CN109786567A - 一种基于离子液体调控的高效钙钛矿材料及太阳电池 - Google Patents

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苗青青
杜燕燕
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Abstract

本发明涉及一种基于离子液体调控的高效钙钛矿材料及太阳电池，其特征在于用两步法通过离子液体调控钙钛矿材料的生长过程从而改善其光电性能。通过控制离子液体的结构、官能团、阴阳离子、亲疏水等因素可有效调控钙钛矿材料的晶体生长过程、控制晶型、尺寸、形貌等从而获得高效的钙钛矿材料及钙钛矿太阳电池。所述调控方法具有方法简单、条件温和、成本低、绿色环保、适于大规模生产等特点，可获得尺寸均匀、高纯度、覆盖率高、光学性能良好的钙钛矿材料，显著改善现有工艺中钙钛矿薄膜覆盖率、连续度、粗糙度、晶型等，大幅提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率。

Description

一种基于离子液体调控的高效钙钛矿材料及太阳电池
技术领域
本发明涉及光伏领域，特别涉及一种基于离子液体调控的高效钙钛矿材料及太阳电池。
背景技术
太阳电池的光电转换效率和成本是决定其商业化应用的关键因素。钙钛矿太阳电池作为当前极具产业化实力的新型太阳电池，其光电转化效率提升飞速，从2009年的3.8％飞跃至当前的23％，效率已达到商业化的水平。由于其具有光电转换效率高、工艺简单、成本低、易于大规模生产等诸多优点，具有广阔的应用前景和强有力的市场竞争力。
钙钛矿太阳电池基本结构通常由导电基底、电子传输层、(多孔层)、钙钛矿光吸收层、空穴传输层(spiro-MeOTAD)及金属电极(通常为Au)组成。其中钙钛矿层直接吸收太阳光，其材料性能直接影响钙钛矿太阳电池的光电转换效率。获得高质量的钙钛矿材料是获得高效钙钛矿太阳电池的关键。钙钛矿材料晶体的生长受多种因素影响，反应原料、反应体系、反应温度、溶剂、添加剂等均直接影响其晶体生长过程，导致其结构、晶型、形貌、尺寸的不同从而影响器件最终的光电转换效率。钙钛矿材料的覆盖率低、连续度低、粗糙度高、晶型差等是造成其器件光电转换效率低的主要影响因素。通过在反应体系中添加添加剂，可有效调控钙钛矿的晶体生长过程，获得高质量的钙钛矿晶体。
离子液体作为一种绿色溶剂，具有低熔点、高导电性、低蒸气压、宽电化学窗口、强溶解性、高稳定性、强调适性等独特优点，目前已被广泛应用于电化学、催化、有机、吸收、分离、萃取、润滑、生物质、能源等诸多领域。通过离子液体的结构、官能团、阴阳离子、亲疏水等可有效调控钙钛矿材料的晶体生长过程、控制晶型、尺寸、形貌等从而获得高效的钙钛矿材料及钙钛矿太阳电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法简单的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料及太阳电池，通过离子液体调控两步法钙钛矿材料的晶体生长过程从而改善其光电性能。所述调控方法具有方法简单、条件温和、成本低、绿色环保、适于大规模生产等特点，可获得尺寸均匀、高纯度、覆盖率高、光学性能良好的钙钛矿材料。
本发明提出的解决方案是：一种基于离子液体调控的高效钙钛矿材料,其特征在于用两步法通过离子液体调控钙钛矿材料的生长过程从而改善其光电性能，包括如下步骤：
(6)将铅原料按一定比例溶于溶剂中，添加适量离子液体，混合均匀；
(7)40-80℃加热搅拌至全溶，过滤；
(8)滤液保持在40-80℃在导电基底上旋涂,随后静置5-20min；
(9)在上述样品上滴加足量卤化胺盐，静置20-60s，室温旋涂；
(10)80-130℃加热10-40min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
本发明所述铅原料为氯化铅、溴化铅、碘化铅、醋酸铅中的一种或多种。
本发明所述铅原料浓度为0.5M-2.0M。
本发明所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺DMF、二甲亚砜DMSO中的一种或两种。
本发明所述离子液体阳离子选自咪唑类、吡啶类、吡咯类、哌啶类、吡唑类、三唑类、噻唑类、季铵盐类、季鏻盐类、胍类阳离子；所述离子液体阴离子选自Cl-、Br-、I-、BF4 -、PF6 -、CF3COO-、CF3SO3 -、NTf2 -、N(CN)2 -、C(CN)3 -、NCS-、NO3 -、H2PO4 -、HSO4 -、RCOO-、RSO4 -，其中R选自氢和具有直链或支链的烷基。
本发明所述离子液体用量与溶剂体积比为0.01:1-0.5:1。
本发明所述导电基底为透明导电玻璃或柔性导电塑料。
本发明所述铅原料、溶剂、离子液体的混合前驱体溶液过滤后旋涂速率为1500-4000rpm。
本发明所述卤化胺盐与铅原料的摩尔比为2:1-10:1。
本发明所述加入卤化胺盐后的旋涂速率为3000-8000rpm。
本发明还提供了一种钙钛矿太阳电池。
本发明所述的钙钛矿太阳电池，包括本发明所提供的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料为吸光层。
本发明采用离子液体调控调控两步法钙钛矿材料的晶体生长过程，通过控制离子液体的结构、官能团、阴阳离子、亲疏水等因素可有效调控钙钛矿材料的晶体生长过程、控制晶型、尺寸、形貌等从而获得高效的钙钛矿材料及钙钛矿太阳电池。所述调控方法具有方法简单、条件温和、成本低、绿色环保、适于大规模生产等特点，可获得尺寸均匀、高纯度、覆盖率高、光学性能良好的钙钛矿材料，显著改善现有工艺中钙钛矿薄膜覆盖率、连续度、粗糙度、晶型等，大幅提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
附图说明
图1是导电基底FTO SEM图；
图2是电子传输层SEM图；
图3是不添加离子液体的常规钙钛矿材料SEM图；
图4-图8是本发明制备的各种不同条件下离子液体调控的钙钛矿材料SEM图；
具体实施方式
下面将结合实施例并配以附图对本发明作进一步说明。除非另有定义，本发明所使用的所有科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。下述非限制性实施例是为了更好的理解本发明，但不以任何方式限制本发明，任何变化实施都包含在本发明的技术范围内。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意和所有的组合。
(一)基于离子液体调控的高效钙钛矿材料制备
将铅原料溶于DMF或DMF与DMSO的混合溶剂中，使得铅原料浓度为0.5M-2.0M。按离子液体与溶剂的体积比为0.01:1-0.5:1加入适量离子液体混合均匀。40-80℃加热搅拌至全溶，过滤。滤液保持在40-80℃在制备好电子传输层的导电基底上旋涂,旋涂速率为1500-4000rpm。随后静置5-20min。在上述样品上滴加足量卤化胺盐，使得卤化胺盐与铅原料的摩尔比为2:1-10:1。静置20-60s，室温旋涂，旋涂速率为3000-8000rpm。将旋涂好的样品在80-130℃条件下加热10-40min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
(二)钙钛矿太阳能电池的制备
电子传输层的材料选自氧化钛，氧化锡，氧化锌，氧化钨，氧化铟等，还可以是本领域技术人员认为合适的其它电子传输材料。
钙钛矿材料选用上述的离子液体调控的两步法进行制备。
空穴传输层优选为Spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS或P3HT。将四叔丁基吡啶(TBP)、双三氟甲磺酰亚胺锂(Li-TFSI)加入空穴传输材料的氯苯溶液，均匀旋涂在钙钛矿层上，形成空穴传输材料层。
金属电极优选为金电极、银电极或铝电极，采用真空蒸镀或真空溅射的方法制备
(三)电池测试
钙钛矿太阳能电池光电性能采用Keithley 2400进行测试，光源为3A级太阳能模拟器(Oriel)，由标准硅电池校正入射光强为100mW cm-2(AM 1.5)。
实施例1
将铅原料溶于DMF中，使得铅原料浓度为0.5M。按离子液体与溶剂的体积比为0.01:1加入适量离子液体混合均匀。60℃加热搅拌至全溶，过滤。滤液保持在60℃在制备好电子传输层的导电基底上旋涂,旋涂速率为2000rpm。随后静置5min。在上述样品上滴加足量卤化胺盐，使得卤化胺盐与铅原料的摩尔比为2:1。静置30s，室温旋涂，旋涂速率为3000rpm。将旋涂好的样品在90℃条件下加热40min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
在钙钛矿层上均匀旋涂空穴传输材料溶液形成空穴传输层。在空穴传输层上真空蒸镀金电极获得基于基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池。
图4为本实施例所得离子液体调控的钙钛矿材料的SEM图，表明通过离子液体调控后的钙钛矿薄膜形貌均一，尺寸均匀、覆盖率高、连续度好。
所制备的基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池，最终获得了15.8％的光电转换效率，高于相同条件下无离子液体调控的器件效率12.2％，提高了29.5％。
实施例2
将铅原料溶于DMF与DMSO的混合溶剂中，使得铅原料浓度为1.0M。按离子液体与溶剂的体积比为0.1:1加入离子液体混合均匀。70℃加热搅拌至全溶，过滤。滤液保持在70℃在制备好电子传输层的导电基底上旋涂,旋涂速率为3000rpm。随后静置10min。在上述样品上滴加足量卤化胺盐，使得卤化胺盐与铅原料的摩尔比为4:1。静置40s，室温旋涂，旋涂速率为5000rpm。将旋涂好的样品在120℃条件下加热30min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
在钙钛矿层上均匀旋涂空穴传输材料溶液形成空穴传输层。在空穴传输层上真空蒸镀金电极获得基于基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池。
图5为本实施例所得离子液体调控的钙钛矿材料的SEM图，表明通过离子液体调控后的钙钛矿薄膜形貌均一，尺寸均匀、覆盖率高、连续度好。
所制备的基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池，最终获得了16.3％的光电转换效率，高于相同条件下无离子液体调控的器件效率12.2％，提高了33.6％。
实施例3
将铅原料溶于DMF与DMSO的混合溶剂中，使得铅原料浓度为2.0M。按离子液体与溶剂的体积比为0.3:1加入适量离子液体混合均匀。50℃加热搅拌至全溶，过滤。滤液保持在50℃在制备好电子传输层的导电基底上旋涂,旋涂速率为4000rpm。随后静置20min。在上述样品上滴加足量卤化胺盐，使得卤化胺盐与铅原料的摩尔比为8:1。静置60s，室温旋涂，旋涂速率为8000rpm。将旋涂好的样品在130℃条件下加热20min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
在钙钛矿层上均匀旋涂空穴传输材料溶液形成空穴传输层。在空穴传输层上真空蒸镀金电极获得基于基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池。
图6为本实施例所得离子液体调控的钙钛矿材料的SEM图，表明通过离子液体调控后的钙钛矿薄膜形貌均一，尺寸均匀、覆盖率高、连续度好。
所制备的基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池，最终获得了17.1％的光电转换效率，高于相同条件下无离子液体调控的器件效率12.2％，提高了40.2％。
实施例4
将铅原料溶于DMF与DMSO的混合溶剂中，使得铅原料浓度为1.5M。按离子液体与溶剂的体积比为0.5:1加入离子液体混合均匀。80℃加热搅拌至全溶，过滤。滤液保持在80℃在制备好电子传输层的导电基底上旋涂,旋涂速率为3000rpm。随后静置10min。在上述样品上滴加足量卤化胺盐，使得卤化胺盐与铅原料的摩尔比为10:1。静置30s，室温旋涂，旋涂速率为4000rpm。将旋涂好的样品在100℃条件下加热30min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
在钙钛矿层上均匀旋涂空穴传输材料溶液形成空穴传输层。在空穴传输层上真空蒸镀金电极获得基于基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池。
图7为本实施例所得离子液体调控的钙钛矿材料的SEM图，表明通过离子液体调控后的钙钛矿薄膜形貌均一，尺寸均匀、覆盖率高、连续度好。
所制备的基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池，最终获得了16.5％的光电转换效率，高于相同条件下无离子液体调控的器件效率12.2％，提高了35.2％。
实施例5
将铅原料溶于DMF与DMSO的混合溶剂中，使得铅原料浓度为1.0M。按离子液体与溶剂的体积比为0.05:1加入适量离子液体混合均匀。50℃加热搅拌至全溶，过滤。滤液保持在50℃在制备好电子传输层的导电基底上旋涂,旋涂速率为2000rpm。随后静置10min。在上述样品上滴加足量卤化胺盐，使得卤化胺盐与铅原料的摩尔比为5:1。静置30s，室温旋涂，旋涂速率为6000rpm。将旋涂好的样品在130℃条件下加热30min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
在钙钛矿层上均匀旋涂空穴传输材料溶液形成空穴传输层。在空穴传输层上真空蒸镀金电极获得基于基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池。
图8为本实施例所得离子液体调控的钙钛矿材料的SEM图，表明通过离子液体调控后的钙钛矿薄膜形貌均一，尺寸均匀、覆盖率高、连续度好。
所制备的基于离子液体调控的钙钛矿太阳能电池，最终获得了17.9％的光电转换效率，高于相同条件下无离子液体调控的器件效率12.2％，提高了46.7％。
以上实施例的各种技术特征可进行任意组合，本说明书中所述的上述内容仅是对本发明所做的举例说明，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。凡依据本发明专利构思所述的技术特征、原理、构造等所做的简单变化或组合，均应包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做若干修改、变形、改进、补充或类似方法的替代，只要不偏离本发明或超越本发明权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于离子液体调控的高效钙钛矿材料,其特征在于用两步法通过离子液体调控钙钛矿材料的生长过程从而改善其光电性能，包括如下步骤：
(1)将铅原料按一定比例溶于溶剂中，添加适量离子液体，混合均匀；
(2)40-80℃加热搅拌至全溶，过滤；
(3)滤液保持在40-80℃在导电基底上旋涂,随后静置5-20min；
(4)在上述样品上滴加足量卤化胺盐，静置20-60s，室温旋涂；
(5)80-130℃加热10-40min后获得离子液体调控的钙钛矿材料。
2.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述铅原料为氯化铅、溴化铅、碘化铅、醋酸铅中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述铅原料浓度为0.5M-2.0M。
4.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺DMF、二甲亚砜DMSO中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述离子液体阳离子选自咪唑类、吡啶类、吡咯类、哌啶类、吡唑类、三唑类、噻唑类、季铵盐类、季鏻盐类、胍类阳离子；所述离子液体阴离子选自Cl-、Br-、I-、BF4 -、PF6 -、CF3COO-、CF3SO3 -、NTf2 -、N(CN)2 -、C(CN)3 -、NCS-、NO3 -、H2PO4 -、HSO4 -、RCOO-、RSO4 -，其中R选自氢和具有直链或支链的烷基。
6.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述离子液体用量与溶剂体积比为0.01:1-0.5:1。
7.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述导电基底为透明导电玻璃或柔性导电塑料。
8.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：所述铅原料、溶剂、离子液体的混合前驱体溶液过滤后旋涂速率为1500-4000rpm。
9.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：卤化胺盐与铅原料的摩尔比为2:1-10:1。
10.根据权利要求1所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料，其特征在于：加入卤化胺盐后的旋涂速率为3000-8000rpm。
11.一种钙钛矿太阳电池，其特征在于：包括权利要求1-10所述的基于离子液体调控的高效钙钛矿材料为吸光层。
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