CN108767117B - 一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。由ITO导电玻璃衬底、PEDOT:PSS空穴传输层、碳量子点掺杂反溶剂钙钛矿活性层、C60/BCP复合电子传输层、Ag阳极组成，且在钙钛矿活性层的制备过程中滴加碳量子点掺杂的甲苯反溶剂。本发明通过水热方法合成环保型碳量子点材料，将该碳量子点材料掺杂进入甲苯反溶剂中，在钙钛矿活性层旋涂生长过程中，利用反溶剂清洗在钙钛矿薄膜内引入一定量的碳量子点材料，利用碳量子点钝化晶界缺陷，消除薄膜内离子运输，进而消除光浸润现象。同时，利用碳量子点材料高的导电性提高钙钛矿薄膜导电能力，提高载流子传输，进而提高器件性能。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池起源于传统敏化太阳能电池，具有清洁、便于应用、制造成本低和效率高等显著优点，尽管钙钛矿太阳能电池已经实现较大的能量转换效率，晶粒间隙的存在使得离子传输造成光浸润现象，因此阻碍了电池中电荷传输，影响其性能提高。世界各地的研究人员尝试通过各种方法解决这一问题，例如，加入PCBM修饰层，蒸镀钝化材料等，这些方法尽管一定层度上提高器件性能，但高的成本或者复杂的蒸镀过程难以进行大规模商业化生产。而在本发明中通过简单水热方法合成低成本环保型碳量子点材料，将其掺杂进入钙钛矿电池制备过程中的反溶剂中，通过反溶剂处理，钝化钙钛矿层晶界缺陷，提高载流子传输，进而提高钙钛矿电池性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明所述的一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：从下至上，依次由ITO导电玻璃衬底、PEDOT:PSS空穴传输层、碳量子点掺杂反溶剂钙钛矿活性层、C60/BCP复合电子传输层、Ag阳极组成，即结构为玻璃/ITO/PEDOT：PSS/钙钛矿/C60/BCP/Ag，在钙钛矿活性层的制备过程中滴加碳量子点掺杂的甲苯反溶剂。
本发明通过简单的水热方法合成环保型碳量子点材料，将该碳量子点材料掺杂进入甲苯反溶剂中，在钙钛矿活性层旋涂生长过程中，利用反溶剂清洗在钙钛矿薄膜内引入一定量的碳量子点材料，利用碳量子点钝化晶界缺陷，消除晶界之间离子运输的发生，进而消除光浸润现象。同时，利用碳量子点材料高的导电性提高钙钛矿薄膜导电能力，提高载流子传输，进而提高器件性能。其中，钙钛矿活性层的厚度为250～350nm，碳量子点的尺寸为6～9nm。
本发明所述的一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池的制备方法。包括：1、碳量子点合成；2、PEDOT：PSS空穴传输层的制备；3、钙钛矿活性层的制备；4、C60/BCP电子传输层的制备；5、Ag电极的制备。
具体步骤为：
1)碳量子点掺杂的甲苯反溶剂的制备
室温下，将2.5～3.5g柠檬酸与5～7g尿素加入5～15mL超纯水中，在400～600rpm的搅拌速度下搅拌1～3h，再超声搅拌20～40min至形成溶液；将过滤后得到的透明澄清溶液在500～900W微波条件下反应4～10min，反应后的溶液变为棕色，将该棕色溶液在55～65℃温度下旋转蒸发5～8h，然后再在-80～-50℃条件下冷冻干燥45～50小时；
将上一步产物加入到25～35mL、100mg/mL的KOH水溶液中，搅拌25～35min，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；然后向所得沉淀物中加入8～12mL水，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；重复向所得沉淀物中加入水然后离心操作1～2次，最后在-80～-50℃条件下冷冻干燥45～50小时；
将上一步产物80～120mg加入到15～25mL、5wt％的HCl溶液中，搅拌25～35min，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；然后向所得沉淀物中加入8～12mL水，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；重复向所得沉淀物中加入水然后离心操作1～2次，最后在-80～-50℃条件下冷冻干燥45～50小时，从而得到尺寸为6～9nm的碳量子点；
将80～120mg碳量子点加入到80～120mL甲苯溶液中，室温搅拌10～14h，得到碳量子点掺杂的甲苯反溶剂。
2)衬底的处理
将ITO导电玻璃衬底分别用洗涤剂、丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗10～20分钟，清洗后用氮气吹干；
3)空穴传输层的制备
将PEDOT:PSS溶胶用0.22μm过滤头过滤，将清洗过后的ITO导电玻璃衬底在3000～5000rpm条件下旋涂PEDOT:PSS溶胶40～60s，然后将带有PEDOT:PSS溶胶的ITO导电玻璃衬底在130～150℃条件下退火10～20min，从而在ITO导电玻璃衬底上得到PEDOT:PSS空穴传输层，厚度为10～20nm；
4)钙钛矿活性层的制备
a，活性层溶液的配制
室温条件下，将450～500mg商用碘化铅PdI2与150～200mg甲基碘化胺MAI(摩尔比为1：1～1.4)溶于0.5～1.5mL DMF中，然后在400～600rpm的搅拌速度下搅拌10～14h，得到钙钛矿活性层溶液；
b，钙钛矿活性层的制备
在3000～5000rpm条件下，在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂活性层溶液25～35s得到厚度为250～350nm的钙钛矿活性层，在活性层旋转开始的第5～7s向活性层上滴加300～700uL步骤1)得到的碳量子点掺杂的甲苯反溶剂；
5)C60/BCP电子传输层的制备
在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在钙钛矿活性层上蒸镀25～35nm厚的C60，生长速度为
然后蒸镀5～8nm厚的浴铜灵(BCP)，生长速率为
从而得到C60/BCP电子传输层；
6)Ag电极制备
在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下，在C60/BCP电子传输层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为80～120nm，生长速度为从而得到本发明所述的基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
图1：本发明所述有机太阳能电池的结构示意图；
图2：本发明制备的基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池(本发明所述器件)与反溶剂未经碳点掺杂的钙钛矿太阳能电池(传统器件)的光电流曲线；
如图1所示，本发明所述有机太阳能电池的结构示意图，1为玻璃，2为ITO，3为PEDOT:PSS空穴传输层，4为钙钛矿活性层，5为C60层，6为BCP层，7为Ag电极。
如图2所示，在100mw/cm2的太阳光模拟器光照下测得了I-V特性曲线，曲线A为传统器件，曲线B为本发明所述器件。图2结果说明本发明制备的钙钛矿太阳能电池与传统太阳能电池光电流曲线的对比，其电池短路电流、填充因子、能量转换效率明显提高。
具体实施方式
实施例1
1)碳量子点的合成。
室温下，将3g柠檬酸与6g尿素加入10mL超纯水中，在500rpm的搅拌速度下搅拌2h，超声搅拌30min至形成溶液，过滤后得透明澄清溶液，将溶液转移至650W微波炉中加热反应6min，反应后的溶液变为棕色，将溶液转移到旋转蒸发台里，在60℃温度下旋转蒸发6h，待溶液蒸发接近干燥，转入冷冻干燥器，-60°冷冻干燥48小时；
将上一步产物加入30mL浓度100mg/mL的KOH水溶液中，搅拌30min，在15000r/min转速下离心15min，然后加入10mL水，在15000r/min转速下离心15min，向沉淀物中重复加入10mL水，在15000r/min转速下离心15min，最后将产物转入冷冻干燥器，-60°条件下冷冻干燥48小时；
将上一步产物取100mg加入10mL质量分数5wt％的HCl溶液中，搅拌30min，在13000r/min转速下离心15min，然后加入10mL水，在15000r/min转速下离心15min,向沉淀物中重复加入10mL水，在15000r/min转速下离心15min，将产物转入冷冻干燥器，-60°条件下冷冻干燥48小时得到碳量子点，量子点尺寸约7nm。
将100mg上一步得到的碳量子点加入到100mL甲苯溶液中，室温搅拌12h得到碳量子点掺杂的甲苯反溶剂。
2)衬底的处理
将ITO导电玻璃衬底分别用洗涤剂、丙酮、异丙醇，去离子水分别超声清洗15分钟，清洗后用氮气吹干；
3)空穴传输层的制备
将PEDOT:PSS溶胶用0.22μm过滤头过滤，将清洗过后的ITO导电玻璃衬底放入匀胶机，4000rpm旋涂50s，然后将带有PEDOT:PSS溶胶的ITO导电玻璃衬底在140℃条件下退火15min，即在ITO导电玻璃上制得PEDOT:PSS空穴传输层，厚度为20nm；
4)钙钛矿活性层的制备
a，活性层溶液的配制
室温条件下，将462mg商用碘化铅PdI2材料与159mg甲基碘化胺MAI(摩尔比为1：1)溶于1mL DMF中，然后在500rpm的搅拌速度下搅拌12h，即配置成活性层溶液；
b，活性层的制备
匀胶机设定转速4000rpm，时间设定30s，在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂活性层溶液制备活性层，在旋转开始的第6s滴加500uL碳量子点掺杂的甲苯反溶剂，制得的钙钛矿活性层的厚度为300nm；
5)C60/BCP电子传输层的制备
在压强为1×10-5Pa条件下，在钙钛矿层上蒸镀30nm的C60，生长速度为
接着蒸镀6nm的BCP，生长速率为0.1/s。
6)Ag电极制备
在压强为1×10-5Pa条件下，在BCP层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为100nm，生长速度为3A/s，进而制备得到本发明所述的太阳能电池。
Claims (2)
1.一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其步骤如下的：
1)碳量子点掺杂的甲苯反溶剂的制备
将80～120mg、尺寸为6～9nm的碳量子点加入到80～120mL甲苯溶液中，室温搅拌10～14h，得到碳量子点掺杂的甲苯反溶剂；
碳量子点的制备步骤如下，
①室温下，将2.5～3.5g柠檬酸与5～7g尿素加入5～15mL超纯水中，在400～600rpm的搅拌速度下搅拌1～3h，再超声搅拌20～40min至形成溶液；将过滤后得到的透明澄清溶液在500～900W微波条件下反应4～10min，反应后的溶液变为棕色，将该棕色溶液在55～65℃温度下旋转蒸发5～8h，然后再在-80～-50℃条件下冷冻干燥45～50小时；
②将步骤①产物加入到25～35mL、100mg/mL的KOH水溶液中，搅拌25～35min，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；然后向所得沉淀物中加入8～12mL水，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；重复向所得沉淀物中加入水然后离心操作1～2次，最后在-80～-50℃条件下冷冻干燥45～50小时；
③将步骤②产物80～120mg加入到15～25mL、5wt％的HCl溶液中，搅拌25～35min，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；然后向所得沉淀物中加入8～12mL水，在12000～16000r/min转速下离心13～17min；重复向所得沉淀物中加入水然后离心操作1～2次，最后在-80～-50℃条件下冷冻干燥45～50小时，从而得到尺寸为6～9nm的碳量子点；
2)衬底的处理
将ITO导电玻璃衬底分别用洗涤剂、丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗10～20分钟，清洗后用氮气吹干；
3)空穴传输层的制备
将PEDOT:PSS溶胶用0.22μm过滤头过滤，将清洗过后的ITO导电玻璃衬底在3000～5000rpm条件下旋涂PEDOT:PSS溶胶40～60s，然后将带有PEDOT:PSS溶胶的ITO导电玻璃衬底在130～150℃条件下退火10～20min，从而在ITO导电玻璃衬底上得到PEDOT:PSS空穴传输层，厚度为10～20nm；
4)钙钛矿活性层的制备
在3000～5000rpm条件下，在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂钙钛矿活性层溶液25～35s得到厚度为250～350nm的钙钛矿活性层，在活性层旋转开始的第5～7s向活性层上滴加300～700uL步骤1)得到的碳量子点掺杂的甲苯反溶剂；
钙钛矿活性层溶液的制备是在室温条件下，将450～500mg碘化铅与150～200mg甲基碘化胺溶于0.5～1.5mL DMF中，然后在400～600rpm的搅拌速度下搅拌10～14h，制备得到钙钛矿活性层溶液；
5)C60/BCP电子传输层的制备
在压强为1×10-4～1×10-5Pa条件下，在钙钛矿活性层上蒸镀25～35nm厚的C60，生长速度为
然后蒸镀5～8nm厚的浴铜灵，生长速率为
从而得到C60/BCP电子传输层；
6)Ag电极制备
在压强为1×10-5～1×10-3Pa条件下，在C60/BCP电子传输层上蒸镀Ag电极，厚度为80～120nm，生长速度为
从而得到基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池。
2.一种基于碳量子点掺杂反溶剂钝化晶界缺陷的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：是由权利要求1所述的方法制备得到。
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