CN108767112A - 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108767112A
CN108767112A CN201810336474.1A CN201810336474A CN108767112A CN 108767112 A CN108767112 A CN 108767112A CN 201810336474 A CN201810336474 A CN 201810336474A CN 108767112 A CN108767112 A CN 108767112A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bii
layer
solution
hole transmission
solar cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810336474.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108767112B (zh
Inventor
丁勇
马爽
戴松元
谭占鳌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN201810336474.1A priority Critical patent/CN108767112B/zh
Publication of CN108767112A publication Critical patent/CN108767112A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108767112B publication Critical patent/CN108767112B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H10K30/15—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
    • H10K30/151—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2 the wide bandgap semiconductor comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法，BiI3太阳电池由衬底、透导电金属氧化物阴极层、电子传输层、BiI3活性吸光层、空穴传输层和阳极层顺次相连，其中空穴传输材料为MoO3或PTB7‑Th或spiro‑OMeTAD或Poly‑TPD或PBDT‑T。相比于传统的钙钛矿太阳电池，本发明中BiI3太阳电池具有无毒，制备方法简单，稳定性好的优点。带隙小于BiI3的空穴传输材料PTB7‑Th和PBDT‑T可以吸收长波段的光子，从而拓宽器件的吸收光谱，增强电池对入射光的利用率。此外，通过在活性层中掺杂Li‑TFSI来改善其形貌和电学性能，电池的效率得到进一步提高。

Description

具有不同空穴传输层的BiI3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及其制备方法领域，具体是一种具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在光电器件领域，性能优良、功能独特、成本低廉的新材料的发展至关重要。近年来，光电领域中复合有机-无机材料甲胺-铅-卤素结构APbX3因其迅速提升的能量转换效率而得到广泛的关注，目前其实验室效率已经达到22.1％。APbX3材料采用常见的溶液旋涂工艺，是一种低成本的光电材料，在未来有可能成为硅基电池的代替选择。然而该材料铅的毒性问题和APbX3的不稳定性问题制约了其大规模的商业化发展：卤化铅在水中有一定的溶解性，被认为是一种人体致癌物；APbX3会在潮湿，高温以及紫外辐射的条件下分解成PbX2和易燃易爆的气体AX。这些都迫切需要寻找一系列环境友好的新型太阳电池材料。
传统的钙钛矿太阳电池的活性层材料以CH3NH3PbI3最为普遍，然而其具有毒性，对生态环境和人体健康存在潜在的威胁；钙钛矿材料对紫外，水等因素不稳定，加速了器件性能的衰退；CH3NH3PbI3是通过CH3NH3I和PbI3反应得到的，反应物的比例需要严格控制，且需要100℃甚至更高的温度退火，制备过程不够简便。
BiI3材料无毒且较为稳定；密度高电子数大，Bi-I系统中竞争相少，带隙范围在1.67～1.96eV，对于光电应用来说，带隙较为合适；静电常数大，已被测得的Sb掺杂时电子迁移率高达260±50和1000±200cm2/(V·s)，由于载流子的聚集状态不同，空穴迁移率要低于电子迁移率；载流子寿命高达180～240ps，已被报道的电子扩散长度有1.9和4.9μm，具有巨大的光电应用潜力；其电阻率较高，达108到109Ω·cm，因此需要对其进行掺杂或者高光生载流子浓度(高注入)来提高其导电能力，降低串联电阻；BiI3属于软质材料，因此在外界温度压力等条件变化时，制备成的薄膜会有潜在的裂痕、针孔等塑性变形的危害。目前，制备BiI3薄膜的方法常见的是化学溶液法和物理气相沉积法。
BiI3材料在X射线成像和探测器领域具有较长的研究历史。然而其在光电领域的应用却相对较少，例如将其应用于有机太阳电池的空穴传输层中，或将其作为太阳电池的吸光层。目前，以PTAA和V2O5作为空穴传输层的BiI3太阳电池器件效率分别为0.32％和1％，仍然处于较低水平，需得到进一步的优化提高，相关的理论研究也需进一步深入。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法，以BiI3材料制备环境友好、电学性能优良的太阳能电池。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池，其特征在于：其为n-i-p型BiI3太阳能电池，包括依次层叠顺序相连的衬底、透明导电金属氧化物阴极层、致密TiO2电子传输层、BiI3层、空穴传输层和阳极层，所述BiI3层中掺杂有Li-TFSI实现器件性能的优化，空穴传输层由MoO3或PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T制备而成，其中：
PTB7-Th的分子结构式为：
spiro-OMeTAD的分子结构式为：
Poly-TPD的分子结构式为：
PBDT-T的分子结构式为：
具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、在衬底上制备透明导电金属氧化物阴极层：
在衬底上溅射金属氧化物制备得到透明导电金属氧化物阴极层；
(2)、在透明导电金属氧化物阴极层上制备致密TiO2电子传输层：
利用喷涂的方法，将1mL 75wt％的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的异丙醇溶液用9mL无水乙醇稀释后，均匀喷涂在透明导电金属氧化物阴极层上，然后烧结得到致密TiO2电子传输层；
(3)、在致密TiO2电子传输层上制备BiI3层：
在手套箱中将BiI3溶液以及Li-TFSI掺杂的BiI3溶液旋涂在致密TiO2电子传输层上，然后退火处理得到BiI3层，即半导体薄膜层；
(4)、在BiI3层上制备空穴传输层：
在手套箱中将PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T溶液旋涂于BiI3层上得到空穴传输层，或在BiI3层上真空蒸镀MoO3得到空穴传输层；
(5)、在空穴传输层上制备阳极层：
在空穴传输层上真空蒸镀金属电极作为阳极层。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，衬底为玻璃或聚酯薄膜；金属氧化物优选氟掺杂SnO2。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，烧结时温度为450℃，烧结时间为30min，烧结结束后自然冷却至室温。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中涉及的BiI3溶液均为浓度为200mg/ml的N,N-二甲基甲酰胺DMF溶液；
步骤(3)中，Li-TFSI掺杂的BiI3溶液制备方法为：
将BiI3和Li-TFSI固体粉末均以200mg/ml溶于N,N-二甲基甲酰胺DMF中，每毫升BiI3溶液中加入20μl的Li-TFSI溶液；两种溶液均需直径22μm的滤头过滤。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，单纯的BiI3溶液在致密TiO2电子传输层上形成BiI3半导体薄膜层，Li-TFSI掺杂的BiI3溶液在致密TiO2电子传输层上形成Li-TFSI掺杂的BiI3半导体薄膜层，BiI3半导体薄膜层和Li-TFSI掺杂的BiI3半导体薄膜层厚度均为80～100nm，两种BiI3半导体薄膜层旋涂时，旋涂机的转速3000rpm，加速度1500rpm/s，旋涂时间为30s，退火时温度为60℃，退火时间为10min。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中手套箱中水、氧气浓度均保持在50ppm以下。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，PTB7-Th、spiro-OMeTAD、PBDT-T的溶剂均为氯苯，Poly-TPD的溶剂为邻二氯苯，PTB7-Th、spiro-OMeTAD、PBDT-T、Poly-TPD溶液的浓度分别对应为6、73.5、6、15mg/ml，旋涂机的转速分别为3000、4000、3000、3000rpm，加速度分别为1500，2000，1500，1500rpm/s，旋涂时间均为30s；
spiro-OMeTAD溶液中需加入添加剂，每毫升spiro-OMeTAD溶液的添加剂为：29μl的TBP，以浓度520mg/ml溶于乙腈的17.5μl锂盐Li-TFSI溶液，以及以浓度300mg/ml溶于乙腈的5μl钴盐FK209溶液；
Poly-TPD和PBDT-T薄膜需要150℃退火30min；PTB7-Th、Poly-TP和PBDT-T溶液最终制备的空穴传输层厚度均为15～25nm；spiro-OMeTAD溶液制备的空穴传输层厚度约为200nm。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中真空蒸镀MoO3得到空穴传输层时，真空蒸镀的压力为5×10-5Pa以下，蒸镀速度为0.1埃/s，空穴传输层厚度为15～25nm。
所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中真空蒸镀金属电极得到阳极层时，真空蒸镀的压力为5×10-5Pa以下，蒸镀速率的0.1～0.3埃/s，阳极层厚度为30～40nm。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明采用BiI3作为太阳电池吸光层，该材料具有合适的带隙和载流子寿命等电学特性；是一种环境友好型的无毒材料；BiI3薄膜采用化学溶液法旋涂制备，简便易行，重复性好，无需高温过程，制备成本低廉；BiI3作为吸光层制备的太阳电池具有良好的稳定性。
本发明中将微量的Li-TFSI掺入BiI3中改善其垂直生长取向，可提升载流子传输性能，降低电阻；以MoO3或PTB7-Th等一系列的有机物作为空穴传输层，可以添补BiI3薄膜的针孔和裂缝，有利于两层之间的电荷传输；其中PTB7-Th，PBDT-T是有机太阳电池中常见的吸光层材料，带隙小于BiI3(2eV)，可以补充吸收长波段的光子，从而将电池器件的吸收从650nm拓宽到750～800nm。spiro-OMeTAD作为空穴传输层，虽然具有很好的电学性能，但其中的添加剂叔丁基吡啶(TBP)会在旋涂过程中部分溶解掉基底的BiI3薄膜，且在spiro-OMeTAD无TBP添加条件下BiI3电池器件几乎无光电特性。最终，以PTB7-Th为空穴传输层的电池器件性能相对较好，通过进一步优化得到超过1％的效率。
附图说明
图1为本发明太阳能电池各层的能级结构图。
图2为实施例1得到的BiI3和BiI3/PTB7-Th薄膜的紫外-可见光吸收光谱，吸收边分别约为650nm和750nm。
图3为实施例1得到的BiI3薄膜的扫描电子显微镜图。
图4为实施例6得到的Li-TFSI掺杂的BiI3薄膜(简记为BiI3(Li-TFSI))的扫描电子显微镜图。
图5为实施例6得到的BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th薄膜的扫描电子显微镜图。
图6为实施例1得到的BiI3薄膜的扫描电子显微镜断面图。
图7为实施例6得到的BiI3(Li-TFSI)薄膜的扫描电子显微镜断面图。
图8为实施例6得到的BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th薄膜的扫描电子显微镜断面图。
图9为实施例1得到的BiI3太阳电池的电流-电压特性曲线，器件结构为FTO/TiO2/BiI3/PTB7-Th/Au。
图10为实施例2得到的BiI3太阳电池的电流-电压特性曲线，器件结构为FTO/TiO2/BiI3/Poly-TPD/Au。
图11为实施例3得到的BiI3太阳电池的电流-电压特性曲线，器件结构为FTO/TiO2/BiI3/PBDT-T/Au。
图12为实施例4得到的BiI3太阳电池的电流-电压特性曲线，器件结构为FTO/TiO2/BiI3/MoO3/Au。
图13为实施例5得到的BiI3太阳电池的电流-电压特性曲线，器件结构为FTO/TiO2/BiI3/spiro-OMeTAD/Au。
图14为实施例6得到的BiI3太阳电池的电流-电压特性曲线，器件结构为FTO/TiO2/BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th/Au。
图15为归一化后实例5和实例1得到的BiI3太阳电池的外量子效率曲线，长波处截止边分别约为650nm和750nm，与吸收光谱一致。
图16为实施例1得到的BiI3和BiI3/PTB7-Th薄膜在氮气中放置0天、30天和120天后的吸收光谱。
图17为实施例1和实施例6得到的BiI3、BiI3(Li-TFSI)和BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th薄膜在空气中放置0天、10天和20天后的吸收光谱。
具体实施方式
本发明提供了具有几种不同空穴传输层的BiI3太阳电池的结构和制备方法及一种性能优化方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池，其为n-i-p型BiI3太阳能电池，包括依次层叠顺序相连的衬底、透明导电金属氧化物阴极层、致密TiO2电子传输层、BiI3层、空穴传输层和阳极层，所述BiI3层中掺杂有Li-TFSI实现器件性能的优化，空穴传输层由MoO3或PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T制备而成，其中：
MoO3或PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T作为空穴传输层，制备成五种电池器件结构为：
FTO/TiO2/BiI3/MoO3/Au,FTO/TiO2/BiI3/PTB7-Th/Au,FTO/TiO2/BiI3/spiro-OMeTAD/Au,FTO/TiO2/BiI3/Poly-TPD/Au,FTO/TiO2/BiI3/PBDT-T/Au，其中MoO3是真空蒸镀方法制备的空穴传输层，另外四个是用溶液旋涂法制备的空穴传输层；MoO3是无机物，其他四个是有机物。选择这五种材料是基于他们具有合适的能级，如图1所示。
PTB7-Th的分子结构式为：
spiro-OMeTAD的分子结构式为：
Poly-TPD的分子结构式为：
PBDT-T的分子结构式为：
具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)、在衬底上制备透明导电金属氧化物阴极层：
在衬底上溅射金属氧化物制备得到透明导电金属氧化物阴极层；
(2)、在透明导电金属氧化物阴极层上制备致密TiO2电子传输层：
利用喷涂的方法，将1mL 75wt％的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的异丙醇溶液用9mL无水乙醇稀释后，均匀喷涂在透明导电金属氧化物阴极层上，然后烧结得到致密TiO2电子传输层；
(3)、在致密TiO2电子传输层上制备BiI3层：
在手套箱中将BiI3溶液以及Li-TFSI掺杂的BiI3溶液旋涂在致密TiO2电子传输层上，然后退火处理得到BiI3层，即半导体薄膜层；
(4)、在BiI3层上制备空穴传输层：
在手套箱中将PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T溶液旋涂于BiI3层上得到空穴传输层，或在BiI3层上真空蒸镀MoO3得到空穴传输层；
(5)、在空穴传输层上制备阳极层：
在空穴传输层上真空蒸镀金属电极作为阳极层。
步骤(1)中，衬底为玻璃或聚酯薄膜；金属氧化物优选氟掺杂SnO2。
步骤(2)中，烧结时温度为450℃，烧结时间为30min，烧结结束后自然冷却至室温。
步骤(3)中涉及的BiI3溶液均为浓度为200mg/ml的N,N-二甲基甲酰胺DMF溶液；
步骤(3)中，Li-TFSI掺杂的BiI3溶液制备方法为：
将BiI3和Li-TFSI固体粉末均以200mg/ml溶于N,N-二甲基甲酰胺DMF中，每毫升BiI3溶液中加入20μl的Li-TFSI溶液；两种溶液均需直径22μm的滤头过滤。
步骤(3)中，单纯的BiI3溶液在致密TiO2电子传输层上形成BiI3半导体薄膜层，Li-TFSI掺杂的BiI3溶液在致密TiO2电子传输层上形成Li-TFSI掺杂的BiI3半导体薄膜层，BiI3半导体薄膜层和Li-TFSI掺杂的BiI3半导体薄膜层厚度均为80～100nm，两种BiI3半导体薄膜层旋涂时，旋涂机的转速3000rpm，加速度1500rpm/s，旋涂时间为30s，退火时温度为60℃，退火时间为10min。
步骤(3)和(4)中手套箱中水、氧气浓度均保持在50ppm以下。
步骤(4)中，PTB7-Th、spiro-OMeTAD、PBDT-T的溶剂均为氯苯，Poly-TPD的溶剂为邻二氯苯，PTB7-Th、spiro-OMeTAD、PBDT-T、Poly-TPD溶液的浓度分别对应为6、73.5、6、15mg/ml，旋涂机的转速分别为3000、4000、3000、3000rpm，加速度分别为1500，2000，1500，1500rpm/s，旋涂时间均为30s；
spiro-OMeTAD溶液中需加入添加剂，每毫升spiro-OMeTAD溶液的添加剂为：29μl的TBP，以浓度520mg/ml溶于乙腈的17.5μl锂盐Li-TFSI溶液，以及以浓度300mg/ml溶于乙腈的5μl钴盐FK209溶液；
Poly-TPD和PBDT-T薄膜需要150℃退火30min；PTB7-Th、Poly-TP和PBDT-T溶液最终制备的空穴传输层厚度均为15～25nm；spiro-OMeTAD溶液制备的空穴传输层厚度约为200nm。
步骤(4)中真空蒸镀MoO3得到空穴传输层时，真空蒸镀的压力为5×10-5Pa以下，蒸镀速度为0.1埃/s，空穴传输层厚度为15～25nm。
步骤(5)中真空蒸镀金属电极得到阳极层时，真空蒸镀的压力为5×10-5Pa以下，蒸镀速率的0.1～0.3埃/s，阳极层厚度为30～40nm。
本发明提供了具有几种不同空穴传输层的BiI3太阳电池结构和制备方法。以MoO3，或者几种有机物PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T作为空穴传输层，以致密TiO2作为电子传输层，通过化学溶液法旋涂制备BiI3活性层薄膜。在此基础上，本发明提供了一种器件性能的优化方案：在BiI3中掺入一定浓度的锂盐(Li-TFSI)以达到改善薄膜形貌，提高其载流子迁移率，降低电阻的作用。随后进一步对BiI3薄膜进行观测，从而为其在光电领域，尤其是太阳电池领域的进一步应用提供一定的参考意义。
实施例1(PTB7-Th，做对比例)
将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，每次15min，氮气吹干，放置在平板炉上后，用玻璃片在FTO基底的电极位置作遮挡，升温至450℃，然后在450℃下喷涂二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，空气中450℃热退火30min后自然冷却得到致密TiO2电子传输层。将BiI3固体颗粒以200mg/ml的浓度充分溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，得到前驱体溶液，用直径22μm的滤头进行过滤。在N2手套箱中，将该前驱体溶液以3000rpm的转速1500rpm/s的加速度旋涂30s于致密TiO2上，60℃退火10min，最终得到厚度为80～100nm的BiI3活性层薄膜。将PTB7-Th以6mg/ml的浓度溶解于氯苯中，以3000rpm的转速旋涂于BiI3上，得到厚度为15～25nm的空穴传输层。最后在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为30～40nm的Au做正极。所制得的器件在100mW/cm2的模拟太阳光照射下开路电压为0.349V，短路电流为1.295mA/cm2，填充因子为34.003％，转换效率为0.153％。图9给出了该器件在未经光照射和经100mW/cm2的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。图2给出了上述方法所制备的BiI3和BiI3/PTB7-Th薄膜的紫外-可见光吸收光谱，吸收边分别约为650nm和750nm。图3给出了上述方法制备的BiI3薄膜的扫描电子显微镜图。图6给出了上述方法制备的BiI3薄膜的扫描电子显微镜断面图。图15给出了该器件归一化的外量子效率曲线，长波处截止边约为750nm。图16给出了上述方法制备的BiI3和BiI3/PTB7-Th薄膜在氮气中放置0天、30天和120天后的吸收光谱。图17给出了上述方法制备的BiI3薄膜在空气中放置0天、10天和20天后的吸收光谱。
实施例2(Poly-TPD)
将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，每次15min，氮气吹干，放置在平板炉上后，用玻璃片在FTO基底的电极位置作遮挡，升温至450℃，然后在450℃下喷涂二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，空气中450℃热退火30min后自然冷却得到致密TiO2电子传输层。将BiI3固体颗粒以200mg/ml的浓度充分溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，得到前驱体溶液，用直径22μm的滤头进行过滤。在N2手套箱中，将该前驱体溶液以3000rpm的转速1500rpm/s的加速度旋涂30s于致密TiO2上，60℃退火10min，最终得到厚度为80～100nm的BiI3活性层薄膜。将Poly-TPD以15mg/ml的浓度溶解于邻二氯苯中，以3000rpm的转速旋涂于BiI3上，150℃退火30min，得到厚度为15～25nm的空穴传输层。最后在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为30～40nm的Au做正极。所制得的器件在100mW/cm2的模拟太阳光照射下开路电压为0.164V，短路电流为0.340mA/cm2，填充因子为25.074％，转换效率为0.014％。图10给出了该器件在未经光照射和经100mW/cm2的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。
实施例3(PBDT-T)
将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，每次15min，氮气吹干，放置在平板炉上后，用玻璃片在FTO基底的电极位置作遮挡，升温至450℃，然后在450℃下喷涂二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，空气中450℃热退火30min后自然冷却得到致密TiO2电子传输层。将BiI3固体颗粒以200mg/ml的浓度充分溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，得到前驱体溶液，用直径22μm的滤头进行过滤。在N2手套箱中，将该前驱体溶液以3000rpm的转速1500rpm/s的加速度旋涂30s于致密TiO2上，60℃退火10min，最终得到厚度为80～100nm的BiI3活性层薄膜。将PBDT-T以6mg/ml的浓度溶解于氯苯中，以3000rpm的转速旋涂于BiI3上，150℃退火30min，得到厚度为15～25nm的空穴传输层。最后在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为30～40nm的Au做正极。所制得的器件在100mW/cm2的模拟太阳光照射下开路电压为0.123V，短路电流为1.382mA/cm2，填充因子为24.608％，转换效率为0.042％。图11给出了该器件在未经光照射和经100mW/cm2的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。
实施例4(蒸镀MoO3)
将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，每次15min，氮气吹干，放置在平板炉上后，用玻璃片在FTO基底的电极位置作遮挡，升温至450℃，然后在450℃下喷涂二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，空气中450℃热退火30min后自然冷却得到致密TiO2电子传输层。将BiI3固体颗粒以200mg/ml的浓度充分溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，得到前驱体溶液，用直径22μm的滤头进行过滤。在N2手套箱中，将该前驱体溶液以3000rpm的转速1500rpm/s的加速度旋涂30s于致密TiO2上，60℃退火10min，最终得到厚度为80～100nm的BiI3活性层薄膜。在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为15～25nm厚度的MoO3空穴传输层于BiI3上。最后在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为30～40nm的Au做正极。所制得的器件在100mW/cm2的模拟太阳光照射下开路电压为0.184V，短路电流为0.834mA/cm2，填充因子为30.028％，转换效率为0.046％。图12给出了该器件在未经光照射和经100mW/cm2的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。
实施例5(spiro-OMeTAD)
将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，每次15min，氮气吹干，放置在平板炉上后，用玻璃片在FTO基底的电极位置作遮挡，升温至450℃，然后在450℃下喷涂二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，空气中450℃热退火30min后自然冷却得到致密TiO2电子传输层。将BiI3固体颗粒以200mg/ml的浓度充分溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，得到前驱体溶液，用直径22μm的滤头进行过滤。在N2手套箱中，将该前驱体溶液以3000rpm的转速1500rpm/s的加速度旋涂30s于致密TiO2上，60℃退火10min，最终得到厚度为80～100nm的BiI3活性层薄膜。将spiro-OMeTAD以73.5mg/ml的浓度充分溶解于氯苯中，加入29μl的TBP，17.5μl的锂盐Li-TFSI溶液(520mg/ml溶于乙腈)，以及5μl的钴盐FK209溶液(300mg/ml溶于乙腈)，以4000rpm的转速旋涂于BiI3上得到空穴传输层。最后在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为30～40nm的Au做正极。所制得的器件在100mW/cm2的模拟太阳光照射下开路电压为0.238V，短路电流为3.439mA/cm2，填充因子为28.614％，转换效率为0.234％。图13给出了该器件在未经光照射和经100mW/cm2的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。图15给出了该器件归一化的外量子效率曲线，长波处截止边约为650nm。
实施例6(掺杂Li-TFSI)
将溅射有掺杂氟SnO2(FTO)的透明导电玻璃依次用洗洁精、自来水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗两次，每次15min，氮气吹干，放置在平板炉上后，用玻璃片在FTO基底的电极位置作遮挡，升温至450℃，然后在450℃下喷涂二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，空气中450℃热退火30min后自然冷却得到致密TiO2电子传输层。将BiI3固体颗粒以200mg/ml的浓度充分溶解于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，将Li-TFSI以200mg/ml的浓度溶解在DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，向每毫升BiI3溶液中添加20μl的Li-TFSI溶液，搅拌均匀后用直径22μm的滤头进行过滤。在N2手套箱中，将该前驱体溶液以3000rpm的转速1500rpm/s的加速度旋涂30s于致密TiO2上，60℃退火10min，最终得到厚度为80～100nm的BiI3(Li-TFSI)活性层薄膜。将PTB7-Th以6mg/ml的浓度溶解于氯苯中，以3000rpm的转速旋涂于BiI3(Li-TFSI)上，得到厚度为15～25nm的空穴传输层。最后在5×10-5Pa以下真空蒸镀厚度为30～40nm的Au做正极。所制得的器件在100mW/cm2的模拟太阳光照射下开路电压为0.375V，短路电流为8.160mA/cm2，填充因子为33.171％，转换效率为1.015％。图14给出了该器件在未经光照射和经100mW/cm2的模拟太阳光照射下的电流－电压曲线。图4给出了上述方法制备的BiI3(Li-TFSI)薄膜的扫描电子显微镜图。图5给出了上述方法制备的BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th薄膜的扫描电子显微镜图。图7给出了上述方法制备的BiI3(Li-TFSI)薄膜的扫描电子显微镜断面图。图8给出了上述方法制备的BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th薄膜的扫描电子显微镜断面图。图17给出了上述方法制备的BiI3(Li-TFSI)和BiI3(Li-TFSI)/PTB7-Th薄膜在空气中放置0天、10天和20天后的吸收光谱。

Claims (10)

1.具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池，其特征在于：其为n-i-p型BiI3太阳能电池，包括依次层叠顺序相连的衬底、透明导电金属氧化物阴极层、致密TiO2电子传输层、BiI3层、空穴传输层和阳极层，所述BiI3层中掺杂有Li-TFSI实现器件性能的优化，空穴传输层由MoO3或PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T制备而成，其中：
PTB7-Th的分子结构式为：
spiro-OMeTAD的分子结构式为：
Poly-TPD的分子结构式为：
PBDT-T的分子结构式为：
2.具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、在衬底上制备透明导电金属氧化物阴极层：
在衬底上溅射金属氧化物制备得到透明导电金属氧化物阴极层；
(2)、在透明导电金属氧化物阴极层上制备致密TiO2电子传输层：
利用喷涂的方法，将1mL 75wt％的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的异丙醇溶液用9mL无水乙醇稀释后，均匀喷涂在透明导电金属氧化物阴极层上，然后烧结得到致密TiO2电子传输层；
(3)、在致密TiO2电子传输层上制备BiI3层：
在手套箱中将BiI3溶液以及Li-TFSI掺杂的BiI3溶液旋涂在致密TiO2电子传输层上，然后退火处理得到BiI3层，即半导体薄膜层；
(4)、在BiI3层上制备空穴传输层：
在手套箱中将PTB7-Th或spiro-OMeTAD或Poly-TPD或PBDT-T溶液旋涂于BiI3层上得到空穴传输层，或在BiI3层上真空蒸镀MoO3得到空穴传输层；
(5)、在空穴传输层上制备阳极层：
在空穴传输层上真空蒸镀金属电极作为阳极层。
3.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，衬底为玻璃或聚酯薄膜；金属氧化物优选氟掺杂SnO2。
4.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，烧结时温度为450℃，烧结时间为30min，烧结结束后自然冷却至室温。
5.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中涉及的BiI3溶液均为浓度为200mg/ml的N,N-二甲基甲酰胺DMF溶液；
步骤(3)中，Li-TFSI掺杂的BiI3溶液制备方法为：
将BiI3和Li-TFSI固体粉末均以200mg/ml溶于N,N-二甲基甲酰胺DMF中，每毫升BiI3溶液中加入20μl的Li-TFSI溶液；两种溶液均需直径22μm的滤头过滤。
6.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，单纯的BiI3溶液在致密TiO2电子传输层上形成BiI3半导体薄膜层，Li-TFSI掺杂的BiI3溶液在致密TiO2电子传输层上形成Li-TFSI掺杂的BiI3半导体薄膜层，BiI3半导体薄膜层和Li-TFSI掺杂的BiI3半导体薄膜层厚度均为80～100nm，两种BiI3半导体薄膜层旋涂时，旋涂机的转速3000rpm，加速度1500rpm/s，旋涂时间为30s，退火时温度为60℃，退火时间为10min。
7.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中手套箱中水、氧气浓度均保持在50ppm以下。
8.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，PTB7-Th、spiro-OMeTAD、PBDT-T的溶剂均为氯苯，Poly-TPD的溶剂为邻二氯苯，PTB7-Th、spiro-OMeTAD、PBDT-T、Poly-TPD溶液的浓度分别对应为6、73.5、6、15mg/ml，旋涂机的转速分别为3000、4000、3000、3000rpm，加速度分别为1500，2000，1500，1500rpm/s，旋涂时间均为30s；
spiro-OMeTAD溶液中需加入添加剂，每毫升spiro-OMeTAD溶液的添加剂为：29μl的TBP，以浓度520mg/ml溶于乙腈的17.5μl锂盐Li-TFSI溶液，以及以浓度300mg/ml溶于乙腈的5μl钴盐FK209溶液；
Poly-TPD和PBDT-T薄膜需要150℃退火30min；PTB7-Th、Poly-TP和PBDT-T溶液最终制备的空穴传输层厚度均为15～25nm；spiro-OMeTAD溶液制备的空穴传输层厚度约为200nm。
9.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中真空蒸镀MoO3得到空穴传输层时，真空蒸镀的压力为5×10-5Pa以下，蒸镀速度为0.1埃/s，空穴传输层厚度为15～25nm。
10.根据权利要求2所述的具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中真空蒸镀金属电极得到阳极层时，真空蒸镀的压力为5×10-5Pa以下，蒸镀速率的0.1～0.3埃/s，阳极层厚度为30～40nm。
CN201810336474.1A 2018-04-13 2018-04-13 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法 Expired - Fee Related CN108767112B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810336474.1A CN108767112B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810336474.1A CN108767112B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108767112A true CN108767112A (zh) 2018-11-06
CN108767112B CN108767112B (zh) 2020-01-10

Family

ID=64010877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810336474.1A Expired - Fee Related CN108767112B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108767112B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111370579A (zh) * 2020-03-31 2020-07-03 天津师范大学 一种金属有机杂化钙钛矿铁电体薄膜的制备方法
CN114784195A (zh) * 2022-06-17 2022-07-22 中国长江三峡集团有限公司 一种钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法
CN115884648A (zh) * 2023-03-03 2023-03-31 江西省科学院能源研究所 一种有机硅掺杂空穴传输层及钙钛矿太阳能电池制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105470399A (zh) * 2015-12-25 2016-04-06 西安电子科技大学 基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN106410046A (zh) * 2016-12-12 2017-02-15 吉林大学 一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105470399A (zh) * 2015-12-25 2016-04-06 西安电子科技大学 基于无掺杂有机空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN106410046A (zh) * 2016-12-12 2017-02-15 吉林大学 一种含有疏水性电极修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
UMAR H. HAMDEH等: "Solution-Processed BiI3 Thin Films for Photovoltaic Applications：Improved Carrier Collection via Solvent Annealing", 《CHEMISTRY MATERIALS》 *
UMAR HUSSEIN HAMDEH: "Solution-processed all-inorganic bismuth-triiodide thin-films for photovoltaic application", 《IOWA STATE UNIVERSITY CAPSTONES, THESES AND DISSERTATIONS》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111370579A (zh) * 2020-03-31 2020-07-03 天津师范大学 一种金属有机杂化钙钛矿铁电体薄膜的制备方法
CN111370579B (zh) * 2020-03-31 2023-04-18 天津师范大学 一种金属有机杂化钙钛矿铁电体薄膜的制备方法
CN114784195A (zh) * 2022-06-17 2022-07-22 中国长江三峡集团有限公司 一种钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法
CN115884648A (zh) * 2023-03-03 2023-03-31 江西省科学院能源研究所 一种有机硅掺杂空穴传输层及钙钛矿太阳能电池制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108767112B (zh) 2020-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Highly efficient thermally co-evaporated perovskite solar cells and mini-modules
Zhou et al. Perovskite‐based solar cells: materials, methods, and future perspectives
CN106025085A (zh) 基于Spiro-OMeTAD/CuXS复合空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN107331775B (zh) 一种高质量电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN107240613A (zh) 一种无铅钙钛矿太阳能电池
KR20190043316A (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법
Kim et al. Effects of potassium treatment on SnO2 electron transport layers for improvements of perovskite solar cells
CN109216557A (zh) 一种基于柠檬酸/SnO2电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN108922971B (zh) 一种快速提升基于有机空穴传输层钙钛矿太阳能电池性能的工艺
CN109273612A (zh) CsPbBr3钙钛矿电池的连续气相沉积制备方法
CN113224241A (zh) 钙钛矿太阳能电池及其制备方法
Azam et al. Examining the interfacial defect passivation with chlorinated organic salt for highly efficient and stable perovskite solar cells
CN108767112A (zh) 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法
CN111987221A (zh) 基于空位钙钛矿材料的太阳能电池及制备方法
Wang et al. Aniline Sulfonic Acid Induced Uniform Perovskite Film for Large‐Scale Photovoltaics
Ezike et al. Progress and prospect on stability of perovskite photovoltaics
Bian et al. Efficient CsPbIBr2 perovskite solar cells: precise control of film growth through the application of organic iodized salt and anti-solvent
KR20200034637A (ko) 유-무기 복합 태양전지
CN113972323A (zh) 一种掺杂硫氰酸钠的高效稳定钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN108682740A (zh) 钙钛矿电池及其制备方法
Sulistianto et al. Optimization of rotation speed for CuSCN hole transport layer in perovskite solar cell using spin coating
KR20160127253A (ko) 금속 나노선을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
Hariadi et al. Fabrication of low cost perovskite solar cell under ambient conditions using only spin coating deposition method
CN108023018A (zh) 基于带隙连续可调控的倒置钙钛矿太阳电池的制备方法
Rong et al. Monolithic all-solid-state dye-sensitized solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200110

Termination date: 20200413

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee