CN109461818A - 一种高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，涉及一种高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明提供一种高效钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括透明导电玻璃阴极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属阳极；所述电子传输层为Ti3C2掺杂的SnO2。本发明提供的高效钙钛矿太阳能电池是以Ti3C2掺杂的SnO2作为电子传输层制备的太阳能电池具有较高的光电转化效率，最高光电转化效率达到18.34％。本发明提供的高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其合成工艺简单易行，设备要求低，有良好的工业应用前景。

Description

一种高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法
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Ti3C2(MXene)掺杂SnO2作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。钙钛矿型太阳能电池一般由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属对电极五个部分组成。在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。然后，未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到电子传输层，最后被透明导电玻璃收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集。
其中，电子传输层材料的使用在钙钛矿太阳能电池中具有重要的意义，高效的电子传输层能有效降低载流子复合率、避免载流子在器件内部累积，从而提高太阳能光电转换效率、器件寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Ti3C2(MXene)掺杂SnO2作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种高效钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括透明导电玻璃阴极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属阳极；
所述电子传输层为Ti3C2掺杂的SnO2。
在上述技术方案中，Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰-2.5wt.‰。
在上述技术方案中，Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰、1.0wt.‰、2.0wt.‰、2.5wt.‰。
在上述技术方案中，所述透明导电玻璃阴极为氧化铟锡ITO。
在上述技术方案中，所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3。
在上述技术方案中，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD((2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴))。
在上述技术方案中，所述金属阳极为Ag。
在上述技术方案中，所述电子传输层的厚度为15-25nm、钙钛矿层的厚度为290-310nm、空穴传输层的厚度为120-140nm和金属阳极的厚度为50-70nm。
本发明提供一种高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)透明导电玻璃阴极的处理：
将清洗干净的透明导电玻璃进行紫外臭氧预处理30分钟；
2)电子传输层的制备及处理：
将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，旋涂Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液，转速为3000rpm/min旋转30s，随即放置在热台上进行退火处理，退火温度及时间为150℃退火30分钟；退火结束后进行紫外臭氧处理30分钟；
3)钙钛矿层的制备：
将步骤2)中的器件放入充满氮气的手套箱，在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其过程为旋涂5000rpm/min，时间为30秒，并在25秒时滴加350微升的氯苯，旋涂结束后置于热台上进行退火处理，退火温度及时间为100℃退火10分钟；
4)空穴传输层的制备：
在钙钛矿层上旋涂空穴传输层，其过程为旋涂4000rpm/min，时间为30秒，随后放置于干燥箱中使其氧化1夜；
5)金属阳极的制备：
利用真空蒸发镀膜机在压强小于6*10-4Pa时在空穴传输层上蒸镀金属阳极，其蒸发速率为
在上述技术方案中，所述Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液的制备过程如下：
步骤1、Ti3C2分散液的制备：
将0.8gLiF加入10mL 9mol/L的盐酸中，搅拌至充分溶解后将0.5g Ti3AlC2缓慢加入其中，并在35℃的油浴下连续刻蚀24小时；随后，将刻蚀好的材料进行多次转速为8000转、时间为5分钟的离心处理，离心结束后将清液倒出，再加入去离子水，直到调节其pH>5；将其进行10分钟的振荡处理，并以转速为3500转进行离心处理1小时，离心结束后所得清液即为Ti3C2分散液；
步骤2、Ti3C2分散液浓度计算：
取一定体积的Ti3C2分散液进行真空抽滤处理，待抽滤后的Ti3C2膜完全干燥，对其进行称量，从而计算其浓度；
步骤3、Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液的制备：
将步骤1中所得Ti3C2分散液与SnO2水胶体按比例混合并摇匀即得到Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液。
本发明的有益效果是：
本发明提供的高效钙钛矿太阳能电池是以Ti3C2掺杂的SnO2作为电子传输层制备的太阳能电池具有较高的光电转化效率，最高光电转化效率达到18.34％。
本发明提供的高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其合成工艺简单易行，设备要求低，有良好的工业应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的基于Ti3C2掺杂的SnO2作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池器件结构图。
图2是本发明的不同浓度Ti3C2掺杂的SnO2的溶液图。
图3是本发明制备的基于Ti3C2掺杂的SnO2作为电子传输层和SnO2、Ti3C2(MXene)分别作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种高效钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括透明导电玻璃阴极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属阳极；所述电子传输层为Ti3C2掺杂的SnO2。优选Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰-2.5wt.‰。进一步优选Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰、1.0wt.‰、2.0wt.‰、2.5wt.‰。
优选所述透明导电玻璃阴极为氧化铟锡ITO；所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3；所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD((2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴))；所述金属阳极为Ag；
本发明对所述高效钙钛矿太阳能电池各层的厚度没有特殊要求，按照实际需要制备所需厚度即可。优选所述电子传输层的厚度为15-25nm、钙钛矿层的厚度为290-310nm、空穴传输层的厚度为120-140nm和金属阳极的厚度为50-70nm。最优选所述电子传输层的厚度约为20nm、钙钛矿层的厚度约为300nm、空穴传输层的厚度约为130nm和金属阳极的厚度约为60nm。
本发明提供一种高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)透明导电玻璃阴极的处理：
将清洗干净的透明导电玻璃进行紫外臭氧预处理30分钟；
2)电子传输层的制备及处理：
将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，旋涂Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液，转速为3000rpm/min旋转30s，随即放置在热台上进行退火处理，退火温度及时间为150℃退火30分钟；退火结束后进行紫外臭氧处理30分钟；
3)钙钛矿层的制备：
将步骤2)中的器件放入充满氮气的手套箱，在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其过程为旋涂5000rpm/min，时间为30秒，并在25秒时滴加350微升的氯苯，旋涂结束后置于热台上进行退火处理，退火温度及时间为100℃退火10分钟；
4)空穴传输层的制备：
在钙钛矿层上旋涂空穴传输层，其过程为旋涂4000rpm/min，时间为30秒，。随后放置于干燥箱中使其氧化1夜；
5)金属阳极的制备：
利用真空蒸发镀膜机在压强小于6*10-4Pa时在空穴传输层上蒸镀金属阳极，其蒸发速率为
所述Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液的制备过程如下：
步骤1、Ti3C2分散液的制备：
将0.8gLiF加入10mL 9mol/L的盐酸中，搅拌至充分溶解后将0.5g Ti3AlC2缓慢加入其中，并在35℃的油浴下连续刻蚀24小时；随后，将刻蚀好的材料进行多次转速为8000转、时间为5分钟的离心处理，离心结束后将清液倒出，再加入去离子水，直到调节其pH>5；将其进行10分钟的振荡处理，并以转速为3500转进行离心处理1小时，离心结束后所得清液即为Ti3C2分散液；剩余材料加入去离子水进行超声处理10分钟，再次以转速为3500转进行离心处理1小时，取其清液同样为Ti3C2分散液；
步骤2、Ti3C2分散液浓度计算：
取一定体积的Ti3C2分散液进行真空抽滤处理，待抽滤后的Ti3C2膜完全干燥，对其进行称量，从而计算其浓度；
步骤3、Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液的制备：
将步骤1中所得Ti3C2分散液与SnO2水胶体以不同比例(如按Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰、1.0wt.‰、2.0wt.‰、2.5wt.‰进行掺杂)混合并摇匀即得到Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液。
当所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3时，其前驱体溶液的制备过程为：
在氮气手套箱中，将1.3Mol的PbI2(242mg)和1.3Mol的CH3NH3I(83mg)溶于408μL的体积比为4:1的DMF/DMSO溶液中，并常温搅拌1小时。
所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD，其溶液的制备过程为：
在N2手套箱中，将Spiro-OMeTAD溶于氯苯，室温搅拌至溶解，得到浓度为80mg/mL的Spiro-OMeTAD的溶液，随后加入10.5μL/mL的TBP溶液和浓度为510mg/mL的Li-TFSI溶液15.5μL/mL作为添加剂。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
为了对本发明有更深的了解，下面结合实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，但是本发明的实施例仅仅是为了解释本发明，并非限制本发明，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，均属于本发明的保护范围。
以下实施例中所用的原料均为市售商品。
实施例
将刻蚀好的ITO依次用ITO清洗剂、去离子水、丙酮、酒精、异丙醇超声处理30分钟，然后分别配制SnO2、SnO2-Ti3C2、Ti3C2胶体，将SnO2(15.0wt.％)的水胶体与去离子水以体积比1:4混合得到SnO2(3wt.％)水胶体，分别取刻蚀好的Ti3C2(3.0mg/mL)分散液5μL、10μL、20μL、25μL于SnO2(3.0wt.％)水胶体中，摇匀后即得0.5wt.‰、1.0wt.‰、2.0wt.‰、2.5wt.‰的SnO2-Ti3C2胶体溶液。将ITO紫外臭氧预处理30分钟后放置在匀胶机上，分别以3000rpm/min旋转30s进行旋涂SnO2(3.0wt.％)、0.5wt.‰、1.0wt.‰、2.0wt.‰、2.5wt.‰的SnO2-Ti3C2胶体和Ti3C2(3.0mg/mL)分散液，然后立刻放置在热台上进行退火处理，其退火温度及时间为150℃退火30分钟，随后将基片进行紫外臭氧预处理30分钟。在氮气手套箱中配制CH3NH3PbI3前驱体溶液，将1.3Mol的PbI2(242mg)和1.3Mol的CH3NH3I(83mg)溶于408μL的体积比为4:1的DMF/DMSO溶液中，并常温搅拌1小时。将基片送入手套箱中，在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其转速为5000rpm/min，时间为30秒，并在25秒时滴加350微升的氯苯，旋涂结束后置于热台上进行退火处理，退火温度及时间为100℃退火10分钟。接着在氮气手套箱中配制Spiro-OMeTAD溶液，将Spiro-OMeTAD溶于氯苯，室温搅拌至溶解，得到浓度为80mg/mL的Spiro-OMeTAD的溶液，随后加入10.5μL/mL的TBP溶液和浓度为510mg/mL的Li-TFSI溶液15.5μL/mL作为添加剂并搅拌5分钟。随后以转速4000rpm/min，时间为60s旋涂Spiro-OMeTAD溶液于CH3NH3PbI3层上形成Spiro-OMeTAD薄膜。最后将基片送入有机蒸发蒸镀机中，当腔室内的压强低于6*10-4Pa时蒸镀阳极银，其蒸发速率银膜厚为60nm。由此便得到了上述四种掺杂浓度的Ti3C2(MXene)掺杂SnO2作为电子传输层和SnO2、Ti3C2(MXene)分别作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池。器件结构如图1所示。该实施例中所述电子传输层的厚度为20nm、钙钛矿层的厚度为300nm、空穴传输层的厚度为130nm和金属阳极银的厚度为60nm。
上述实施例中所述电子传输层的厚度、钙钛矿层的厚度、空穴传输层的厚度和金属阳极的厚度，还可以为上述限定的厚度范围内的任意值，这里不再一一列举。。
表1是上述实施例制备的基于Ti3C2掺杂的SnO2作为电子传输层和SnO2、Ti3C2(MXene)分别作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池器件的各项光伏参数。随着Ti3C2掺入浓度的增加，电池的短路电流密度呈现升高趋势，表明Ti3C2有效地发挥了其高导电性的作用。掺杂的最适合浓度为1.0wt.‰，在该浓度下器件的光电转换效率高达18.34％。
图2是本发明的不同浓度Ti3C2掺杂的SnO2的胶体溶液图，随着Ti3C2掺杂浓度的增加，胶体溶液的颜色变黑且逐渐加深，长时间静置胶体仍然很均匀且不会出现沉淀现象，表明Ti3C2较好的掺入了SnO2胶体当中且胶体稳定。
图3是基于Ti3C2掺杂的SnO2作为电子传输层和SnO2、Ti3C2(MXene)分别作为电子传输层的高效钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线图，且与表1数据相对应。本发明制备的基于Ti3C2(MXene)掺杂SnO2作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池相比于以SnO2作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池在光电转换效率方面有了从17.23％到18.34％的显著提升，同时以Ti3C2(MXene)作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池也达到了5.28％的光电转换效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高效钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括透明导电玻璃阴极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属阳极；
其特征在于，
所述电子传输层为Ti3C2掺杂的SnO2。
2.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰-2.5wt.‰。
3.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，Ti3C2掺杂的浓度为0.5wt.‰、1.0wt.‰、2.0wt.‰、2.5wt.‰。
4.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电玻璃阴极为氧化铟锡ITO。
5.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3。
6.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴。
7.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述金属阳极为Ag。
8.根据权利要求1所述的高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的厚度为15-25nm、钙钛矿层的厚度为290-310nm、空穴传输层的厚度为120-140nm和金属阳极的厚度为50-70nm。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的高效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)透明导电玻璃阴极的处理：
将清洗干净的透明导电玻璃进行紫外臭氧预处理30分钟；
2)电子传输层的制备及处理：
将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，旋涂Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液，转速为3000rpm/min旋转30s，随即放置在热台上进行退火处理，退火温度及时间为150℃退火30分钟；退火结束后进行紫外臭氧处理30分钟；
3)钙钛矿层的制备：
将步骤2)中的器件放入充满氮气的手套箱，在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其过程为旋涂5000rpm/min，时间为30秒，并在25秒时滴加350微升的氯苯，旋涂结束后置于热台上进行退火处理，退火温度及时间为100℃退火10分钟；
4)空穴传输层的制备：
在钙钛矿层上旋涂空穴传输层，其过程为旋涂4000rpm/min，时间为30秒，随后放置于干燥箱中使其氧化1夜；
5)金属阳极的制备：
利用真空蒸发镀膜机在压强小于6*10-4Pa时在空穴传输层上蒸镀金属阳极，其蒸发速率为
10.根据权利要求9所述的高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液的制备过程如下：
步骤1、Ti3C2分散液的制备：
将0.8gLiF加入10mL 9mol/L的盐酸中，搅拌至充分溶解后将0.5g Ti3AlC2缓慢加入其中，并在35℃的油浴下连续刻蚀24小时；随后，将刻蚀好的材料进行多次转速为8000转、时间为5分钟的离心处理，离心结束后将清液倒出，再加入去离子水，直到调节其pH>5；将其进行10分钟的振荡处理，并以转速为3500转进行离心处理1小时，离心结束后所得清液即为Ti3C2分散液；
步骤2、Ti3C2分散液浓度计算：
取一定体积的Ti3C2分散液进行真空抽滤处理，待抽滤后的Ti3C2膜完全干燥，对其进行称量，从而计算其浓度；
步骤3、Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液的制备：
将步骤1中所得Ti3C2分散液与SnO2水胶体按比例混合并摇匀即得到Ti3C2掺杂的SnO2胶体溶液。
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