体磨法制备出锌铝水滑石后，将其热解产物铝掺杂的氧化锌二维纳米片，用有机溶剂分散，旋涂到基底FTO上，500-600℃下退火形成电子传输层。本发明利用水滑石纳米片抗水和稳定的特性，使钙钛矿物质的稳定性得以提高，同时电极材料选择碳电极作为阳极，密封性得以提高，更加可以提高钙钛矿层的抗潮解性能，同时延长钙钛矿电池的寿命。此外，本发明提供的电池制备简单，可简化对器件封装的要求，提高器件寿命，降低制造成本。
附图说明
图1是本发明从实施例1到实施例4得到的实际锌铝比分别为2:1、3:1、4:1、5:1的锌铝水滑石的XRD图。
图2是本发明从实施例1到实施例4得到的不同铝含量的掺杂氧化锌XRD图。
图3是实施例3得到的锌铝比为5:1的锌铝水滑石的SEM图。
图4是本发明钙钛矿太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例来进一步解释本发明。
实施例1
1.采用胶体磨法制备水滑石，具体方法为称取14.88g Zn(NO3)2·6H2O和9.38g Al(NO3)3·9H2O溶解在去离子水中配成100mL混合盐溶液，称取6.00g NaOH溶解在去离子水中配成100mL碱溶液。
2.将两种溶液同时加入胶体磨中，将得到的混合浆液放在高压反应釜中110℃静置反应24小时，用去离子水洗涤3次，干燥后得到锌铝水滑石。
3.将烘干后的锌铝水滑石用玛瑙研钵研磨至均匀的粉体，将得到的粉体放入瓷盅置于马弗炉中，以10℃min-1的升温速率至500℃，保持500℃煅烧1h，自然冷却至室温，得到铝掺杂氧化锌，标记为2-ZA-500。
4.取0.1g的2-ZA-500，加入100μL的松油醇、5mL的无水乙醇(EtOH)后超声搅拌得到钙钛矿太阳能电池的电子传输层材料。
有机-无机杂化太阳能电池的制备：
1.FTO的刻蚀与清洗切割2cm·1.5cm大小FTO玻璃，将导电玻璃的下部区域刻蚀，上部区域空白，将需要刻蚀的区域撒上Zn粉，然后滴加2mol/L的盐酸到Zn粉上，反应完成后用HF棉球擦拭，用万用电表测刻蚀过的部分，显示不导电。最后依次使用丙酮，乙醇，去离子水超声清洗25min，使用棉签把导电玻璃擦洗干净备用。
2.在导电玻璃的中间区域滴加上述的电子传输层材料并旋涂，旋涂时间30s，缓冲时间3s，转速2000rpm。旋涂完后静置，将玻璃片放在加热装置上加热100℃5min。放入马弗炉中并保持500℃30min，冷却至室温，即制得所述的铝掺杂氧化锌的钙钛矿太阳能电池的电子传输层。
3.钙钛矿层的制备：称取1.1g PbI2溶于2mL DMF中，加热100℃搅拌至形成澄清的黄色液体，然后将黄色溶液涂覆到电子传输层上。称取400mg的MAI溶于32mL的无水异丙醇和8mL的环乙烷中，形成澄清的无色透明溶液，将导电玻璃浸泡其中。
4.取出上述玻璃片，干燥后，在导电玻璃的左右两侧，中间一整条贴上胶带，空白区域以及与空白区域相接的中间区域也贴上胶带，然后用玻璃棒刮涂导电碳浆，涂完以后放到100℃的烘箱中烘15min，取出电池准备测试性能。
实施例2
1.采用胶体磨法制备水滑石，具体方法为称取14.88g Zn(NO3)2·6H2O和6.25g Al(NO3)3·9H2O溶解在去离子水中配成100mL混合盐溶液，称取5.35g NaOH溶解在去离子水中配成100mL碱溶液，其它同实施例1制备得到铝掺杂氧化锌，标记为3-ZA-500。
2.使用3-ZA-500同实施例2制备有机-无机杂化太阳能电池。
实施例3
1.采用胶体磨法制备水滑石，具体方法为称取14.88g Zn(NO3)2·6H2O和4.7g Al(NO3)3·9H2O溶解在去离子水中配成100mL混合盐溶液，称取5.35g NaOH溶解在去离子水中配成100mL碱溶液，其它同实施例1制备得到铝掺杂氧化锌，标记为4-ZA-500。
2.使用4-ZA-500同实施例1制备有机-无机杂化太阳能电池。
实施例4
1.采用胶体磨法制备水滑石，具体方法为称取14.88g Zn(NO3)2·6H2O和3.25g Al(NO3)3·9H2O溶解在去离子水中配成100mL混合盐溶液，称取4.85g NaOH溶解在去离子水中配成100mL碱溶液，其它同实施例1制备得到铝掺杂氧化锌，标记为5-ZA-500。
2.使用5-ZA-500同实施例1制备有机-无机杂化太阳能电池。
表1不同锌铝比的铝掺杂氧化锌为电子传输层的光电转换效率
Figure BDA0001623601770000051
表2一个月后重新测试不同锌铝比的铝掺杂氧化锌为电子传输层的光电转换效率
Figure BDA0001623601770000052
可以理解的是，以上是为了阐述本发明的原理和可实施性的示例，本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：将导电玻璃的下部区域刻蚀，上部区域空白，中间区域先涂覆电子传输层材料，500-600℃煅烧不超过30min后涂覆钙钛矿层，干燥后在刻蚀区域和中间区域涂覆两块不联通的导电碳浆直到刻蚀区域底部，并且刻蚀区域和中间区域的左右两侧、与空白区域相接的中间区域部分不涂覆导电碳浆，干燥后即得钙钛矿太阳能电池；
所述的电子传输层材料的制作方法为：将铝掺杂氧化锌研磨后加入松油醇，乙醇和/或异丙醇，超声搅拌得到浆料；
所述铝掺杂氧化锌是通过高温热解锌铝水滑石得到的；
所述锌铝水滑石是通过胶体磨法制备的纳米片状锌铝水滑石，化学式为[Zn2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(CO3 2-) 3x/2·mH2O，其中0.27≤x≤0.44，m为结晶水含量，0.1≤m≤5。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述锌铝水滑石中锌铝摩尔比为2-5：1。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述锌铝水滑石高温热解时的退火温度为500℃-600℃，退火时间不超过1h。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的铝掺杂氧化锌的制备方法包括以下步骤：
1）将可溶锌盐和可溶铝盐的混合溶液与氢氧化钠溶液同时加入到胶体磨中，将得到的乳浊液放在高压反应釜中100℃-110℃静置反应不超过24小时，再通过离心机离心洗涤，干燥，得到纳米片状锌铝水滑石；
2）将步骤1）中得到的纳米片状锌铝水滑石置于马弗炉中，加热至500℃-600℃，保持温度煅烧不超过1h，自然冷却至室温，得到铝掺杂氧化锌。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的刻蚀的方法为：将需要刻蚀的区域撒上Zn粉，然后滴加盐酸到Zn粉上，反应完成后用HF棉球擦拭，最后依次使用丙酮，乙醇，去离子水超声清洗，使用棉签把导电玻璃擦洗干净备用。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池的钙钛矿层的制作方法为：先在电子传输层上涂覆PbI2的DMF溶液，然后浸入碘甲胺溶液中即得到钙钛矿层，碘甲胺溶液的溶剂为无水异丙醇和环己烷的混合溶剂。
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