CN110172027A - 一种二维钙钛矿光吸收材料及其制备方法 - Google Patents

一种二维钙钛矿光吸收材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钙钛矿吸收材料技术领域，公开一种二维钙钛矿光吸收材料及其制备方法。分子式为：(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1。制备方法：（1）、1,4‑丁二胺与质量含量为50‑60%的氢碘酸按化学计量摩尔比在室温下搅拌反应2‑3 h，得到1,4‑丁二胺碘溶液；（2）、合成(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1单晶材料：将醋酸铅、质量含量为50‑60%的氢碘酸、质量含量50‑55%的次磷酸水溶液混合后搅拌形成均匀溶液，控温在60‑80℃搅拌反应1‑2 h；接着添加碘化物到上述溶液中，然后滴加1,4‑丁二胺碘溶液，滴加结束后控温在100‑130℃搅拌反应1‑2 h；最后经过洗涤和过滤，获得二维钙钛矿光吸收材料。本发明制备的二维钙钛矿光吸收材料，作为钙钛矿太阳能电池的光吸收层，相应的太阳能电池获得了极高的效率，同时具有很好的稳定性。

Description

一种二维钙钛矿光吸收材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钙钛矿吸收材料技术领域，具体涉及一种二维钙钛矿光吸收材料及其制备方法。
背景技术
21世纪由于能源危机及环境污染，太阳能作为一种可再生能源，是满足全球范围内日益增长的能源需求的重要方法之一。将太阳能转换为电能的一种有效方法是制备基于光生伏特效应的太阳电池，研发高效低成本且易加工的新型太阳电池。是实现太阳能光伏发电广泛应用的技术基础。从2009年以来，新兴的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其优异的光电转换效率和成本低、制备工艺简单以及可制备柔性等优势受到了众多学者和产业界人士的广泛关注，其光电转换效率已经从3.81%迅速提升到24%以上，可以和商业化的硅基太阳能相媲美，具有广阔的发展和应用前景。
虽然钙钛矿太阳能电池效率已经可以和硅基太阳能电池相媲美，甚至已经远超其它的薄膜电池，但是它的长期稳定性仍然是商业化的一个主要问题，主要是三维钙钛矿薄膜容易受水汽和氧气的侵蚀，导致性能下降，同时光照也会导致钙钛矿薄膜的分解，这些严重影响了钙钛矿太阳能电池的商业化进展。在二维钙钛矿材料中由于有机胺长链的插入，使得其具有较好的稳定性，但是由它们的晶粒取向趋向于平行于衬底以及载流子传输不足等问题，基于二维钙钛矿光吸收材料的器件效率较低，限制了其商业化的进程。
发明内容
本发明针对现有的三维钙钛矿光吸收材料不稳定以及二维钙钛矿光吸收材料器件效率较低等问题，本发明的目的旨在提供一种能够获得极高器件效率同时具有很好稳定性的二维钙钛矿光吸收材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种二维钙钛矿光吸收材料，其分子式为：(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1，其中，n=1、2或3，BEA=C4H12N2，M=CH3NH3、CH(NH2)2或CS。
一种二维钙钛矿光吸收材料的制备方法，步骤如下：
（1）、1,4-丁二胺（BEA）与质量含量为50-60%的氢碘酸（HI的水溶液）按化学计量摩尔比在室温下搅拌反应2-3 h，得到1,4-丁二胺碘（BEAI2）溶液；反应过程为：BEA + 2HI →BEAI2+H2；
（2）、合成(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1单晶材料：将醋酸铅（Pb(Ac)2）、质量含量为50-60%的氢碘酸、质量含量50-55%的次磷酸水溶液混合后搅拌形成均匀溶液，控温在60-80 ℃搅拌反应1-2 h；接着添加碘化物（MI）到上述溶液中，然后滴加1,4-丁二胺碘溶液，滴加结束后控温在100-130 ℃搅拌反应1-2 h；最后经过洗涤和过滤，获得(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1单晶材料即二维钙钛矿光吸收材料；
其中，所述碘化物为CH3NH3I、CH(NH2)2I或CSI；1,4-丁二胺碘溶液的用量以其提供的1,4-丁二胺碘计量，氢碘酸的用量以其提供的HI计量，次磷酸水溶液的用量以其提供的次磷酸计量，醋酸铅∶1,4-丁二胺碘∶碘化物∶HI∶次磷酸的摩尔比为=n∶0.5∶n∶2n∶2n，n=1、2或3；反应过程为：nPb(Ac)2 + 0.5BEAI2 + nMI + 2nHI →(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1+ 2nHAc，M=CH3NH3、CH(NH2)2或CS。本发明中，次磷酸是作为催化剂使用的。
有益效果：本发明制备了一种新的二维钙钛矿光吸收材料，并经过简单的热旋涂工艺获得了高质量的薄膜，作为钙钛矿太阳能电池的光吸收层，相应的太阳能电池获得了极高的效率，同时具有很好的稳定性；本发明技术可用于高性能钙钛矿薄膜的制造及光电器件的制备。
附图说明
图1：实施例1所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10单晶材料的扫描电镜示意图。
图2：实施例1所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10单晶材料的XRD图。
图3：基于实施例1所得 (BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10的二维钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。
图4：基于实施例1所得 (BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10的二维钙钛矿太阳能电池工作2300h的器件效率衰减图谱。
图5：基于实施例3所得 (BEA)0.5(CH(NH2)2)3Pb3I10的二维钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。
图6：基于实施例3所得 (BEA)0.5(CH(NH2)2)3Pb3I10的二维钙钛矿太阳能电池工作2300h的器件效率衰减图谱。
图7：基于实施例5所得 (BEA)0.5(CS)3Pb3I10的二维钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。
图8：基于实施例5所得(BEA)0.5(CS)3Pb3I10的二维钙钛矿太阳能电池工作2300h的器件效率衰减图谱。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种二维钙钛矿光吸收材料的制备方法，步骤如下：
（1）、1,4-丁二胺（BEA）与质量含量为57%的氢碘酸（HI的水溶液）按化学计量摩尔比1,4-丁二胺∶HI=1∶2在室温下搅拌反应2 h，得到1,4-丁二胺碘（BEAI2）溶液；
（2）、合成(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10单晶材料：将醋酸铅（Pb(Ac)2）溶于氢碘酸（HI）质量含量为57%的氢碘酸和质量含量50%的次磷酸水溶液的混合溶液中，搅拌形成均匀溶液，控温60 ℃搅拌反应1 h；接着添加碘化物到上述溶液中，然后滴加1,4-丁二胺碘（BEAI2），滴加结束后控温在100 ℃搅拌反应1 h；最后经过洗涤和过滤，获得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10单晶材料即二维钙钛矿光吸收材料；
其中，所述碘化物为CH3NH3I，1,4-丁二胺碘溶液的用量以其提供的1,4-丁二胺碘计量，氢碘酸的用量以其提供的HI计量，次磷酸水溶液的用量以其提供的次磷酸计量，醋酸铅∶1,4-丁二胺碘∶碘化物∶HI∶次磷酸的摩尔比为=3∶0.5∶3∶6∶6。
图1是所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10单晶材料的扫描电镜示意图。由图可知：(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10具有典型的片层结构，符合二维钙钛矿形貌特征。
图2是所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10单晶材料的XRD图。从图2中可以得出：(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10属于P-1空间群，CH3NH3和BEA相互交替排列。
实施例2
一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，步骤如下：
步骤S1--致密二氧化钛（TiO2）薄膜的制备：
S1.1、将FTO导电玻璃依次用去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15 min；
S1.2、将清洗好的FTO导电玻璃在空气中晾干，然后进行紫外臭氧处理15 min；
S1.3、配置60 mL浓度为200 mM的四氯化钛（TiCl4）溶液；
S1.4、上述清洗好的FTO导电玻璃大约呈45°放入配好的四氯化钛溶液中，并在恒温水浴锅中70 ℃下水解1 h，然后用水和无水乙醇分别冲洗；
S1.5、将FTO导电玻璃在100 ℃下退火1 h，即在FTO导电玻璃上沉积生成致密二氧化钛薄膜；
步骤S2--钙钛矿薄膜（光吸收层）的制备：
S2.1、将步骤S1所得FTO导电玻璃置于手套箱中，并在140 ℃预热30min；将实施例1所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10 (1.25 M)溶于DMF∶DMSO混合溶剂中 (4∶1，v/v)，在60 ℃下搅拌2 h，获得钙钛矿前驱体溶液；
S2.2、将配制好的钙钛矿前驱体溶液以旋涂速度5000转/秒旋涂在经过140 ℃预热的沉积有二氧化钛薄膜的FTO导电玻璃上，制得钙钛矿薄膜层；
步骤S3--采取旋涂工艺制备空穴传输层：
空穴传输层溶液配比为：144.6 mg Spiro-OMeTAD、58 μL四叔基吡啶、35 μL浓度为520mg/mL的双三氟甲烷磺酰亚胺锂的乙腈溶液混合于2 ml氯苯，用旋转速度为3000转/秒，进行30秒旋涂，将空穴传输层溶液旋涂在步骤S2所得钙钛矿薄膜上，制得空穴传输层；
步骤S4—在空穴传输层上采用真空热蒸镀工艺制备金属电极金，具体参数为：初始气压4.5×10-7 Torr，蒸镀速率0.2埃/秒，蒸镀厚度80 nm。
通过步骤S1-S4，制备出完整的钙钛矿太阳能电池。在标准测试条件100 mW/cm2光强（AM1.5G光照）下，对电池的光电性能进行了测试，J-V曲线如图3，可知：电池的最高光电转化效率为17.39%。
制备的太阳能电池，在未封装的情况下，2300 h以后仍然保持90%以上的初始效率，如图4所示，可知：所得太阳能电池表现出了极高的环境稳定性。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：制备的单晶材料是(BEA)0.5(CH(NH2)2)3Pb3I10，对应的碘化物对应替换为CH(NH2)2I，其它均同实施例1。
实施例4
与实施例2的不同之处在于：利用“实施例3所得(BEA)0.5(CH(NH2)2)3Pb3I10”代替“实施例1所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10”，其它均同实施例1。
所得二维钙钛矿太阳能电池的J-V曲线见图5，二维钙钛矿太阳能电池工作2300h的器件效率衰减图谱见图6。可知：电池的最高光电转化效率为4.42%，2300 h以后仍然保持87%以上的初始效率。
实施例5
与实施例1的不同之处在于：制备的单晶材料是(BEA)0.5(CS)3Pb3I10，对应的碘化物对应替换为CSI，其它均同实施例1。
实施例6
与实施例2的不同之处在于：利用“实施例5所得(BEA)0.5(CS)3Pb3I10”代替“实施例1所得(BEA)0.5(CH3NH3)3Pb3I10”，其它均同实施例1。
所得二维钙钛矿太阳能电池的J-V曲线见图7，二维钙钛矿太阳能电池工作2300h的器件效率衰减图谱见图8。可知：电池的最高光电转化效率为7.97%，2300 h以后仍然保持95%以上的初始效率。

Claims (2)

1.一种二维钙钛矿光吸收材料，其特征在于，其分子式为：(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1，其中，n=1、2或3，BEA=C4H12N2，M=CH3NH3、CH(NH2)2或CS。
2.一种如权利要求1所述的二维钙钛矿光吸收材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）、1,4-丁二胺与质量含量为50-60%的氢碘酸按化学计量摩尔比在室温下搅拌反应2-3 h，得到1,4-丁二胺碘溶液；
（2）、合成(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1单晶材料：将醋酸铅、质量含量为50-60%的氢碘酸、质量含量50-55%的次磷酸水溶液混合后搅拌形成均匀溶液，控温在60-80 ℃搅拌反应1-2 h；接着添加碘化物到上述溶液中，然后滴加1,4-丁二胺碘溶液，滴加结束后控温在100-130 ℃搅拌反应1-2 h；最后经过洗涤和过滤，获得(BEA)0.5(M)nPbnI3n+1单晶材料即二维钙钛矿光吸收材料；
其中，所述碘化物为CH3NH3I、CH(NH2)2I或CSI；1,4-丁二胺碘溶液的用量以其提供的1,4-丁二胺碘计量，氢碘酸的用量以其提供的HI计量，次磷酸水溶液的用量以其提供的次磷酸计量，醋酸铅∶1,4-丁二胺碘∶碘化物∶HI∶次磷酸的摩尔比为=n∶0.5∶n∶2n∶2n，n=1、2或3。
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