CN108832003B - 一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法 - Google Patents

一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，包括以下步骤：步骤a，将次磷酸铵添加到钙钛矿前驱体溶液中，溶解形成混合溶液；步骤b，将步骤a得到的混合溶液旋涂到钙钛矿前驱体基底上，加热形成钙钛矿膜；步骤c，在步骤b得到的钙钛矿膜上旋涂空穴传输层，然后再旋涂一层界面修饰材料，蒸镀金属电极，组装形成钙钛矿太阳能电池器件。本发明的方法可以制得质量优良的钙钛矿薄膜，同时使得其与电极功函数更加匹配，所制得的钙钛矿太阳能电池器件可以获得优异的光电转换效率。

Description

一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法。
背景技术
太阳能的光电转化实现是利用太阳能电池实现的，有机-无机钙钛矿太阳能电池作为新型第三代太阳能电池，发展速度惊人，从2009年到2018年的几年间，光电转化效率快速提升，最新报道已达到22.1％。基于这种材料制备的太阳能电池被称为钙钛矿太阳能电池，简称PSCs。
PSCs根据电子传输层和空穴传输层的相对位置，分为倒置和正置太阳能电池，在倒置电池中，空穴传输材料主要有聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)和聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)，电子传输材料主要有[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)，但在钙钛矿上制备完成的PCBM粗糙度很大，与对电极不能很好的接触，导致电池性能不好。钙钛矿吸光层是太阳能电池中的核心部件，它的薄膜形态和薄膜质量直接关系到光的捕获效率，对电池性能起着决定性作用。
发明内容
为了克服上述技术中在钙钛矿薄膜上制备完成的PCBM粗糙度大，与对电极的接触不好而导致电池性能不好的缺点，制备出性能优异的器件，本发明的目的是提供一种提高钙钛矿太阳能电池电转换效率的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，包括以下步骤：
步骤a，将次磷酸铵添加到钙钛矿前驱体溶液中，溶解形成混合溶液；
步骤b，将步骤a得到的混合溶液旋涂到钙钛矿前驱体基底上，加热形成钙钛矿膜；
步骤c，在步骤b得到的钙钛矿膜上旋涂空穴传输层，然后再旋涂一层界面修饰材料，蒸镀金属电极，组装形成钙钛矿太阳能电池器件。
所述次磷酸铵分子式为NH3·H3PO2，其在混合溶液中的浓度为2.5mg/mL。
所述钙钛矿前驱体溶液为CH3NH3I溶液。
所述钙钛矿前驱体基底为ITO/PEDOT:PSS/PbI2基底。
所述的界面修饰材料为两亲性界面修饰材料TrNBr。
所述两亲性界面修饰材料TrNBr，该材料已在文献“Wei Dong.Xu,Wen Yong.Laietc.ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,452”中公开，具有如下式1所示的结构通式：
Figure BDA0001696229330000021
所述步骤b中，加热的条件为：在100℃加热50～60min，环境为超净室，湿度为30％～40％。
所述步骤c得到的钙钛矿太阳能电池器件的结构为：ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr/Ag。
有益效果：本发明的方法产生的有益效果为：1)用次磷酸铵掺杂到钙钛矿前驱体溶液中，改善钙钛矿薄膜形貌，提高了太阳能电池的光电转化效率和填充因子；2)用两亲性界面修饰材料TrNBr，改善了电子传输层与金属电极与接触和能级匹配，提高了电池的光电转换效率和开路电压；3)本发明的方法可以制得质量优良的钙钛矿薄膜，同时使得其与电极功函数更加匹配，所制得的钙钛矿太阳能电池器件可以获得优异的光电转换效率。
附图说明
图1为钙钛矿薄膜SEM形貌图：(a)前驱体没加次磷酸铵；(b)前驱体添加次磷酸铵；
图2为前驱体溶液MAI中未添加和添加AHP条件下的器件J-V特性曲线；
图3为两亲性材料TrNBr不同浓度下的器件J-V特性曲线。
具体实施方式
本发明的一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，包括以下步骤：
步骤a，将次磷酸铵添加到钙钛矿前驱体溶液中，溶解形成混合溶液；
步骤b，将步骤a得到的混合溶液旋涂到钙钛矿前驱体基底上，加热形成钙钛矿膜；
步骤c，在步骤b得到的钙钛矿膜上旋涂空穴传输层，然后再旋涂一层界面修饰材料，蒸镀金属电极，组装形成钙钛矿太阳能电池器件。
其中，次磷酸铵分子式为NH3·H3PO2；钙钛矿前驱体溶液为CH3NH3I(MAI)溶液；钙钛矿前驱体基底为ITO/PEDOT:PSS/PbI2基底。阴极界面修饰材料为两亲性界面修饰材料TrNBr，该材料已在文献“Wei Dong.Xu,Wen Yong.Lai etc.ACS Appl.Mater.Interfaces2015,7,452”中公开，具有如下式1所示的结构通式：
Figure BDA0001696229330000031
钙钛矿太阳能电池器件的结构为：ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr/Ag；通过对电子传输层的界面修饰和钙钛矿层的薄膜质量优化来提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率。
以下通过若干实施例对本发明做进一步说明，根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
下述实施例中：
ITO：氧化铟锡；
DMF：二甲基甲酰胺；
MAI：CH3NH3I；
AHP：次磷酸铵；
IPA：异丙醇；
PC61BM：6,6-苯基-C61丁酸甲酯；
CB：氯苯。
实施例1
本实施例的步骤如下：
(1)将刻蚀好的ITO(氧化铟锡)导电玻璃清洗，然后用氮气吹干，得到干净的ITO基片；
(2)将商用的PEDOT:PSS(4038)旋涂到ITO基片上，退火，基片记为ITO/PEDOT:PSS；
(3)钙钛矿前驱体溶液PbI2的配置：向PbI2粉体中加入DMF(二甲基甲酰胺)溶液，PbI2粉体与DMF的固液比为416mg/mL；
(4)纯的MAI和掺有AHP(次磷酸铵)的钙钛矿前驱体溶液MAI的制备：
(4.1)向IPA中加入MAI粉体，待搅拌均匀即得到纯的MAI溶液；其中，MAI粉体与IPA的固液比为45mg/mL；
(4.2)向IPA中加入AHP粉体，待搅拌均匀后将含有AHP的IPA溶液加入到MAI粉体中，搅拌均匀，即得到掺有AHP的钙钛矿前驱体MAI溶液；其中，AHP粉体和IPA的固液比2.5mg/mL，MAI粉体与IPA的固液比为45mg/mL；
(5)将步骤(3)配置的溶液在70℃的条件旋涂到步骤(2)得到的基片上，然后加热会，得到的基片记为ITO/PEDOT:PSS/PbI2；
(6)将步骤(4)配置的溶液在常温的条件旋涂到步骤(5)得到的基片上，然后加热一个小时，得到的基片记为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3；
(7)电子传输层溶液的制备：向PC61BM(6,6-苯基-C61丁酸甲酯)粉体中加入CB(氯苯)，待搅拌均匀后即得电子传输层溶液；
(8)界面修饰材料TrNBr溶液的制备：将TrNBr粉体加入IPA中，待搅拌均匀后即得界面修饰材料TrNBr的溶液；
(9)将步骤(7)配置的溶液在常温的条件下旋涂到到步骤(6)得到的基片上；然后加热，得到的基片记为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC61BM；
(10)将步骤(8)配置的溶液在常温的条件下旋涂到到步骤(9)得到的基片上；然后加热，得到的基片记为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr；
(11)将步骤(10)得到的基片在真空环境下蒸镀一层银电极即完成电池制作，最终得到钙钛矿太阳能电池，记为ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr/Ag。
实施例2
将步骤(4)中配置的纯的MAI溶液旋涂到步骤(5)得到的基片上，得到步骤(6)中的基片，步骤中(8)和(10)在本实施例中不做。
实施例3
将步骤(4)中配置的添加有AHP的MAI溶液旋涂到步骤(5)得到的基片上，得到步骤(6)中的基片，步骤中(8)和(10)在本实施例中不做。
实施例4
将步骤(4)中配置的添加有AHP的MAI溶液旋涂到步骤(5)得到的基片上，得到步骤(6)中的基片，步骤中(8)两亲性材料作为修饰层浓度分别为2.5mg/mL、1.5mg/mL、1mg/mL、0.5mg/mL。
实施例5
将步骤(4)中配置的添加有AHP的MAI溶液旋涂到步骤(5)得到的基片上，得到步骤(6)中的基片，步骤中(8)两亲性材料作为修饰层浓度分别为0.2mg/mL、0.4mg/mL、0.5mg/mL、0.7mg/mL。
上述实施例1-5中，
步骤(1)中ITO导电玻璃清洗时，依次在去离子水、丙酮、无水乙醇中各超声清洗5-20分钟。
步骤(2)中旋涂时的具体操作是将基片放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶10-50秒；步骤(5)中匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步骤(6)中匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒；步骤(8)中匀胶时的具体操作是放置到匀胶机上以每分钟4000转匀胶20～30秒。
步骤(2)中的退火是在120℃下退火15-30min；步骤(5)中的退火是在70℃下退火4～10min；步骤(6)中的退火是在100℃下退火60min；步骤(8)中的退火是在90℃下退火4～10min。
作为本发明优选的技术方案，钙钛矿层在制备时，在前驱体溶液MAI中添加次磷酸铵，优选浓度为2.5mg/mL。
作为本发明优选的技术方案，电子传输层和电极之间加入一层修饰材料，优选浓度为0.7mg/mL。
标准太阳光照(AM 1.5G，100mW/cm2)下基于不同修饰方式的钙钛矿太阳能电池的光电特性参数如表1所示。
表1
Figure BDA0001696229330000061
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a，将次磷酸铵添加到钙钛矿前驱体溶液中，溶解形成混合溶液；
步骤b，将步骤a得到的混合溶液旋涂到钙钛矿前驱体基底上，加热形成钙钛矿膜；
步骤c，在步骤b得到的钙钛矿膜上旋涂空穴传输层，然后再旋涂一层两亲性界面修饰材料TrNBr，蒸镀金属电极，组装形成钙钛矿太阳能电池器件，得到的钙钛矿太阳能电池器件的结构为：ITO/PEDOT:PSS/ CH3NH3PbI3/PC61BM/TrNBr/Ag。
2.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述次磷酸铵分子式为NH3·H3PO2，其在混合溶液中的浓度为2.5 mg/mL。
3.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述钙钛矿前驱体溶液为CH3NH3I溶液。
4.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述钙钛矿前驱体基底为ITO/PEDOT:PSS/PbI2基底。
5.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述两亲性界面修饰材料TrNBr，具有如下式1所示的结构通式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式 1。
6.根据权利要求1所述的提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的方法，其特征在于：所述步骤b中，加热的条件为：在100℃加热50~60 min，环境为超净室，湿度为30%~40%。
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