CN108565339B - 含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，所述含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池包括透明导电衬底、电子传导层、钙钛矿层、空穴传导层和金属电极，所述钙钛矿层包括含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物，所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物是由PCBM与聚乙二醇反应得到。本发明还涉及所述含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法。本发明所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池具有钙钛矿层形貌可调控、效率高、制备简单的优点。

Description

含富勒烯衍生物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，特别是涉及一种含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，钙钛矿太阳能电池由于具有较高的光电转换效率而倍受关注。钙钛矿层的形貌与光电特性在某种程度上决定着电池的光电转换效率，故尤为重要。
富勒烯C60是继金刚石、石墨之后单质碳的第三种同素异形体，是由碳原子形成的一系列笼形单质分子的总称。由于具有独特的结构和诸多优异的物理化学特性，富勒烯以及富勒烯的各种衍生物有着非常广阔的应用前景。通过对富勒烯结构进行修饰，引入不同的官能团，可以调控富勒烯衍生物的溶解性、能级、光吸收、表面能等，以拓展其在不同领域中的应用。
当前，还未见到采用含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物来调控钙钛矿层的微结构、促进电荷传导，以制备高效率的钙钛矿太阳能电池的相关报道。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，其具有钙钛矿层形貌可调控、效率高、制备简单的优点。
本发明采取的技术方案如下：
一种含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底、电子传导层、钙钛矿层、空穴传导层和金属电极，所述钙钛矿层包括含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物，所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物是由PCBM与聚乙二醇反应得到。
本发明在钙钛矿层中添加的含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物，简称PCBPEG，其化学式及合成反应式如图1所示。反应原料PCBM是一种富勒烯衍生物，有PC61BM（6,6-苯基-C61-丁酸甲酯）和PC71BM（6,6-苯基-C71-丁酸甲酯）两种，采用PC61BM或PC71BM与聚乙二醇（PEG）反应生成的富勒烯衍生物含有聚乙二醇侧链。
本发明采用PCBPEG来调控钙钛矿层的微结构与光电性能，促进载流子的传导与收集，以提高制备电池的效率。与现有技术相比，本发明的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池具有如下有益效果：
1、添加富勒烯衍生物PCBPEG修饰钙钛矿层，PEG侧链及富勒烯基团可促进载流子传导，提高电池光电转换效率，经实验证明，修饰后电池的效率明显高于未修饰的电池；
2、富勒烯衍生物PCBPEG合成简单，只需一步反应就可以实现；
3、直接在钙钛矿前驱液中添加富勒烯衍生物PCBPEG即可实现对钙钛矿层微观形貌的调控，无需额外的设备与复杂的工艺，简单易操作；
4、提供了一种新的富勒烯衍生物PCBPEG在钙钛矿太阳能电池中的应用，拓宽了富勒烯衍生物的应用前景。
进一步地，所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物是由摩尔比为1:1的PCBM与聚乙二醇在异丙醇钛催化下反应得到。
进一步地，所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物按如下步骤制备：将PCBM与聚乙二醇以相同的摩尔浓度溶解于氯苯中，再加入异丙醇钛作为催化剂，在140℃下反应12小时后，加入水萃取产物，离心，再将所得水相真空干燥，得到所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物的粉末。
进一步地，所述聚乙二醇的分子量为4000~20000。
进一步地，所述钙钛矿层为CH3NH3MI3-xBx基钙钛矿层，其中x=0~3，M选自Pb或Sn，B选自I、Cl、Br或SCN；所述钙钛矿层中，含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物与CH3NH3MI3-xBx的质量比为3~9:4000。
通过采用合适添加量的PCBPEG来调控钙钛矿层的微结构，进一步促进空穴的传导与收集，更好地提高电池的光电转换效率。
本发明的另一目的在于，提供上述含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
（1）电子传导层的制备：通过低温水解四氯化钛（TiCl4）配置二氧化钛胶体（TiO2胶体），再将透明导电衬底放入二氧化钛胶体中，取出后进行冲洗和热处理，得到制备在透明导电衬底上的作为电子传导层的二氧化钛致密层（TiO2致密层）；
（2）钙钛矿层的制备：将摩尔比为1:1的CH3NH3I和PbI2溶解于溶剂中，得到钙钛矿前驱液，再加入含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物，然后将所得溶液滴加在步骤（1）所得的二氧化钛致密层上后旋涂，得到制备在二氧化钛致密层上的钙钛矿层；
（3）钙钛矿层的形貌调控：在步骤（2）所得的钙钛矿层上滴加氯苯，然后进行旋涂和热处理，得到经修饰的钙钛矿层；
（4）空穴传导层的制备：在步骤（3）所得的钙钛矿层上旋涂含有Spiro-OMeTAD（2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴）、LiTFSI（双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐）和TBP（四丁基吡啶）的氯苯混合溶液，经氧化和干燥后得到制备在钙钛矿层上的作为空穴传导层的Spiro-OMeTAD层；
（5）金属电极的制备：采用热蒸发法在步骤（4）所得的Spiro-OMeTAD层上蒸镀一层金属电极，制得所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池。
进一步地，步骤（2）中，所述溶剂是体积比为3:7的二甲基亚砜（DMSO）与γ-丁内酯的混合溶液；所述钙钛矿前驱液中，CH3NH3I和PbI2的总质量百分比为40%；所加入的含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物与钙钛矿前驱液的质量比为0.03%~0.09%。
通过采用合适浓度的PCBPEG来调控钙钛矿层的微结构，进一步促进空穴的传导与收集，更好地提高电池的光电转换效率。
进一步地，步骤（3）中，热处理的温度为100℃，热处理的时间为20分钟。
进一步地，步骤（4）中，将旋涂后的半成品在避光干燥的空气中放置6~8小时进行氧化和干燥。
进一步地，步骤（5）中，蒸镀的金属电极为银（Ag）电极，其厚度为80～150nm。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为合成含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物的化学反应式；
图2为本发明的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其为合成含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物的化学反应式。
所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物（PCBPEG）按如下步骤制备：
将PCBM与PEG以相同的摩尔浓度溶解于氯苯中，再加入异丙醇钛作为催化剂，在140℃下反应12小时后，加入水萃取产物，离心，再将所得水相真空干燥，得到PCBPEG粉末。
如图2所示，本发明提供的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的透明导电衬底1、电子传导层2、钙钛矿层3、空穴传导层4和金属电极5。
具体地，所述透明导电衬底1为二氧化锡导电玻璃（FTO导电玻璃）。所述电子传导层2为二氧化钛致密层（TiO2致密层）。所述钙钛矿层3为CH3NH3PbI3基钙钛矿层，其中添加有含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物（PCBPEG）。所述空穴传导层4为Spiro-OMeTAD层。所述金属电极5为80~150nm厚的Ag电极。即，该钙钛矿太阳能电池的结构为FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Ag。
所述含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
（1）电子传导层的制备：
先在冰水混合物中加入TiCl4水溶液（其中TiCl4与水的体积比为1.5%~4%），配置TiO2胶体。再取经过10~20分钟紫外光处理的FTO导电玻璃，放入70℃的TiO2胶体中浸泡50分钟，取出后依次用去离子水和乙醇冲洗，然后以200℃进行热处理30~60分钟，得到制备在FTO导电玻璃上的作为电子传导层的TiO2致密层。
（2）钙钛矿层的制备：
将摩尔比为1:1的CH3NH3I和PbI2溶解于溶剂中，得到钙钛矿前驱液，再加入PCBPEG。对步骤（1）所得的TiO2致密层进行紫外光处理20分钟，再将所得溶液滴加在步骤（1）所得的TiO2致密层上，然后以4000转/分钟的速度旋涂20秒，得到制备在TiO2致密层上的CH3NH3PbI3基钙钛矿层。
所述溶剂是体积比为3:7的DMSO与γ-丁内酯的混合溶液；所述钙钛矿前驱液中，CH3NH3I和PbI2的总质量百分比为40%；所加入的PCBPEG与钙钛矿前驱液的质量比为0.03%~0.09%。
（3）钙钛矿层形貌调控：
在步骤（2）所得的CH3NH3PbI3基钙钛矿层上滴加5微升的氯苯，然后以4000 转/分钟的速度旋涂，再以100℃进行热处理20分钟，得到经修饰的CH3NH3PbI3基钙钛矿层。
（4）空穴传导层的制备：
在步骤（3）所得的CH3NH3PbI3基钙钛矿层上旋涂含有0.08M Spiro-OMeTAD、0.064MLiTFSI和0.064M TBP的氯苯混合溶液，再将旋涂后的半成品在避光干燥的空气中放置6~8小时进行氧化和干燥，在钙钛矿层上制备空穴传导层。
（5）金属电极的制备：
采用热蒸发法在步骤（4）所得的Spiro-OMeTAD层上蒸镀一层厚80～150nm的Ag电极，制得所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池。
实施例1
本实施例先采用分子量为4000的PEG与PCBM制得PCBPEG，再按上述方法制备含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，且步骤（2）中所加入的PCBPEG与钙钛矿前驱液质量比为0.07%。
实施例2
本实施例先采用分子量为4000的PEG与PCBM制得PCBPEG，再按上述方法制备含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，且步骤（2）中所加入的PCBPEG与钙钛矿前驱液质量比为0.03%。
实施例3
本实施例先采用分子量为4000的PEG与PCBM制得PCBPEG，再按上述方法制备含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，且步骤（2）中所加入的PCBPEG与钙钛矿前驱液质量比为0.09%。
实施例4
本实施例先采用分子量为20000的PEG与PCBM制得PCBPEG，再按上述方法制备含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，且步骤（2）中所加入的PCBPEG与钙钛矿前驱液质量比为0.07%。
分别对未添加PCBPEG修饰的钙钛矿太阳能电池及实施例1-4制得的钙钛矿太阳能电池进行性能测试，使用的测试设备为：Newport公司的91159太阳光模拟器，测试条件为：室温环境下，光强为100mW/cm2。测试结果如下表1：
表1
Figure 450634DEST_PATH_IMAGE001
由表1可见，实施例1-4制得的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率明显高于未添加PCBPEG修饰的钙钛矿太阳能电池，该结果表明：在钙钛矿前驱液中添加富勒烯衍生物PCBPEG可以调控钙钛矿层的微结构，促进载流子的传导与收集，提高电池光电转换效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底、电子传导层、钙钛矿层、空穴传导层和金属电极，其特征在于：所述钙钛矿层包括含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物，所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物是由PCBM与聚乙二醇反应得到的PCBPEG。
2.根据权利要求1所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物是由摩尔比为1:1的PCBM与聚乙二醇在异丙醇钛催化下反应得到。
3.根据权利要求2所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物按如下步骤制备：将PCBM与聚乙二醇以相同的摩尔浓度溶解于氯苯中，再加入异丙醇钛作为催化剂，在140℃下反应12小时后，加入水萃取产物，离心，再将所得水相真空干燥，得到所述含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物的粉末。
4.根据权利要求1-3任一项所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述聚乙二醇的分子量为4000~20000。
5.根据权利要求1-3任一项所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿层为CH3NH3MI3-xBx基钙钛矿层，其中x=0~3，M选自Pb或Sn，B选自I、Cl、Br或SCN；所述钙钛矿层中，含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物与CH3NH3MI3-xBx的质量比为3~9:4000。
6.权利要求1-5任一项所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）电子传导层的制备：通过低温水解四氯化钛配置二氧化钛胶体，再将透明导电衬底放入二氧化钛胶体中，取出后进行冲洗和热处理，得到制备在透明导电衬底上的作为电子传导层的二氧化钛致密层；
（2）钙钛矿层的制备：将摩尔比为1:1的CH3NH3I和PbI2溶解于溶剂中，得到钙钛矿前驱液，再加入含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物，然后将所得溶液滴加在步骤（1）所得的二氧化钛致密层上后旋涂，得到制备在二氧化钛致密层上的钙钛矿层；
（3）钙钛矿层的形貌调控：在步骤（2）所得的钙钛矿层上滴加氯苯，然后进行旋涂和热处理，得到经修饰的钙钛矿层；
（4）空穴传导层的制备：在步骤（3）所得的钙钛矿层上旋涂含有Spiro-OMeTAD、LiTFSI和TBP的氯苯混合溶液，经氧化和干燥后得到制备在钙钛矿层上的作为空穴传导层的Spiro-OMeTAD层；
（5）金属电极的制备：采用热蒸发法在步骤（4）所得的Spiro-OMeTAD层上蒸镀一层金属电极，制得所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述溶剂是体积比为3:7的二甲基亚砜与γ-丁内酯的混合溶液；所述钙钛矿前驱液中，CH3NH3I和PbI2的总质量百分比为40%；所加入的含有聚乙二醇侧链的富勒烯衍生物与钙钛矿前驱液的质量比为0.03%~0.09%。
8.根据权利要求6所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，热处理的温度为100℃，热处理的时间为20分钟。
9.根据权利要求6所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，将旋涂后的半成品在避光干燥的空气中放置6~8小时进行氧化和干燥。
10.根据权利要求6所述的含富勒烯衍生物的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，蒸镀的金属电极为银电极，其厚度为80～150nm。
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