CN110277498B - 一种钙钛矿电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效率钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：1)将清洗干净的透明导电玻璃进行紫外臭氧预处理；2)将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，在导电玻璃上旋涂浓度为1mg/mL的Ti3C2胶体溶液，其旋涂转速为2500rpm/min，时间为60秒，旋涂结束后将导电玻璃取下，置于紫外臭氧清洗机中对其进行紫外臭氧处理10‑60min；3)在电子传输层上旋涂钙钛矿层；4)在钙钛矿层上旋涂空穴传输层；5)在空穴传输层上蒸镀金属阳极。本发明通过对现有钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备工艺进行改进，寻找到最适合的工艺条件，包括电子传输层胶体溶液浓度、旋涂转速和时间、和紫外臭氧处理时间等，制备得到了高效率的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率高达17.17％。

Description

一种钙钛矿电池的制备方法
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，具体涉及一种钙钛矿电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池一般由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属对电极五个部分组成。在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。然后，未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到电子传输层，最后被透明导电玻璃收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集。
现有钙钛矿太阳能电池的制备包括以下步骤：(1)将透明导电玻璃进行紫外臭氧处理；(2)在透明导电玻璃上旋涂电子传输层后退火、紫外臭氧处理；(3)在电子传输层上旋涂钙钛矿层后退火处理；(4)在钙钛矿层上旋涂空穴传输层后置于干燥箱中氧化；(5)最后在空穴传输层上蒸镀金属阳极。
但是使用上述方法制备的钙钛矿型太阳能电池的效率还有待进一步提高。
发明内容
本发明要解决现有方法制备的钙钛矿太阳能电池效率低的技术问题，提供一种钙钛矿电池的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将清洗干净的透明导电玻璃进行紫外臭氧预处理；
2)在步骤1)的透明导电玻璃上旋涂电子传输层；
3)在电子传输层上旋涂钙钛矿层；
4)在钙钛矿层上旋涂空穴传输层；
5)在空穴传输层上蒸镀金属阳极；
其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：
将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，在导电玻璃上旋涂浓度为1mg/mL的Ti3C2胶体溶液，其旋涂转速为2500rpm/min，时间为60秒以上直至Ti3C2薄膜彻底干燥，旋涂结束后将导电玻璃取下，置于紫外臭氧清洗机中对其进行紫外臭氧处理10-60min。
在上述技术方案中，步骤2)进行紫外臭氧处理的时间为30-60min。
在上述技术方案中，步骤2)进行紫外臭氧处理的时间为30min。
在上述技术方案中，所述步骤1)具体包括以下步骤：
将透明导电玻璃分别按顺序置于ITO清洗剂、去离子水、丙酮、酒精、异丙醇中进行超声处理30分钟；随后将清洗干净的导电玻璃紫外臭氧预处理30分钟。
在上述技术方案中，所述步骤3)具体包括以下步骤：
将步骤2)中完成紫外臭氧处理的器件放入充满氮气的手套箱，在Ti3C2电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其转速为5000rpm/min，时间为30秒，并在旋涂时间为25秒时快速滴加350微升的氯苯，待旋涂完成后将其置于100℃热台上进行退火处理，退火时间为10分钟。
在上述技术方案中，所述步骤4)具体包括以下步骤：
在钙钛矿层上旋涂空穴传输层，其转速为4000rpm/min，时间为30秒；随后取出器件放置于真空干燥箱中使其氧化1夜。
在上述技术方案中，所述步骤5)具体包括以下步骤：
将器件置于真空蒸发镀膜机中，在压强低于6*10-4Pa的条件下，在空穴传输层上蒸镀金属阳极，蒸发速率为
Figure GDA0003680455390000031
在上述技术方案中，所述透明导电玻璃为氧化铟锡ITO，所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD((2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴))，所述金属阳极为Ag。
在上述技术方案中，所述电子传输层的厚度为15-25nm，钙钛矿层的厚度为290-310nm，空穴传输层的厚度为120-140nm，金属阳极的厚度为50-70nm。
本发明的有益效果是：
本发明通过对现有钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备工艺进行改进，寻找到最适合的工艺条件，包括电子传输层胶体溶液浓度、旋涂转速和时间、和紫外臭氧处理时间等，制备得到了的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率高达17.17％。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明制备的钙钛矿太阳能电池器件结构图。
图2是本发明制备的钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
本发明提供一种钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将透明导电玻璃分别按顺序置于ITO清洗剂、去离子水、丙酮、酒精、异丙醇中进行超声处理30分钟；随后将清洗干净的导电玻璃紫外臭氧预处理30分钟。
2)将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，在导电玻璃上旋涂浓度为1mg/mL的Ti3C2胶体溶液，其旋涂转速为2500rpm/min，时间为60秒以上直至Ti3C2薄膜彻底干燥，旋涂结束后将导电玻璃取下，置于紫外臭氧清洗机中对其进行紫外臭氧处理10-60min；
3)将步骤2)中完成紫外臭氧处理的器件放入充满氮气的手套箱，在Ti3C2电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其转速为5000rpm/min，时间为30秒，并在旋涂时间为25秒时快速滴加350微升的氯苯，待旋涂完成后将其置于100℃热台上进行退火处理，退火时间为10分钟。
4)在钙钛矿层上旋涂空穴传输层，其转速为4000rpm/min，时间为30秒；随后取出器件放置于真空干燥箱中使其氧化1夜。
5)将器件置于真空蒸发镀膜机中，在压强低于6*10-4Pa的条件下，在空穴传输层上蒸镀金属阳极，蒸发速率为
Figure GDA0003680455390000041
优选步骤2)进行紫外臭氧处理的时间为30-60min，进一步优选步骤2)进行紫外臭氧处理的时间为30min。
优选所述透明导电玻璃为氧化铟锡ITO，所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD((2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴))，所述金属阳极为Ag。
优选所述电子传输层的厚度为15-25nm，钙钛矿层的厚度为290-310nm，空穴传输层的厚度为120-140nm，金属阳极的厚度为50-70nm。
所述Ti3C2胶体溶液的制备过程如下：
步骤1、Ti3C2胶体溶液的制备：
将0.8gLiF粉末加入10mL浓度为9mol/L的盐酸中，搅拌至充分溶解后将0.5gTi3AlC2缓慢加入其中，并在35℃的油浴下连续刻蚀24小时；刻蚀结束后，将刻蚀好的材料置于离心机中进行多次转速为8000转、时间为5分钟的离心处理，每次离心结束后将离心管中清液倒出，再加入去离子水，直到将材料调节为pH>5；随后在氩气保护下，将其进行30分钟的冰浴超声处理，超声结束后将其置于离心机，进行转速为3500转，时间为1小时的离心处理，离心结束后所得清液即为Ti3C2胶体溶液；
步骤2、Ti3C2胶体溶液浓度计算：
取一定体积的Ti3C2分散液进行真空抽滤处理，待抽滤后的Ti3C2膜完全干燥后，用电子天平对其进行称量，从而计算得到其浓度；
当所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3时，其前驱体溶液的制备过程为：
在氮气手套箱中，将1.3Mol的PbI2(242mg)和1.3Mol的CH3NH3I(83mg)溶于408μL的体积比为4:1的DMF/DMSO溶液中，并常温搅拌1小时。
所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD，其溶液的制备过程为：
在N2手套箱中，将Spiro-OMeTAD溶于氯苯，室温搅拌至其溶解，得到浓度为80mg/mL的Spiro-OMeTAD的溶液，随后加入10.5μL/mL的TBP溶液和浓度为510mg/mL的Li-TFSI溶液15.5μL/mL作为添加剂。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
为了对本发明有更深的了解，下面结合实施例中对技术方案进行清楚、完整地描述，但是本发明的实施例仅仅是为了解释本发明，并非限制本发明，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，均属于本发明的保护范围。
以下实施例中所用的原料均为市售商品。
实施例1
将刻蚀好的ITO依次用ITO清洗剂、去离子水、丙酮、酒精、异丙醇超声处理30分钟，然后取刻蚀好的Ti3C2胶体溶液将其溶液浓度调节为1.0mg/mL。将ITO进行紫外臭氧预处理30分钟后放置在匀胶机上，以2500rpm/min的转速进行旋涂Ti3C2(1.0mg/mL)胶体溶液60秒以上直至Ti3C2薄膜彻底干燥，随后将基片置于紫外臭氧清洗机中分别处理0分钟、10分钟、30分钟和60分钟。在氮气手套箱中配制CH3NH3PbI3前驱体溶液，将1.3Mol的PbI2(242mg)和1.3Mol的CH3NH3I(83mg)溶于408μL的体积比为4:1的DMF/DMSO溶液中，并常温搅拌1小时。在手套箱中于电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其转速为5000rpm/min，时间为30秒，并在25秒时滴加350微升的氯苯，旋涂结束后置于100℃热台上进行退火处理，退火时间为10分钟。接着在氮气手套箱中配制Spiro-OMeTAD溶液，将Spiro-OMeTAD溶于氯苯中，室温搅拌至溶解，得到浓度为80mg/mL的Spiro-OMeTAD的溶液，随后加入10.5μL/mL的TBP溶液和浓度为510mg/mL的Li-TFSI溶液15.5μL/mL作为添加剂并搅拌5分钟。然后以转速4000rpm/min，于CH3NH3PbI3层上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，旋涂时间为30s，从而形成Spiro-OMeTAD薄膜，旋涂结束后，将基片置于干燥箱中放置一夜，令Spiro-OMeTAD薄膜进行氧化。最后将基片送入有机蒸发蒸镀机中，当腔室内的压强低于6*10-4Pa时蒸镀阳极银，其蒸发速率
Figure GDA0003680455390000061
银膜厚为60nm。由此便得到高效钙钛矿太阳能电池。器件结构如图1所示。该实施例中所述电子传输层的厚度为20nm、钙钛矿层的厚度为300nm、空穴传输层的厚度为130nm和金属阳极的厚度为60nm。
表1是本发明制备的钙钛矿太阳能电池器件的各项光伏参数。
表1
Figure GDA0003680455390000071
图2是本发明的钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线图，且与表1数据相对应。本发明制备的基于紫外臭氧处理的Ti3C2(MXene)作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池相比于无处理(臭氧处理时间为0)的Ti3C2(MXene)作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池在光电转换效率方面有了显著提升，同时以经紫外臭氧处理的Ti3C2(MXene)作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池可达到17.17％的光电转换效率。由此可知臭氧处理的时间需要在10-60min范围内才能够提高所得钙钛矿太阳能电池的效率，最适合的紫外臭氧处理时间为30分钟。在臭氧处理的时间满足上述范围的基础上，电子传输层制备中其他各项工艺参数也是关键因素，如电子传输层胶体溶液浓度、旋涂转速和时间，上述因素都会对电子传输层的制备产生影响，只有在电子传输层胶体溶液浓度、旋涂转速和时间、及臭氧处理时间均满足本发明的要求时制备的电子传输层得到的钙钛矿太阳能电池的效率才能够提高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将清洗干净的透明导电玻璃进行紫外臭氧预处理；
2)在步骤1)的透明导电玻璃上旋涂电子传输层；
3)在电子传输层上旋涂钙钛矿层；
4)在钙钛矿层上旋涂空穴传输层；
5)在空穴传输层上蒸镀金属阳极；
其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：
将步骤1)中紫外臭氧预处理过的透明导电玻璃置于匀胶机，在导电玻璃上旋涂浓度为1mg/mL的Ti3C2胶体溶液，其旋涂转速为2500rpm/min，时间为60秒以上直至Ti3C2薄膜彻底干燥，旋涂结束后将导电玻璃取下，置于紫外臭氧清洗机中对其进行紫外臭氧处理10-60min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)进行紫外臭氧处理的时间为30-60min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)进行紫外臭氧处理的时间为30min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下步骤：
将透明导电玻璃分别按顺序置于ITO清洗剂、去离子水、丙酮、酒精、异丙醇中进行超声处理30分钟；随后将清洗干净的导电玻璃紫外臭氧预处理30分钟。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：
将步骤2)中完成紫外臭氧处理的器件放入充满氮气的手套箱，在Ti3C2电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，其转速为5000rpm/min，时间为30秒，并在旋涂时间为25秒时快速滴加350微升的氯苯，待旋涂完成后将其置于100℃热台上进行退火处理，退火时间为10分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤：
在钙钛矿层上旋涂空穴传输层，其转速为4000rpm/min，时间为30秒；随后取出器件放置于真空干燥箱中使其氧化1夜。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括以下步骤：
将器件置于真空蒸发镀膜机中，在压强低于6*10-4Pa的条件下，在空穴传输层上蒸镀金属阳极，蒸发速率为
Figure FDA0003668623940000021
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述透明导电玻璃为氧化铟锡ITO，所述钙钛矿层为CH3NH3PbI3，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD，所述金属阳极为Ag。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电子传输层的厚度为15-25nm，钙钛矿层的厚度为290-310nm，空穴传输层的厚度为120-140nm，金属阳极的厚度为50-70nm。
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