CN109216554B - 一种以p3ht/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种以p3ht/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述钙钛矿太阳能电池还包括导电基体、电子传输层、钙钛矿结构吸光层、空穴传输层和正电极；导电基体、电子传输层、钙钛矿结构吸光层、空穴传输层和正电极由下至上依次设置；所述空穴传输层为厚度10nm到300nm的P3HT/石墨烯复合材料。本发明采用P3HT/石墨烯作为空穴传输层，和单纯使用P3HT作为空穴传输层相比，石墨烯能够增强P3HT的空穴传输能力，同时，石墨烯片也能够阻挡钙钛矿离子的扩散，从而极大的提高了电池的光电性能和稳定性。

Description

一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其 制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
如今，环境污染、能源枯竭成为困扰全世界的两大主要问题，极大地制约了社会的发展。因此，寻找可持续发展的清洁能源已成为迫在眉睫的问题，太阳能就是一个不错的选择——它绿色、安全，几乎可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能光伏技术是一种有效的太阳能利用方式，是解决能源问题和环境污染，实现可持续发展的重要举措。太阳能电池经过多年的发展，已经取得了很大突破，传统的硅基太阳能电池已经实现了部分商业化，但其生产技术苛刻、成本较高，长期以来未能大规模应用。
钙钛矿太阳能电池自2009年诞生以来，经过短短几年的发展，效率已经突破20％以上，但稳定性是限制其长期发展和实际应用的一大重要原因，因此，对于如何提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率以及电池稳定性成了能源领域的研究热点。
在钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层材料对其性能和稳定性非常重要。聚3-己基噻吩(P3HT)是最常用的聚合物空穴传输材料之一，当用于钙钛矿太阳能电池时，经常需要添加Li盐和吡啶衍生物对其改性，但这极大影响了电池的稳定性。因此，如何进一步提高空穴传输材料性能及发展材料改性的新方法和技术，是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以解决现有技术中P3HT用于钙钛矿太阳能电池时，添加Li盐和吡啶衍生物对其改性，但极大影响了电池稳定性的技术问题。本发明通过采用石墨烯和P3HT复合，石墨烯极大地增强了P3HT的空穴传输能力，使空穴迁移能力提高为原来未加入石墨烯的100多倍，同时，大的石墨烯片可以阻挡钙钛矿吸光层中甲胺离子、碘离子以及金属金电极中金原子的扩散，从而形成高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。
为了实现上述目的，本发明采用入下技术方案：
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池的空穴传输层为P3HT/石墨烯复合材料。
进一步的，所述钙钛矿太阳能电池还包括导电基体、电子传输层、钙钛矿结构吸光层和正电极；导电基体、电子传输层、钙钛矿结构吸光层、空穴传输层和正电极由下至上依次设置；所述空穴传输层的厚度为10nm到300nm。
进一步的，所述P3HT/石墨烯复合材料由P3HT和石墨烯制备而成；具体为：将P3HT和石墨烯按15：(1～30)的质量比例混合形成混合物，将混合物加入溶剂中；混合物与溶剂的比例为(0.016～0.09)：(1～5)；加热至40℃-100℃并搅拌0.5h-24h，离心0.1-1h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后旋涂P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，干燥获得P3HT/石墨烯空穴传输层。
进一步的，石墨烯厚度为1-10nm，片径为50nm-2μm。
进一步的，P3HT分子量为10k-100k。
进一步的，采用TiO2、ZnO、SnO2、PCBM或C60作为电子传输层材料。
进一步的，采用碳电极、金电极或铂电极作为电池的正电极。
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)、在透明导电基体上依次形成电子传输层和钙钛矿结构吸光层；
2)、在钙钛矿结构吸光层上涂覆P3HT/石墨烯前驱液进行涂覆，形成厚度为1-10μm的P3HT/石墨烯空穴传输层液膜；
3)、充分干燥后获得P3HT/石墨烯复合材料的空穴传输层，在空穴传输层上涂覆正电极，获得以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。
进一步的，P3HT/石墨烯前驱液的只给方法为：将P3HT和石墨烯按15：(1～30)的质量比例混合形成混合物，将混合物加入溶剂中；混合物与溶剂的比例为(0.016～0.09)：(1～5)；加热至40℃-100℃并搅拌0.5h-24h，离心0.1-1h，收集上清液获得P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液。
相对于现有技术，本发明具有有益效果：用石墨烯可以增强P3HT的空穴传输能力，使其空穴迁移率提高为原来未加入石墨烯的100倍，同时，由于石墨烯增强了P3HT的结晶性能以及石墨烯和P3HT之间良好的结合，空穴传输层中大的石墨片可以阻挡钙钛矿离子的扩散，这些因素都使电池稳定性大幅度提高。
附图说明
图1为钙钛矿太阳能电池的器件结构图，其中，1—导电基体，2—电子传输层，3—钙钛矿结构吸光层，4—空穴传输层，5—正电极。
图2为依据实施例1制备P3HT/石墨烯空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线图；
图3为依据实施例2制备的以P3HT/石墨烯作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线图；
图4为依据实施例4制备的以P3HT/石墨烯作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线图；
图5为依据实施例1制备的以P3HT/石墨烯作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的稳定性图，其中，a为黑暗条件下，空气中所测得的电池稳定性图，图b为一个太阳光强度下所测得的电池稳定性图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明中各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次在透明导电基体1上制备TiO2电子传输层2和CH3NH3PbI3钙钛矿结构吸光层3。
(2)将P3HT和石墨烯按15mg：2mg比例混合，加入2ml氯苯中，60℃加热搅拌10h,离心1h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后将其用2500rad/s的速率进行旋涂，得到厚度为50nm的P3HT/石墨烯空穴传输层。
(3)干燥后，在P3HT/石墨烯空穴传输层上涂覆碳电极，作为正电极5。
实施例2
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次在透明导电基体上制备SnO2电子传输层和MA0.7FA0.3PbI3钙钛矿结构吸光层。
(2)将P3HT和石墨烯按15mg：10mg比例混合，加入2ml氯苯中，40℃加热搅拌24h,离心0.2h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后将其用2000rad/s的速率进行旋涂，得到厚度为100nm的P3HT/石墨烯空穴传输层。
(3)干燥后，在P3HT/石墨烯空穴传输层上涂覆碳电极，作为正电极5。
实施例3
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次在透明导电基体上制备TiO2电子传输层和CH3NH3PbI3钙钛矿结构吸光层。
(2)将P3HT和石墨烯按15mg：2mg比例混合，加入2ml氯苯中，80℃加热搅拌10h，离心0.5h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后将其用2500rad/s的速率进行旋涂，得到厚度为150nm的P3HT/石墨烯空穴传输层。
(3)干燥后，在P3HT/石墨烯空穴传输层上涂覆Pt电极，作为正电极5。
实施例4
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次在透明导电基体上制备TiO2电子传输层和CH3NH3PbI3钙钛矿结构吸光层。
(2)将P3HT和石墨烯按15mg：2mg比例混合，加入2ml氯苯中，60℃加热搅拌24h，离心0.1h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后将其用2500rad/s的速率进行旋涂，得到厚度为70nm的P3HT/石墨烯空穴传输层。
(3)干燥后，在P3HT/石墨烯空穴传输层上涂覆Au电极，作为正电极5。
实施例5
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次在透明导电基体上制备TiO2电子传输层和CH3NH3PbI3钙钛矿结构吸光层。
(2)将P3HT和石墨烯按15mg：30mg比例混合，加入2ml氯苯中，40℃加热搅拌24h，离心1h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后将其用2500rad/s的速率进行旋涂，得到厚度为10nm的P3HT/石墨烯空穴传输层。
(3)干燥后，在P3HT/石墨烯空穴传输层上涂覆Au电极，作为正电极5。
实施例6
一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次在透明导电基体上制备TiO2电子传输层和CH3NH3PbI3钙钛矿结构吸光层。
(2)将P3HT和石墨烯按15mg：1mg比例混合，加入2ml氯苯中，100℃加热搅拌0.1h，离心0.5h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后将其用2500rad/s的速率进行旋涂，得到厚度为300nm的P3HT/石墨烯空穴传输层。
(3)干燥后，在P3HT/石墨烯空穴传输层上涂覆Au电极，作为正电极5。
从图2、3、4中可以看出，电池的短路电流密度JSC、开路电压VOC、填充因子FF以及光电转换效率Eff等参数均比较高，证明依据此方法所制备的钙钛矿太阳能电池光电性能优良。
请参阅图5所示，a为黑暗条件下，空气中所测得的电池稳定性图，从图中可以看出，利用本发明方法做制备的电池在黑暗条件下，1600h后电池的光电转换效率PCE和最开始时相比几乎没有差别，这说明采用本发明方法所制备的电池具有很好的湿稳定性和氧稳定性；b为一个太阳光强度下所测得的电池稳定性图，经过600h的光照后，电池的光电转换效率仍能保持为最初的90％，这说明依据本发明方法所制备的电池光稳定性好。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不违背本发明一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池的空穴传输层(4)为P3HT/石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的包括钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池还包括导电基体(1)、电子传输层(2)、钙钛矿结构吸光层(3)和正电极(5)；导电基体(1)、电子传输层(2)、钙钛矿结构吸光层(3)、空穴传输层(4)和正电极(5)由下至上依次设置；所述空穴传输层(4)的厚度为10nm到300nm。
3.根据权利要求1所述的包括钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述P3HT/石墨烯复合材料由P3HT和石墨烯制备而成；具体为：将P3HT和石墨烯按15：(1～30)的质量比例混合形成混合物，将混合物加入溶剂中；混合物与溶剂的比例为(0.016～0.09)：(1～5)；加热至40℃-100℃并搅拌0.5h-24h，离心0.1-1h，收集上清液作为P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，然后旋涂P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液，干燥获得P3HT/石墨烯空穴传输层。
4.根据权利要求3所述的包括钙钛矿太阳能电池，其特征在于，石墨烯厚度为1-10nm，片径为50nm-2μm。
5.根据权利要求3所述的包括钙钛矿太阳能电池，其特征在于，P3HT分子量为10k-100k。
6.根据权利要求2所述的包括钙钛矿太阳能电池，其特征在于，采用TiO2、ZnO、SnO2、PCBM或C60作为电子传输层材料。
7.根据权利要求2所述的包括钙钛矿太阳能电池，其特征在于，采用碳电极、金电极或铂电极作为电池的正电极。
8.一种以P3HT/石墨烯为空穴传输层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)、在透明导电基体上依次形成电子传输层和钙钛矿结构吸光层；
2)、在钙钛矿结构吸光层上涂覆P3HT/石墨烯前驱液进行涂覆，形成P3HT/石墨烯空穴传输层液膜；
3)、充分干燥后获得P3HT/石墨烯复合材料的空穴传输层，在空穴传输层上涂覆正电极，获得以P3HT/石墨烯为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，P3HT/石墨烯前驱液的制备方法为：将P3HT和石墨烯按15：(1～30)的质量比例混合形成混合物，将混合物加入溶剂中；混合物与溶剂的比例为(0.016～0.09)：(1～5)；加热至40℃-100℃并搅拌0.5h-24h，离心0.1-1h，收集上清液获得P3HT/石墨烯空穴传输层前驱液。
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