CN109860395A - 一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法，钙钛矿型太阳能电池的结构包括透明导电基底，在透明导电基底上形成的电子传输层，以及在电子传输层上依次沉积的钙钛矿层、空穴传输层和对电极，透明导电基底为ITO导电玻璃基底，电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜，钙钛矿层的材料是CH3NH3PbX3，X可以被单个或者混合的卤原子替代，空穴传输层的材料为spiro‑OMeTAD，对电极为Au或Ag电极。本发明通过改变电子传输层材料，提供一种新型的制备钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备工艺简单，其中，碘的掺杂对纳米棒薄膜表面非常致密均匀，表面更加光滑，有利于钙钛矿在其表面完全覆盖，能够使钙钛矿更好的生长。
Description
技术领域
本发明属涉及一种太阳能电池材料，具体涉及一种新型的钙钛矿锰基氧化物薄膜材料及其制备方法。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池是一种新型太阳能电池，采用钙钛矿结构的有机-金属卤化物吸光材料具有优良的光吸收、光电转化特性以及优异的光生载流子输运特性。因此，采用这种新型光电转化材料的钙钛矿太阳能电池表现出特别优异的光电转化效率。目前钙钛矿型太阳能电池实验室样品光电转化效率已高达16.7％，其理论转化效率最高可达50％，是目前市场上销售的太阳能电池转化效率的2倍，可大幅度降低太阳能电池的使用成本，是当今最有前途的光伏技术之一。
到目前为止，二氧化钛TiO2是最常用的电子传输层材料，起到阻挡空穴和输运电子的作用。TiO2在新型太阳电池中被广泛使用，但作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层层，其导电能力有限，与TiO2相比，ZnO材料具有很多优势，例如优越的电子/光学特性使形貌很容易调控和掺杂、电子迁移率高进而促进电荷的更快速传输以及在低温下可以制备出高质量的薄膜，因此ZnO被认为是钙钛矿太阳能电池理想的电子传输层材料。
但是现有的ZnO作为钙钛矿的介孔支架层，具有较长的长度以及较大的空隙，导致钙钛矿薄膜不能完全覆盖ZnO材料，且会出现许多复合中心，导致电子和空穴的复合的机会大大增加。因此需要对ZnO作为电子传输层材料继续优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的钙钛矿锰基氧化物薄膜材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了一种钙钛矿型太阳能电池，所述钙钛矿型太阳能电池的结构包括透明导电基底，在透明导电基底上形成的电子传输层，以及在电子传输层上依次沉积的钙钛矿层、空穴传输层和对电极，其中：
所述透明导电基底为ITO导电玻璃基底；
所述电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；
所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbX3，X可以被单个或者混合的卤原子替代；
所述空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD；
所述对电极为Au或Ag电极。
优选地，所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbBr3。
优选地，所述钙钛矿层的材料CH3NH3PbI3-xClx，0≤x≤3。
本发明还提供上述钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：ITO导电玻璃预处理
将ITO导电玻璃分别用丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗，把清洗干净的ITO导电玻璃放在培养皿中，晾干后，放在紫外臭氧清洗机中处理，干燥后得到透明导电基底；
步骤2)：ZnO晶种层的制备
制备0.5mol/L的二水醋酸锌溶液，溶剂为乙二醇甲醚和乙醇胺，二者的体积比为10：1，充分搅拌后过滤得到澄清的ZnO晶种溶液，在步骤1)预处理后的ITO导电玻璃上旋涂配置好的ZnO晶种溶液，随后250-300℃煅烧15-20min，得到ZnO晶种层；
步骤3)：碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备
取碘酸溶于去离子水中，碘酸与去离子水的比例为0.1g：150-180mL，然后加入氨水调节溶液的pH值为7，随后加入六水合硝酸锌得到纳米棒的生长液，浓度为40mmol/L，将步骤2)制备得到的ZnO晶种层加入生长液，91-93℃水热生长，取出后用去离子水冲洗干净，随后于干燥箱145-155℃煅烧1-1.5h，得到碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；
步骤4)：组装钙钛矿型太阳能电池
在透明导电基底上形成的碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜作为电子传输层，在电子传输层上依次沉积CH3NH3PbX3作为钙钛矿层、spiro-OMeTAD作为空穴传输层和Au或Ag作为对电极，构成了整个电池结构。
较佳地，步骤1)中，所述紫外臭氧清洗机处理时间为15-30min。
较佳地，步骤2)中，过滤采用0.22μm的过滤塞。
较佳地，步骤2)中，旋涂转速为1500-2000rpm，时间为15-30s。
本发明和现有技术相比，其优点在于：
本发明实施例提供的一种钙钛矿型太阳能电池，改变了电子传输层材料，提供了一种新型的制备钙钛矿型太阳能电池的制备方法，制备工艺简单，其中，碘的掺杂对纳米棒薄膜表面非常致密均匀，表面更加光滑，有利于钙钛矿在其表面完全覆盖，能够使钙钛矿更好的生长。
附图说明
图1为本发明提供实施例1制备得到的碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜和对比例制备得到的不掺杂的ZnO纳米棒薄膜的AFM图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明实施例提供了一种钙钛矿型太阳能电池，钙钛矿型太阳能电池的结构包括透明导电基底，在透明导电基底上形成的电子传输层，以及在电子传输层上依次沉积的钙钛矿层、空穴传输层和对电极，其中：
所述透明导电基底为ITO导电玻璃基底；
所述电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；
所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbX3，X可以被单个或者混合的卤原子替代。
具体的，所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbBr3。
具体的，所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbI3-xClx，0≤x≤3。
所述空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD；
所述对电极为Au或Ag电极。
一种钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：ITO导电玻璃预处理
将ITO导电玻璃分别用丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗，把清洗干净的ITO导电玻璃放在培养皿中，晾干后，放在紫外臭氧清洗机中处理，干燥后得到透明导电基底；
步骤2)：ZnO晶种层的制备
制备0.5mol/L的二水醋酸锌溶液，溶剂为乙二醇甲醚和乙醇胺，二者的体积比为10：1，充分搅拌后过滤得到澄清的ZnO晶种溶液，在步骤1)预处理后的ITO导电玻璃上旋涂配置好的ZnO晶种溶液，随后250-300℃煅烧15-20min，得到ZnO晶种层；
步骤3)：碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备
取碘酸溶于去离子水中，碘酸与去离子水的比例为0.1g：150-180mL，然后加入氨水调节溶液的pH值为7，随后加入六水合硝酸锌得到纳米棒的生长液，浓度为40mmol/L，将步骤2)制备得到的ZnO晶种层加入生长液，91-93℃水热生长，取出后用去离子水冲洗干净，随后于干燥箱145-155℃煅烧1-1.5h，得到碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；
步骤4)：组装钙钛矿型太阳能电池
在透明导电基底上形成的碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜作为电子传输层，在电子传输层上依次沉积CH3NH3PbX3作为钙钛矿层、spiro-OMeTAD作为空穴传输层和Au或Ag作为对电极，构成了整个电池结构。
进一步地，所述紫外臭氧清洗机处理时间为15-30min。
进一步地，步骤2)中，过滤采用0.22μm的过滤塞。
进一步地，步骤2)中，旋涂转速为1500-2000rpm，时间为15-30s。
以下结合实施例进行详细说明：
实施例1
一种钙钛矿型太阳能电池，整个电池的结构包括透明导电基底，以及依次在透明导电基底上形成的电子传输层，在电子传输层上依次沉积钙钛矿层、空穴传输层和对电极，其特征在于：
透明导电基底为ITO导电玻璃基底；电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；钙钛矿层的材料是CH3NH3PbBr3；空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD；金属电极为Au电极。
上述钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)：ITO导电玻璃预处理
将ITO导电玻璃分别用丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗，把清洗干净的ITO导电玻璃放在培养皿中，晾干后，放在紫外臭氧清洗机中处理20min；
步骤2)：ZnO晶种层的制备
制备0.5mol/L的二水醋酸锌溶液，溶剂为乙二醇甲醚和乙醇胺，二者的体积比为10：1，充分搅拌后采用0.22μm的过滤塞过滤得到澄清的ZnO晶种溶液，在步骤1)预处理后的ITO导电玻璃上旋涂配置好的ZnO晶种溶液，旋涂转速为1750rpm，时间为20s，随后275℃煅烧18min，得到ZnO晶种层；
步骤3)：碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备
取碘酸溶于去离子水中，碘酸与去离子水的比例为0.1g：170mL，然后加入氨水调节溶液的pH值为7，随后加入六水合硝酸锌得到纳米棒的生长液，浓度为40mmol/L，将步骤2)制备得到的ZnO晶种层加入生长液92℃水热生长，取出后用去离子水冲洗干净，随后于干燥箱150℃煅烧1.2h，得到ZnO:I纳米棒薄膜；
步骤4)：组装钙钛矿型太阳能电池
依次在透明导电基底上形成的ZnO:I纳米棒薄膜作为电子传输层，在电子传输层上依次沉积CH3NH3PbBr3作为钙钛矿层、spiro-OMeTAD作为空穴传输层和Au作为对电极，构成了整个电池结构。
实施例2
一种钙钛矿型太阳能电池，整个电池的结构包括透明导电基底，以及依次在透明导电基底上形成的电子传输层，在电子传输层上依次沉积钙钛矿层、空穴传输层和对电极，其特征在于：
透明导电基底为ITO导电玻璃基底；电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；钙钛矿层的材料是CH3NH3PbI3；空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD；金属电极为Ag电极。
上述钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)：ITO导电玻璃预处理
将ITO导电玻璃分别用丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗，把清洗干净的ITO导电玻璃放在培养皿中，晾干后，放在紫外臭氧清洗机中处理15min；
步骤2)：ZnO晶种层的制备
制备0.5mol/L的二水醋酸锌溶液，溶剂为乙二醇甲醚和乙醇胺，二者的体积比为10：1，充分搅拌后采用0.22μm的过滤塞过滤得到澄清的ZnO晶种溶液，在步骤1)预处理后的ITO导电玻璃上旋涂配置好的ZnO晶种溶液，旋涂转速为1500rpm，时间为15s，随后250℃煅烧15min，得到ZnO晶种层；
步骤3)：碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备
取碘酸溶于去离子水中，碘酸与去离子水的比例为0.1g：150mL，然后加入氨水调节溶液的pH值为7，随后加入六水合硝酸锌得到纳米棒的生长液，浓度为40mmol/L，将步骤2)制备得到的ZnO晶种层加入生长液91℃水热生长，取出后用去离子水冲洗干净，随后于干燥箱145℃煅烧1h，得到ZnO:I纳米棒薄膜；
步骤4)：组装钙钛矿型太阳能电池
依次在透明导电基底上形成的ZnO:I纳米棒薄膜作为电子传输层，在电子传输层上依次沉积CH3NH3PbI3作为钙钛矿层、spiro-OMeTAD作为空穴传输层和Ag作为对电极，构成了整个电池结构。
实施例3
一种钙钛矿型太阳能电池，整个电池的结构包括透明导电基底，以及依次在透明导电基底上形成的电子传输层，在电子传输层上依次沉积钙钛矿层、空穴传输层和对电极，其特征在于：
透明导电基底为ITO导电玻璃基底；电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；钙钛矿层的材料是CH3NH3PbI1Cl2；空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD；金属电极为Ag电极。
上述钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)：ITO导电玻璃预处理
将ITO导电玻璃分别用丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗，把清洗干净的ITO导电玻璃放在培养皿中，晾干后，放在紫外臭氧清洗机中处理30min；
步骤2)：ZnO晶种层的制备
制备0.5mol/L的二水醋酸锌溶液，溶剂为乙二醇甲醚和乙醇胺，二者的体积比为10：1，充分搅拌后采用0.22μm的过滤塞过滤得到澄清的ZnO晶种溶液，在步骤1)预处理后的ITO导电玻璃上旋涂配置好的ZnO晶种溶液，旋涂转速为2000rpm，时间为30s，随后300℃煅烧20min，得到ZnO晶种层；
步骤3)：碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备
取碘酸溶于去离子水中，碘酸与去离子水的比例为0.1g：150mL，然后加入氨水调节溶液的pH值为7，随后加入六水合硝酸锌得到纳米棒的生长液，浓度为40mmol/L，将步骤2)制备得到的ZnO晶种层加入生长液93℃水热生长，取出后用去离子水冲洗干净，随后于干燥箱155℃煅烧1.5h，得到ZnO:I纳米棒薄膜；
步骤4)：组装钙钛矿型太阳能电池
依次在透明导电基底上形成的ZnO:I纳米棒薄膜作为电子传输层，在电子传输层上依次沉积CH3NH3PbI3作为钙钛矿层、spiro-OMeTAD作为空穴传输层和Ag作为对电极，构成了整个电池结构。
实施例4
一种钙钛矿型太阳能电池，整个电池的结构及钙钛矿型太阳能电池的制备方法同实施例1相同，唯一不同的是，钙钛矿层的材料是CH3NH3PbCl3。
对比例
本对比例一种钙钛矿型太阳能电池，整个电池的结构与实施例相同，唯一不同的是所述电子传输层材料为不经掺杂的ZnO纳米棒薄膜，钙钛矿型太阳能电池的其他制备步骤相同，唯一不同的是步骤3)中，无掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备中，ZnO纳米棒生长液的配置中不加入碘酸和氨水。
一、原子力显微镜表征：
对对比例1制备得到的ZnO和实施例制备得到的ZnO:I纳米棒薄膜进行表征，用来探究碘的掺杂对纳米棒薄膜的形貌的影响，如图1所示，首先，ZnO:I纳米棒薄膜表面非常致密均匀，表面更加光滑，有利于钙钛矿在其表面完全覆盖，能够使钙钛矿更好的生长，而ZnO纳米棒薄膜表面棒与棒之间有明显的间隙，不利于和钙钛矿的界面接触。
综上所述，本发明实施例提供的一种钙钛矿型太阳能电池，改变了电子传输层材料，提供了一种新型的制备钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其中，碘的掺杂对纳米棒薄膜表面非常致密均匀，表面更加光滑，有利于钙钛矿在其表面完全覆盖，能够使钙钛矿更好的生长。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种钙钛矿型太阳能电池，所述钙钛矿型太阳能电池的结构包括透明导电基底，在透明导电基底上形成的电子传输层，以及在电子传输层上依次沉积的钙钛矿层、空穴传输层和对电极，其特征在于：
所述透明导电基底为ITO导电玻璃基底；
所述电子传输层材料为碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；
所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbX3，X可以被单个或者混合的卤原子替代；
所述空穴传输层的材料为spiro-OMeTAD；
所述对电极为Au或Ag电极。
2.如权利要求1所述的一种钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbBr3。
3.如权利要求1所述的一种钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层的材料是CH3NH3PbI3-xClx，0≤x≤3。
4.一种钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：ITO导电玻璃预处理
将ITO导电玻璃分别用丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗，把清洗干净的ITO导电玻璃放在培养皿中，晾干后，放在紫外臭氧清洗机中处理，干燥后得到透明导电基底；
步骤2)：ZnO晶种层的制备
制备0.5mol/L的二水醋酸锌溶液，溶剂为乙二醇甲醚和乙醇胺，二者的体积比为10：1，充分搅拌后过滤得到澄清的ZnO晶种溶液，在步骤1)预处理后的ITO导电玻璃上旋涂配置好的ZnO晶种溶液，随后250-300℃煅烧15-20min，得到ZnO晶种层；
步骤3)：碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜的制备
取碘酸溶于去离子水中，碘酸与去离子水的比例为0.1g：150-180mL，然后加入氨水调节溶液的pH值为7，随后加入六水合硝酸锌得到纳米棒的生长液，浓度为40mmol/L，将步骤2)制备得到的ZnO晶种层加入生长液，91-93℃水热生长，取出后用去离子水冲洗干净，随后于干燥箱145-155℃煅烧1-1.5h，得到碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜；
步骤4)：组装钙钛矿型太阳能电池
在透明导电基底上形成的碘掺杂的ZnO纳米棒薄膜作为电子传输层，在电子传输层上依次沉积CH3NH3PbX3作为钙钛矿层、spiro-OMeTAD作为空穴传输层、Au或Ag作为对电极，构成了整个电池结构。
5.如权利要求4所述的一种钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述紫外臭氧清洗机处理时间为15-30min。
6.如权利要求4所述的一种钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2)中，过滤采用0.22μm的过滤塞。
7.如权利要求4所述的一种钙钛矿型太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2)中，旋涂转速为1500-2000rpm，时间为15-30s。
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| CN107565031A (zh) * | 2016-07-01 | 2018-01-09 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种在ZnO致密层上制备高表面覆盖率钙钛矿吸光层的方法 |
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