CN109802040A - 基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法与应用 - Google Patents

基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于聚‑3己基噻吩(P3HT)/酞菁锌(ZnPc)复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池制备方法与应用，具体是先在导电玻璃上旋涂电子传输材料，之后在其表面经连续多步旋涂溴化铅和溴化铯溶液制得致密均匀的CsPbBr3吸光层，随后旋涂P3HT和ZnPc混合溶液形成空穴层，最后涂覆碳浆料组装成基于P3HT/ZnPc复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池。本发明充分利用P3HT和ZnPc复合后空穴迁移率高，能带结构可调并可钝化CsPbBr3表面缺陷态的优势，促进电荷提取迁移，抑制辐射及非辐射复合，有效提高电池的光电转换效率，具有材料改进空间大、制备方法简单、成本低廉及稳定性好的优点。

Description

基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能 电池及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于新材料技术以及新能源技术领域，具体涉及基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从最初的3.8%井喷式增长至现在的23.7%，迅速发展成为太阳能光伏发电领域的明星。但是传统的有机-无机杂化钙钛矿材料在光、热、湿、氧等环境中易分解，从而造成其器件光伏性能变差，严重阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。为此，基于CsPbBr3的无机钙钛矿太阳能电池由于其优异的环境稳定性和低成本得到了研究者的密切关注。但是CsPbBr3的价带位置与常用碳背电极功函数之间存在着较大的能级差（0.6 eV），造成电池电荷分离提取困难，界面载流子复合及能量损失严重，限制了CsPbBr3无机钙钛矿太阳能电池光电转换效率的进一步提升。另外，钙钛矿晶体晶界及表面缺陷态密度高，电荷非辐射复合严重，也制约了无机钙钛矿太阳能电池效率的提升。因此开发一种制备方法简单、空穴迁移率高、能带结构可调和可钝化晶界的空穴层，对于在CsPbBr3和碳背电极之间进行界面能级补偿促进电荷提取，抑制载流子复合及提升电池光伏性能具有重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用，本发明可以获得操作简便，稳定性好，光电转换效率高的无机钙钛矿太阳能电池，对于促进无机钙钛矿太阳能电池的商业化进程和发展，具有重要的实用价值和经济价值。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供了基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将浓度为0.2 ~ 0.8 mol/L的钛酸异丙酯和乙二醇铵的乙醇溶液旋涂在带有刻蚀线的干净无杂质的FTO导电玻璃上，并经高温煅烧形成均匀一致的TiO2致密层；将浓度为0.05 ~0.15 g/mL的TiO2胶体旋涂于TiO2致密层表面，经高温煅烧获得二氧化钛介孔层薄膜；将二氧化钛介孔层薄膜浸泡在浓度为0.02 ~ 0.05 mol/L，溶剂为水的四氯化钛溶液中加热，冲洗，晾干后，再进行高温煅烧制得二氧化钛光阳极；将浓度为0.5 ~ 2 mol/L，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺的溴化铅溶液进行加热，再旋涂在二氧化钛光阳极薄膜表面，再进行加热得到溴化铅薄膜；将所浓度为0.05 ~ 0.15 mol/L，溶剂为甲醇的溴化铯溶液旋涂溴化铅薄膜之上，再进行加热，放凉之后重复此步骤多次可获得高质量均匀致密的CsPbBr3钙钛矿层；将聚-3己基噻吩和酞菁锌粉末溶解于氯苯中进行超声，得到质量浓度为5 ~ 15 mg/mL的聚-3己基噻吩/酞菁锌混合溶液，获得均匀溶液旋涂于上述薄膜之上，随后加热制备复合空穴层；在上述复合空穴层表面用刀片刮涂碳浆料，组装成具有复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池。
进一步的：所述步骤（1）中聚-3己基噻吩/酞菁锌质量比例为0 ~ 100%：0 ~ 100%。
进一步的：所述步骤（3）中旋涂转速为6500 ~ 7000转/分，450 ~ 550度下煅烧1 ~3小时。
进一步的：所述步骤（4）中旋涂转速为1500 ~ 2500转/分，400 ~ 500度下煅烧0.5~ 1.5小时。
进一步的：所述步骤（5）和（6）加热均是在70 ~ 90度加热0.5 ~ 1小时。
进一步的：所述步骤（7）旋涂转速为1000 ~ 3000转/分，加热温度为200 ~ 300度，重复次数为7 ~ 8次。
进一步的：所述步骤（8）中在150 ~ 250度加热1 ~ 10分钟。
本发明还提供了利用所述的制备方法制得的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池。
进一步的：所述无机钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.4 V ~ 1.6 V、短路电流为6 mA·cm -2 ~ 8 mA·cm -2、填充因子为0.7 ~ 0.9、光电转换效率为9% ~ 11%。
本发明还提供了所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法在电池组件中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是：
1．本发明针对CsPbBr3的价带位置与常用碳背电极功函数之间存在能级差，造成电池电荷提取分离困难，界面载流子复合严重，影响无机钙钛矿太阳能电池效率提升的问题，充分利用聚-3己基噻吩和酞菁锌复合后空穴迁移率高，能带结构可调的优点，置于CsPbBr3/碳电极层间进行界面能级补偿，降低界面能量损失，促进无机钙钛矿太阳能电池的电荷分离传输，同时阻挡电子向碳电极的迁移，抑制电子-空穴复合，进而将无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高到10%以上。
2．本发明所采用的聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层在CsPbBr3/碳电极层间形成界面能级补偿的同时，可钝化CsPbBr3晶界，降低界面处缺陷态密度，抑制非辐射复合，促进电荷提取，提高电池的光电转换效率。
3．本发明所组装的CsPbBr3无机钙钛矿太阳能电池稳定性优异，在相对湿度为70%的空气环境中电池无密封的条件下连续测试30天，光伏性能无明显衰减。
附图说明
图1为本发明所制备的聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层引入前后无机钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。
图2为本发明所制备的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的稳定性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
本发明提供了基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机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、配制浓度为0.5 mol/L的钛酸异丙酯和乙二醇铵的乙醇溶液（钛酸异丙酯和乙二醇铵为溶质，溶剂为乙醇），通过溶胶-水热反应制备0.1 g/mL的TiO2胶体（溶剂为水），TiO2纳米颗粒尺寸约为20 nm，配制浓度为0.04 mol/L的四氯化钛溶液（四氯化钛溶解在水中）；配制浓度为1 mol/L溴化铅溶液（溴化铅为溶质，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺）;配制浓度为0.07mol/L的溴化铯溶液（溴化铯为溶质，溶剂为甲醇）；配制质量比例为1:1的聚-3己基噻吩/酞菁锌混合溶液（聚-3己基噻吩和酞菁锌为溶质，溶剂为氯苯）；
2、将90微升所述钛酸异丙酯乙醇溶液旋涂在带有刻蚀线的干净FTO导电玻璃基体上成为薄膜，旋涂转速约为7000转/分，时间30秒，之后在500度下高温煅烧2小时制备致密层TiO2；
3、将步骤1中制备的TiO2胶体旋涂在步骤2所得致密层TiO2之上，旋涂转速约为2000转/分，时间30秒，随后在450度下高温煅烧30分钟制得介孔层TiO2；
4、将步骤3所制得的介孔层TiO2浸泡于步骤1所配制的四氯化钛水溶液中，在75度水浴中保温30分钟，随后用乙醇和水洗净并晾干，再在450度下高温煅烧30分钟制得光阳极TiO2；
5、将步骤1所配制的溴化铅溶液在电热板上预热十分钟旋涂于阳极TiO2薄膜表面，旋涂转速为2000转/分，时间为30秒，随后再加热30分钟制备溴化铅薄膜；
6、将步骤1所配制的溴化铯溶液旋涂于步骤5所制的溴化铅薄膜表面，旋涂转速为2000转/分，时间为30秒，随后在250度加热2分钟；
7、重复步骤6中的旋涂过程7次，得到高质量致密均匀的CsPbBr3钙钛矿层；
8、将步骤1所配制的聚-3己基噻吩/酞菁锌混合溶液旋涂于步骤7所制得的CsPbBr3钙钛矿层表面，旋涂转速为2000转/分，时间为30秒，随后在200度加热10分钟，制备复合空穴层薄膜；
9、将碳电极刮涂在步骤8所制得的复合空穴层薄膜表面，在120度下加热5分钟，得到基于复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池。
得到的所述无机CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的光伏性能实验结果如图1和图2所示。通过上述方法，获得了开路电压为1.4 ~1.6 V、短路电流为6 ~ 8 mA·cm -2、填充因子为0.7 ~ 0.9、光电转换效率为9 ~ 11%，所述基于复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池在无封装的条件下连续放置30天电池性能无明显衰减。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将浓度为0.2 ~ 0.8 mol/L的钛酸异丙酯和乙二醇铵的乙醇溶液旋涂在带有刻蚀线的干净无杂质的FTO导电玻璃上，并经高温煅烧形成均匀一致的TiO2致密层；将浓度为0.05 ~0.15 g/mL的TiO2胶体旋涂于TiO2致密层表面，经高温煅烧获得二氧化钛介孔层薄膜；将二氧化钛介孔层薄膜浸泡在浓度为0.02 ~ 0.05 mol/L，溶剂为水的四氯化钛溶液中加热，冲洗，晾干后，再进行高温煅烧制得二氧化钛光阳极；将浓度为0.5 ~ 2 mol/L，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺的溴化铅溶液进行加热，再旋涂在二氧化钛光阳极薄膜表面，再进行加热得到溴化铅薄膜；将所浓度为0.05 ~ 0.15 mol/L，溶剂为甲醇的溴化铯溶液旋涂溴化铅薄膜之上，再进行加热，放凉之后重复此步骤多次可获得高质量均匀致密的CsPbBr3钙钛矿层；将聚-3己基噻吩和酞菁锌粉末溶解于氯苯中进行超声，得到质量浓度为5 ~ 15 mg/mL的聚-3己基噻吩/酞菁锌混合溶液，获得均匀溶液旋涂于上述薄膜之上，随后加热制备复合空穴层；在上述复合空穴层表面用刀片刮涂碳浆料，组装成具有复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所用复合空穴层聚-3己基噻吩/酞菁锌质量比例为0 ~100%：0 ~ 100%。
3.根据权利要求1所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备致密层TiO2时旋涂转速为6500 ~ 7000转/分，烧结温度为450 ~ 550度，烧结时间为煅烧1 ~ 3小时。
4.根据权利要求1所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备介孔层TiO2时旋涂转速为1500 ~ 2500转/分，烧结温度为400 ~ 500度，烧结时间为煅烧0.5 ~ 1小时。
5.根据权利要求1所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备TiO2光阳极和溴化铅薄膜时，均是在70 ~ 90度加热0.5~ 1小时。
6.根据权利要求1所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：旋涂CsBr制备CsPbBr3时旋涂转速为1000 ~ 3000转/分，加热温度为250 ~ 350度，重复次数为7 ~ 8次。
7.根据权利要求1所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备复合空穴层是在150~250度加热1~10分钟。
8.权利要求1 ~ 7任一项所述的制备方法制得的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池。
9.根据权利要求7所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述无机钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.4 V ~ 1.6 V、短路电流为6mA·cm -2 ~ 8 mA·cm -2、填充因子为0.7 ~ 0.9、光电转换效率为9% ~ 11%。
10.权利要求8所述的基于聚-3己基噻吩/酞菁锌复合空穴层的无机钙钛矿太阳能电池在作为电池组件中的应用。
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