CN108987584A - 钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，钙钛矿太阳能电池包括将ZnO前驱体旋涂至透明导电电极的表面，从而形成电子传输层；在所述电子传输层上形成吸收层，形成所述吸收层包括：将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中，然后加入异硫氰酸胍，搅拌溶解，随后将PbI2与异硫氰酸胍的混合溶液旋涂到所述电子传输层上，进行第一烘烤，之后浸入CH3NH3I的异丙醇(IPA)溶液中，进而第二烘烤；在所述吸收层上形成空穴传输层；在所述空穴传输层上形成金属电极。本发明提供的钙钛矿太阳能电池优化了太阳能电池的稳定性、改善了太阳能电池的迟滞效应。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及电池领域，更具体地，涉及钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机-无机卤素杂化钙钛矿(ABX3)因其具有优异的光吸收性能(400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子)、长程载流子扩散性能(甲胺碘酸铅载流子有效扩散长度超过了1μm)、光电转换过程中能量损失小(约为0.4eV)的特点，同时具有工艺简单、成本低廉等独特优势，在太阳能电池领域受到了学术界和产业界的广泛关注。自2009年基于ABX3的钙钛矿天阳能电池问世以来，其转换效率从最初的3.8％在短短几年时间内超过22％，逼近可商业化的水平。
钙钛矿太阳能电池在电池效率、器件结构和制备方法上有了显著进步和迅速发展，但是钙钛矿电池普遍存在稳定性差的问题。同时，电池在扫描过程中出现的回滞效应也是另一个亟待解决的问题。实验表明迟滞效应主要是由钙钛矿层中的离子迁移效应造成的，因此提高钙钛矿薄膜的结晶性与致密度、钝化晶界可减小回滞效应。
发明内容
本发明提供了一种胍盐与硫氰根双掺杂的平面结构钙钛矿太阳能电池及其制备方法，不仅提高了钙钛矿薄膜结晶性能及电池效率，同时优化了太阳能电池的稳定性、改善了太阳能电池的迟滞效应。
本发明提供了一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括：将ZnO前驱体旋涂至透明导电电极的表面，从而形成电子传输层；在所述电子传输层上形成吸收层，形成所述吸收层包括：将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中，然后加入异硫氰酸胍，搅拌溶解，随后将PbI2与异硫氰酸胍的混合溶液旋涂到所述电子传输层上，进行第一烘烤，之后浸入CH3NH3I的异丙醇(IPA)溶液中，进而第二烘烤；在所述吸收层上形成空穴传输层；在所述空穴传输层上形成金属电极。
在上述方法中，其中，所述ZnO前驱体通过以下步骤制得：将0.59g的二水醋酸锌溶于25mL甲醇中，并于65℃水浴锅中搅拌溶解。将0.296g氢氧化钾溶于13mL甲醇溶液中常温搅拌溶解。将溶解的KOH溶液逐滴加入醋酸锌溶液中，持续反应2.5小时，过滤干燥。
在上述方法中，其中，在二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中，二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的体积比为90:10～70:30。
在上述方法中，其中，所述第一烘烤为在60℃、80℃、100℃依次烘烤5分钟。
在上述方法中，其中，所述第二烘烤为在80～100℃烘烤5～10分钟。
在上述方法中，其中，PbI2在二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中的浓度为1.1M。
在上述方法中，其中，所述异硫氰酸胍与PbI2的摩尔比为1～4:50。
在上述方法中，其中，在CH3NH3I的异丙醇(IPA)溶液中，CH3NH3I的浓度为10mg/ml。
在上述方法中，其中，所述透明导电电极为FTO导电玻璃，所述空穴传输层包括Sprio-OMeTAD，所述金属电极包括Au电极。
本发明还提供了通过上述方法制备的钙钛矿太阳能电池。
相比于现有技术，本发明提供的一种胍盐掺杂的高效钙钛矿天阳能电池的制备方法，具有以下优点和有益效果：
(1)该方法属于溶液法，操作简单，容易控制，且整个平面结构的钙钛矿电池都是在低温下制备的，最高热处理温度不超过200℃。
(2)通过引入胍盐与硫氰根离子有效提高了钙钛矿电池的光电效率。
(3)胍盐与硫氰根离子的引入也大幅度提高电池的稳定性：未添加硫氰胍的钙钛矿电池经过放置624小时后，电池效率下降到初始值的约50％；而添加硫氰胍的电池经过相同老化时间后，仍可保持初始效率的80％。
(4)胍盐与硫氰根离子的引入同时明显改善电池的回滞现象。未添加硫氰胍的钙钛矿电池正反扫的效率差别为5.05％；而添加硫氰胍的电池正反扫的效率差减小至3.09％。
附图说明
图1中的(a)和(b)分别为对比例与实施例1所制备的硫氰胍掺杂钙钛矿薄膜的表面SEM图。
图2为对比例与实施例1所制备的钙钛矿电池的J-V曲线。其中(a)为对比例未掺杂钙钛矿电池的J-V曲线，(b)为实施例1所制备的硫氰胍掺杂钙钛电池的J-V曲线。
图3为对比例与实施例1所制备的钙钛矿电池的外量子效率曲线。其中(a)为对比例未掺杂钙钛矿电池的外量子效率曲线，(b)为实施例1所制备的硫氰胍掺杂钙钛电池的外量子效率曲线。
图4为对比例与实施例1所制备的钙钛矿电池正扫和反扫的J-V曲线。其中(a)为对比例未掺杂钙钛矿电池正扫和反扫的J-V曲线，(b)为实施例1所制备的硫氰胍掺杂钙钛电池正扫和反扫的J-V曲线。
图5为对比例与实施例1所制备的钙钛矿电池在624小时内的老化曲线。其中(a)为对比例未掺杂钙钛矿电池的老化曲线，(b)为实施例1所制备的硫氰胍掺杂钙钛电池的老化曲线。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。以下实施例中的％在没有特别说明的情况下，均指的是质量百分比。
胍盐中含有偶极矩近乎为0的有机大分子(C(NH2)3 +)，其在钙钛矿结构中会形成较小的偶极矩，不仅有利于提高钙钛矿的对称性、光电转换效率，同时还有改善太阳能电池的稳定性。另一方面，硫氰根(SCN-)离子半径与I-接近，且SCN与钙钛矿中Pb离子的相互作用比I-Pb之间的作用更强，SCN在钙钛矿中可使其具有更强的稳定性。采用SCN掺杂的钙钛矿，部分取代CH3NH3PbI3中的I-，获得了光电转换效率为16.92％的钙钛矿电池，且电池稳定性与CH3NH3PbI3电池相比有所提高。
本发明提供的平面异质结钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极。其中，电子传输层为ZnO致密层，钙钛矿光吸收层的材料为胍盐和硫氰根双掺杂的钙钛矿材料。
透明导电电极为FTO导电玻璃，空穴传输层材料为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)，金属电极可以为Au。
上述太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将透明导电电极(厚度为100～120nm)经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，氧等离子处理；
(2)采用旋涂工艺将ZnO前驱体以500-800rpm/6s和2000-4000rpm/30s的转速与时间(即，先以500-800rpm旋转6s，之后以2000-4000rpm旋转30s)旋涂至透明导电电极表面，在150℃烘烤10min，自然冷却至室温。重复此步骤4次，制得电子传输层，厚度为20～40nm。其中，ZnO前驱体通过以下步骤制得：将0.59g的二水醋酸锌溶于25mL甲醇中，并于65℃水浴锅中搅拌溶解。将0.296g氢氧化钾溶于13mL甲醇溶液中常温搅拌溶解。将溶解的KOH溶液逐滴加入醋酸锌溶液中，持续反应2.5小时。反应结束后，过滤干燥。
(3)采用两步法制备钙钛矿层。将异硫酸氰胍(GITC)与PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液(DMF与DMSO的体积比为90:10～70:30)中制成1.1M的混合溶液，85℃加热搅拌溶解。随后将其旋涂到步骤(2)的电子传输层上。采用逐步加热的方法，在50～100℃依次烘烤5分钟。
(4)将步骤(3)所得样品置于CH3NH3I/异丙醇(IPA)溶液中浸泡3～10分钟，随后在80～100℃的热台上烘烤5～10分钟，得到GITC掺杂的钙钛矿薄膜。
(5)在步骤(4)制得的GITC掺杂的钙钛矿层上制备空穴传输层。将Sprio-OMeTAD粉末溶于1～2mL氯苯溶液中，然后加入10～20mL的4-叔丁基吡啶和锂盐溶液获得Sprio-OMeTAD溶液。将其旋涂至步骤(4)所得的钙钛矿层上，得到空穴传输层，厚度为20～40nm。
(6)采用热蒸发法在步骤(5)所制得的样品上蒸镀一层金属电极(例如，金电极，厚度为60～120nm)，即得到钙钛矿太阳能电池。
下面结合具体的实施例进行说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明。
对比例
(1)将透明导电电极(FTO导电玻璃)经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，氧等离子处理，处理干净即可；
(2)采用旋涂工艺将ZnO前驱体以500rpm/6s和3000rpm/30s的转速与时间旋涂至透明导电电极表面，在150℃烘烤10min，自然冷却至室温。重复此步骤4次。
(3)采用两步法制备钙钛矿层。将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)(体积比:DMF/DMSO＝90/10)制成1.1M的混合溶液，85℃加热搅拌溶解。随后将其旋涂到步骤(2)的电子传输层上。并采用逐步加热的方法，在60℃、80℃、100℃依次烘烤5分钟。
(4)将步骤(3)所得样品置于10mg/mL的CH3NH3I/异丙醇(IPA)溶液中浸泡5分钟，随后在85℃的热台上烘烤5分钟，得到钙钛矿薄膜。
(5)在步骤(4)制得的异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿层上制备空穴传输层。将72.3mgSprio-OMeTAD粉末溶于1mL氯苯溶液中，将52mg锂盐溶于100μL乙腈，与17.5mL的4-叔丁基吡啶一并加入上述氯苯溶液中，然后将其旋涂至步骤(4)所得的钙钛矿层上。
(6)采用热蒸发法在步骤(5)所制得的样品上蒸镀一层约80nm的金电极，即得到钙钛矿太阳能电池。
本对比例所制备的钙钛矿薄膜表面的SEM照片如图1的(a)所示，钙钛矿晶粒之间有明显间隙与孔洞。
在标准测试条件(AM1.5G光照)下，本对比例所制备的电池器件光电转换效率为15.24％，填充因子为73.04％，开路电压为1.04V，短路电流密度为19.62mA/cm2,J-V曲线如图2的(a)所示，外量子效率如图3的(a)所示。电池正扫和反扫的J-V曲线如图4的(a)所示，效率差为5.05％。电池放置624小时后，电池的老化曲线如图5的(a)所示，效率降为原来的58％。
实施例1
(1)将透明导电电极(FTO导电玻璃)经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，氧等离子处理，处理干净即可；
(2)采用旋涂工艺将ZnO前驱体以500rpm/6s，3000rpm/30s的转速与时间旋涂至透明导电电极表面，在150℃烘烤10min，自然冷却至室温。重复此步骤4次。
(3)采用两步法制备钙钛矿层。将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)(体积比:DMF/DMSO＝90/10)制成1.1M的混合溶液，然后在该溶液中添加异硫氰酸胍，其添加量与的PbI2摩尔比为5％，随后85℃加热搅拌溶解。再将其旋涂到步骤(2)的电子传输层上。并采用逐步加热的方法，在60℃、80℃、100℃依次烘烤5分钟。
(4)将步骤(3)所得样品置于10mg/mL的CH3NH3I/异丙醇(IPA)溶液中浸泡5分钟，随后在85℃的热台上烘烤5分钟，得到异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿薄膜。
(5)在步骤(4)制得的异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿层上制备空穴传输层。将72.3mgSprio-OMeTAD粉末溶于1mL氯苯溶液中，将52mg锂盐溶于100μL乙腈，与17.5mL的4-叔丁基吡啶一并加入上述氯苯溶液中，然后将其旋涂至步骤(4)所得的钙钛矿层上。
(6)采用热蒸发法在步骤(5)所制得的样品上蒸镀一层约80nm的金电极，即得到钙钛矿太阳能电池。
本实施例所制备的钙钛矿薄膜表面的SEM照片如图1的(b)所示，钙钛矿晶粒平整、致密，无明显孔洞或空隙。
在标准测试条件(AM1.5G光照)下，本实施例所制备的电池器件光电转换效率为16.92％，填充因子为75.18％，开路电压为1.10V，短路电流密度为21.66mA/cm2,J-V曲线如图2的(b)所示，外量子效率如图3的(b)所示。电池正扫和反扫的J-V曲线如图4的(b)所示，效率差为3.09％。电池放置624小时后，电池的老化曲线如图5的(b)所示，效率可保持原来的82％。
实施例2
(1)将透明导电电极(FTO导电玻璃)经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，氧等离子处理，处理干净即可；
(2)采用旋涂工艺将ZnO前驱体以500rpm/6s，3000rpm/30s的转速是时间旋凃至透明导电电极表面，在150℃烘烤10min，自然冷却至室温。重复此步骤4次。
(3)采用两步法制备钙钛矿层。将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)(体积比：DMF/DMSO＝90/10)制成1.1M的混合溶液，然后在该溶液中添加异硫氰酸胍，其添加量与的PbI2摩尔比为2％，随后85℃加热搅拌溶解。再将其旋涂到步骤(2)的电子传输层上。并采用逐步加热的方法，在60℃、80℃、100℃依次烘烤5分钟。
(4)将步骤(3)所得样品置于10mg/mL的CH3NH3I/异丙醇(IPA)溶液中浸泡5分钟，随后在85℃的热台上烘烤5分钟，得到异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿薄膜。
(5)在步骤(4)制得的异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿层上制备空穴传输层。将72.3mgSprio-OMeTAD粉末溶于1mL氯苯溶液中，将52mg锂盐溶于100μL乙腈，与17.5mL的4-叔丁基吡啶一并加入上述氯苯溶液中，然后将其旋涂至步骤(4)所得的钙钛矿层上。
(6)采用热蒸发法在步骤(5)所制得的样品上蒸镀一层约80nm的金电极，即得到钙钛矿太阳能电池。
在标准测试条件(AM1.5G光照)下，本实施例所制备的电池器件光电转换效率为16.23％，填充因子为73.76％，开路电压为1.08V，短路电流密度为21.53mA/cm2。
实施例3
(1)将透明导电电极(FTO导电玻璃)经过丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，氧等离子处理，处理干净即可；
(2)采用旋凃工艺将ZnO前驱体以500rpm/6s，3000rpm/30s的转速是时间旋凃至透明导电电极表面，在150℃烘烤10min，自然冷却至室温。重复此步骤4次。
(3)采用两步法制备钙钛矿层。将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)(体积比：DMF/DMSO＝90/10)制成1.1M的混合溶液，然后在该溶液中添加异硫氰酸胍，其添加量与的PbI2摩尔比为8％，随后85℃加热搅拌溶解。再将其旋涂到步骤(2)的电子传输层上。并采用逐步加热的方法，在60℃、80℃、100℃依次烘烤5分钟。
(4)将步骤(3)所得样品置于10mg/mL的CH3NH3I/异丙醇(IPA)溶液中浸泡5分钟，随后在85℃的热台上烘烤5分钟，得到异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿薄膜。
(5)在步骤(4)制得的异硫酸氰胍掺杂的钙钛矿层上制备空穴传输层。将72.3mgSprio-OMeTAD粉末溶于1mL氯苯溶液中，将52mg锂盐溶于100μL乙腈，与17.5mL的4-叔丁基吡啶一并加入上述氯苯溶液中，然后将其旋涂至步骤(4)所得的钙钛矿层上。
(6)采用热蒸发法在步骤(5)所制得的样品上蒸镀一层约80nm的金电极，即得到钙钛矿太阳能电池。
在标准测试条件(AM1.5G光照)下，本实施例所制备的电池器件光电转换效率为16.28％，填充因子为73.56％，开路电压为1.06V，短路电流密度为20.53mA/cm2。
由上可知，本发明通过引入胍盐制备钙钛矿太阳能电池，不仅提高了钙钛矿吸收层的结晶性能及电池效率，同时优化了电池的稳定性、改善了电池的迟滞效应。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本申请的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (10)
1.一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括：
将ZnO前驱体旋涂至透明导电电极的表面，从而形成电子传输层；
在所述电子传输层上形成吸收层，形成所述吸收层包括：将PbI2溶于二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中，然后加入异硫氰酸胍，搅拌溶解，随后将PbI2与异硫氰酸胍的混合溶液旋涂到所述电子传输层上，进行第一烘烤，之后浸入CH3NH3I的异丙醇(IPA)溶液中，进而第二烘烤；
在所述吸收层上形成空穴传输层；
在所述空穴传输层上形成金属电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述ZnO前驱体通过以下步骤制得：将0.59g的二水醋酸锌溶于25mL甲醇中，并于65℃水浴锅中搅拌溶解。将0.296g氢氧化钾溶于13mL甲醇溶液中常温搅拌溶解。将溶解的KOH溶液逐滴加入醋酸锌溶液中，持续反应2.5小时，过滤干燥。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中，二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的体积比为90:10～70:30。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一烘烤为在60℃、80℃、100℃依次烘烤5分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二烘烤为在80～100℃烘烤5～10分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，PbI2在二甲基甲酰胺(DMF)与二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液中的浓度为1.1M。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述异硫氰酸胍与PbI2的摩尔比为1～4:50。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在CH3NH3I的异丙醇(IPA)溶液中，CH3NH3I的浓度为10mg/ml。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述透明导电电极为FTO导电玻璃，所述空穴传输层为Sprio-OMeTAD，所述金属电极包括Au电极。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法制备的钙钛矿太阳能电池。
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