CN109713130A - 一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法 - Google Patents

一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法。首先，利用脱模工艺制备出透光性良好、导电性优异且表面粗糙度低的柔性导电织物基底，作为构建钙钛矿太阳电池器件的载体；然后，在制得的柔性导电织物基底上旋涂钙钛矿太阳电池的各个薄膜功能层；最后，蒸镀一层金属银电极制成基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池。本发明工艺简单可重复、原料易得、成本可控，所制成的织物基柔性器件具有稳定的光电转换效率，且易于与纺织品结合形成智能服装产品，有望在可穿戴技术等前沿领域获得规模化应用。

Description

一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及光伏器件领域中柔性太阳电池的制备，尤其涉及一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法。
背景技术
现代人类文明生活越来越离不开能源。传统的能源主要是化石能源，经过数百年的开采，储量不断下降。而且过度使用化石能源导致的环境恶化问题严重危害着人类的健康。可持续发展成为能源行业所不得不面对的问题。自然界中存在大量的可再生清洁能源，如风能、水能、太阳能和地热能等，由于储量大、可再生和清洁无污染等特点，在能源结构中的比重逐年提高，并将逐步取代化石能源。其中，太阳能的潜力尤为巨大，具有的洁净性和永久性等突出优点，使太阳电池器件的研究开发成为近几十年来科学界和产业界持续关注的一大热点。
与此同时，在人们日常生活中，我们出门随身携带的电子设备越来越多，例如手机、平板电脑、智能手表和AI眼镜等。这些电子设备的使用都离不开电源。目前驱动它们的主要还是安装在设备内部的蓄电池中储存的电能，一旦耗尽，所有的电子设备都将瘫痪，给使用者带来不便。由此可见，新型电源器件的开发显得越发的重要了，设计可穿戴的太阳电池作为电子设备的移动电源是一种很好解决方案。所以，本发明创造了一种在织物上直接构筑钙钛矿太阳电池的新颖方法，其意义在于既能减少使用化石能源避免环境污染，又能作应急之需为可穿戴电子设备提供可靠的电源。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法。利用脱模法工艺，先制备能够作为钙钛矿太阳电池的导电织物载体，然后在基底上构筑钙钛矿太阳电池的各个功能层，最终制得柔性织物钙钛矿太阳电池。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括以下步骤：
1)制备导电织物基底：使用脱模工艺依次在基片上制备纳米银线溶液、高聚物溶液和织物，揭下后制备得到自下而上依次为织物、高聚物薄膜和纳米银线膜的导电织物基底；
2)制备聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEODT)-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)空穴传输层：将步骤1)中制备的导电织物基底固定在旋涂仪上，旋涂聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEODT)-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液于导电织物基底上，干燥成膜后制备得到样品Ⅰ；
3)制备钙钛矿层：将步骤2)中制备的样品Ⅰ固定在旋涂仪上，依次旋涂碘化铅前驱体溶液和甲基碘化氨(CH3NH3I)的异丙醇溶液，干燥生成钙钛矿薄膜，制备得到样品Ⅱ；
4)制备电子传输层：将步骤3)中制备的样品Ⅱ固定在旋涂仪上，旋涂PC61BM的氯苯溶液，转速为2000转/分钟，旋涂30秒，80摄氏度干燥生成PC61BM薄膜，制备得到样品Ⅲ；
5)制备金属电极：将步骤4)中制备的样品Ⅲ放置在真空镀膜仪上，在样品Ⅲ表面沉积一层金属银薄膜，厚度为80～120纳米，制备得到基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池。
所述步骤1)中，制备导电织物基底的具体方法为：采用旋涂法制备纳米银线膜，然后放置在加热板上加热干燥；在纳米银线膜上刮涂高聚物得到高聚物薄膜；在高聚物固化前将织物覆盖其上；固化后将纳米银线膜、高聚物薄膜和织物一同揭下得到导电织物基底。所述旋涂法的旋涂转速为1000～2000转/分钟，旋涂时间为20～40秒，加热温度为110～130摄氏度，加热时间为5～15分钟。
所述高聚物选用聚乙烯醇(PVA124)、二甲基硅氧烷(PDMS)和紫外固化光学胶(NOA63)中的一种。
所述步骤2)中，将聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEODT)-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)旋涂到导电织物基底上，然后放在115～125摄氏度的加热板上加热处理；旋涂速率为3500～4500转/分钟，时间为25～45秒。
所述步骤3)中，碘化铅前驱体溶液制备方法如下：将碘化铅溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，制备得到浓度为1.2摩尔/毫升的溶液；加入4-叔丁基吡啶(tBP)造孔剂，在70摄氏度加热条件下磁力搅拌2小时得到碘化铅前驱体溶液。
所述4-叔丁基吡啶与碘化铅体积比为1：50～1：10。
所述步骤3)中，在甲基碘化氨(CH3NH3I)的异丙醇溶液中，CH3NH3I的浓度为12毫克/毫升。
所述步骤3)中，碘化铅前驱体溶液的旋涂速度为4000～5000转/分钟，旋涂时间为20～40秒，加热温度为60～80摄氏度，加热时间为10～20分钟；甲基碘化氨(CH3NH3I)的异丙醇溶液的旋涂速度为3500～4500转/分钟，旋涂时间为20～40秒，加热温度为90～110摄氏度，加热时间为20～40分钟。
本发明的有益效果是：
1)本发明方法独特、技术新颖，工艺简单可重复，原料易得、成本可控。利用脱模工艺制备了低粗糙度、导电性和透光性良好的导电织物基底，并在其上构筑了钙钛矿太阳电池，很好地满足了柔性钙钛矿太阳电池特别是基于织物基的柔性钙钛矿太阳电池的实际应用需求。
2)本发明成功制备出的织物基柔性器件具有稳定的光电转换效率，且易于与纺织品结合形成智能服装产品，有望在可穿戴技术等前沿领域获得规模化应用。
附图说明
图1是实施例1中在导电织物基底上旋涂的碘化铅表面形貌扫描电镜图。
图2是实施例1中在导电织物基底上制备的钙钛矿表面形貌扫描电镜图。
图3是实施例1中在导电织物基底上制备的碘化铅XRD曲线图。
图4是实施例1中在导电织物基底上制备的钙钛矿XRD曲线图。
图5是实施例1中在导电织物基底上制备的钙钛矿紫外-可见吸光度曲线图。
图6是实施例1制备的基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的伏安特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
在玻片上旋涂纳米银线溶液，转速为1500转/分钟，转30秒；然后在其上刮涂一层聚乙烯醇(PVA124)水溶液，平铺上织物，固化后揭下，制成导电织物基底；将导电织物基底固定在匀浆机上，旋涂PEDOT:PSS溶液，转速为4000转/分钟，转30秒，然后在120摄氏度干燥30分钟；再于其上旋涂掺杂tBP的碘化铅溶液，tBP与碘化铅比例为1：30，转速为4500转/分钟，转30秒，然后在70摄氏度下加热15分钟；冷却后旋涂CH3NH3I的异丙醇溶液，CH3NH3I的浓度为12毫克/毫升，旋涂参数为：速度为4000转/分钟，旋涂时间为30秒，然后放在100摄氏度的加热板上加热处理30分钟，反应得到钙钛矿层；然后在其上旋涂PC61BM的氯苯溶液，转速为2000转/分钟，旋涂30秒，80摄氏度干燥生成PC61BM薄膜；最后，真空蒸镀沉积一层金属银薄膜作为电极，制得基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池。
如图1所示为在导电织物基底上旋涂的碘化铅表面形貌扫描电镜图，如图2所示为在导电织物基底上制备的钙钛矿表面形貌扫描电镜图，由图1和图2可以看出，在导电织物基底上制备的碘化铅和钙钛矿形貌良好。
如图3所示为在导电织物基底上制备的碘化铅XRD曲线图，如图4所示为在导电织物基底上制备的钙钛矿XRD曲线图，由图3和图4也反映了碘化铅结构良好，并且反应成钙钛矿后没有多余的碘化铅残存。
如图5所示的钙钛矿的吸光度曲线说明了钙钛矿层优异的吸光性能。
如图6所示的伏安特性曲线可以看出，本实施例制备的织物基底柔性钙钛矿太阳电池具有稳定的光电转换性能，初步获得了1.21％的光电转换效率，通过工艺优化，有望使器件效率进一步提高。
实施例2：
在玻片上旋涂纳米银线溶液，转速为1000转/分钟，转20秒；然后在其上刮涂一层二甲基硅氧烷(PDMS)溶液，平铺上织物，固化后揭下，制成导电织物基底；将导电织物基底固定在匀浆机上，旋涂PEDOT:PSS溶液，转速为3500转/分钟，转25秒，然后在115摄氏度干燥30分钟；再于其上旋涂掺杂tBP的碘化铅溶液，tBP与碘化铅比例为1：50，转速为4000转/分钟，转20秒，然后在60摄氏度下加热10分钟；冷却后旋涂CH3NH3I的异丙醇溶液，CH3NH3I的浓度为12毫克/毫升，旋涂参数为：速度为3500转/分钟，旋涂时间为20秒，然后放在90摄氏度的加热板上加热处理20分钟，反应得到钙钛矿层；然后在其上旋涂PC61BM的氯苯溶液，转速为2000转/分钟，旋涂30秒，80摄氏度干燥生成PC61BM薄膜；最后，真空蒸镀沉积一层金属银薄膜作为电极，制得基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池。
该实施例所制备样品的扫描电镜图、XRD曲线图、吸光度图和伏安特性图同实施例1相近。
实施例3：
在玻片上旋涂纳米银线溶液，转速为2000转/分钟，转40秒；然后在其上刮涂一层紫外固化光学胶(NOA63)溶液，平铺上织物，固化后揭下，制成导电织物基底；将导电织物基底固定在匀浆机上，旋涂PEDOT:PSS溶液，4500转/分钟转45秒，125摄氏度干燥30分钟；再于其上旋涂掺杂tBP的碘化铅溶液，tBP与碘化铅比例为1：70，5000转/分钟转40秒后在80摄氏度下加热20分钟；冷却后旋涂CH3NH3I的异丙醇溶液，CH3NH3I的浓度为12毫克/毫升，旋涂参数为：速度为4500转/分钟，旋涂时间为40秒，然后放在110摄氏度的加热板上加热处理40分钟，反应得到钙钛矿层；然后在其上旋涂PC61BM的氯苯溶液，转速为2000转/分钟，旋涂30秒，80摄氏度干燥生成PC61BM薄膜；最后，真空蒸镀沉积一层金属银薄膜作为电极，制得基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池。
该实施例所制备的样品的扫描电镜图、XRD曲线图、吸光度图和伏安特性图同实施例1相近。

Claims (9)

1.一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备导电织物基底：使用脱模工艺依次在基片上制备纳米银线溶液、高聚物溶液和织物，揭下后制备得到自下而上依次为织物、高聚物薄膜和纳米银线膜的导电织物基底；
2)制备聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEODT)-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)空穴传输层：将步骤1)中制备的导电织物基底固定在旋涂仪上，旋涂聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEODT)-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)溶液于导电织物基底上，干燥成膜后制备得到样品Ⅰ；
3)制备钙钛矿层：将步骤2)中制备的样品Ⅰ固定在旋涂仪上，依次旋涂碘化铅前驱体溶液和甲基碘化氨(CH3NH3I)的异丙醇溶液，干燥生成钙钛矿薄膜，制备得到样品Ⅱ；
4)制备电子传输层：将步骤3)中制备的样品Ⅱ固定在旋涂仪上，旋涂PC61BM的氯苯溶液，转速为2000转/分钟，旋涂30秒，80摄氏度干燥生成PC61BM薄膜，制备得到样品Ⅲ；
5)制备金属电极：将步骤4)中制备的样品Ⅲ放置在真空镀膜仪上，在样品Ⅲ表面沉积一层金属银薄膜，厚度为80～120纳米，制备得到基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池。
2.根据权利要求1所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，制备导电织物基底的具体方法为：采用旋涂法制备纳米银线膜，然后放置在加热板上加热干燥；在纳米银线膜上刮涂高聚物得到高聚物薄膜；在高聚物固化前将织物覆盖其上；固化后将纳米银线膜、高聚物薄膜和织物一同揭下得到导电织物基底。
3.根据权利要求2所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述旋涂法的旋涂转速为1000～2000转/分钟，旋涂时间为20～40秒，加热温度为110～130摄氏度，加热时间为5～15分钟。
4.根据权利要求2所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述高聚物选用聚乙烯醇(PVA124)、二甲基硅氧烷(PDMS)和紫外固化光学胶(NOA63)中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，将聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEODT)-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)旋涂到导电织物基底上，然后放在115～125摄氏度的加热板上加热处理；旋涂速率为3500～4500转/分钟，时间为25～45秒。
6.根据权利要求1所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，碘化铅前驱体溶液制备方法如下：将碘化铅溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，制备得到浓度为1.2摩尔/毫升的溶液；加入4-叔丁基吡啶(tBP)造孔剂，在70摄氏度加热条件下磁力搅拌2小时得到碘化铅前驱体溶液。
7.根据权利要求6所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述4-叔丁基吡啶与碘化铅体积比为1：50～1：10。
8.根据权利要求1所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，在甲基碘化氨(CH3NH3I)的异丙醇溶液中，甲基碘化氨(CH3NH3I)的浓度为12毫克/毫升。
9.根据权利要求1所述的一种基于织物基底的柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，碘化铅前驱体溶液的旋涂速度为4000～5000转/分钟，旋涂时间为20～40秒，加热温度为60～80摄氏度，加热时间为10～20分钟；甲基碘化氨(CH3NH3I)的异丙醇溶液的旋涂速度为3500～4500转/分钟，旋涂时间为20～40秒，加热温度为90～110摄氏度，加热时间为20～40分钟。
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