CN110299453B - 一种氧化钨电子传输层、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用 - Google Patents

一种氧化钨电子传输层、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化钨电子传输层、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明制备方法如下：（1）将钨酸溶解于双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；（2）将A溶液加热反应得到透明的B溶液；（3）在B溶液中加入有机溶剂与蒸馏水，加热反应得到溶液C；（4）在C溶液中加入有机溶剂，加热反应得到无色透明溶胶D；（5）取溶胶D在导电玻璃基底上喷涂；（6）喷涂后的基底在加热台上加热，得到氧化钨电子传输层薄膜。本发明制备的电子传输层应用于可印刷钙钛矿太阳能电池中可得到850‑891mV的开路电压。本发明制备的电子传输层厚度可控，工艺简单，流程方便，可重复性强，能有效降低电池制作成本，便于技术推广。

Description

一种氧化钨电子传输层、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池 中的应用
技术领域
本发明涉及一种氧化钨电子传输层、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，属于无机纳米材料技术领域。
背景技术
从2009年诞生到2019年的短短十年间，基于有机金属卤化物光吸收剂的钙钛矿太阳能电池的认证效率从3.8%跃升至23.7%，引起了研究者的广泛关注。其中，可印刷钙钛矿太阳能电池舍弃了影响电池稳定性的空穴传输材料和金属电极，选取碳对电极取代诸如Pt、Au等贵金属，并用丝网印刷工艺制备对电极，大大降低了电池的制作成本，同时提高器件的稳定性，是最具有应用前景的电池器件之一。
氧化钨是一种典型的n型半导体过渡金属氧化物，是少数几种易于实现量子尺寸效应的半导体氧化物之一，纳米氧化钨较大的比表面积和对电磁波很高的吸收能力使它在太阳能吸收材料领域体现出重要的应用价值。同时，氧化钨具有良好的电子传输能力（10~20cm2V-1s-1）和化学稳定性，其导带位置介于二氧化钛与氧化锡之间，其能带结构与电子迁移率都符合钙钛矿太阳能电池的要求。纳米氧化钨薄膜的制备方法有多种，如水热法、电化学沉积法、喷雾热解法等方法。其中，水热法制备的氧化钨薄膜厚度可控性较差，不利于钙钛矿太阳能电池中所需较薄的电子传输层的要求。电化学沉积法制备所得的氧化钨薄膜与导电基质结合性不好，且所得薄膜均匀性不甚理想。而采用喷雾热解法制备纳米薄膜技术更能有效的控制薄膜厚度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氧化钨电子传输层、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明采用钨酸作为钨源制备溶胶，经高温热解形成氧化钨薄膜，所得氧化钨薄膜，具有良好致密性、厚度可控，可用作钙钛矿太阳能电池中的电子传输层。
本发明目的通过下述方案实现。
本发明提供一种氧化钨电子传输层的制备方法，具体步骤如下：
（1）将2.4g~3g钨酸溶解于30~35mL双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；
（2）将A溶液加热反应0.5~1小时得到透明的B溶液；
（3）在B溶液中加入30~35 mL有机溶剂与45~50mL蒸馏水，加热反应5~20分钟得到溶液C；
（4）在溶液C中加入150~200mL有机溶剂，加热反应40分钟~60分钟，得到无色透明溶胶D；
（5）取一定量的溶胶D在导电玻璃基底上喷涂10~20分钟，喷涂速度为2mL/min；
（6）喷涂后的基底在加热台上500℃加热，得到氧化钨电子传输层薄膜。
本发明中，步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）中，加热温度为95~110℃。
本发明中，步骤（3）和步骤（4）中，有机溶剂选自无水乙醇或异丙醇或正丁醇中任一种。
本发明中，步骤（5）中，导电玻璃基底为FTO导电玻璃；取用溶胶D的体积为10~50mL，采用喷雾热解技术制备，喷涂速度为2mL/min。
本发明中，步骤（6）中，加热时间为20~40分钟。
本发明还提供一种上述的制备方法制得的氧化钨电子传输层。
本发明进一步提供一种上述的氧化钨电子传输层在钙钛矿太阳能电池中作为电子传输层的应用。优选的，钙钛矿太阳能电池为可印刷钙钛矿太阳能电池。更优选的，其由氧化钨电子传输层上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极获得。钙钛矿太阳能电池的开路电压达到850-891mV。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、通过本发明制备方法得到的氧化钨薄膜结构致密，形貌均一、稳定性强、能够厚度可控的合成。
2、本发明制备的氧化钨电子传输层薄膜可广泛应用于无空穴传输层的可印刷钙钛矿电池等领域，在所制得的电子传输层的基础上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极，制备的钙钛矿太阳能电池可得到850-891mV的开路电压。
附图说明
图1：实施例2制得的氧化钨电子传输层薄膜放大50000倍的扫描电镜图。
图2：实施例2制得的氧化钨电子传输层薄膜放大25000倍的断面扫描电镜图。
图3：实施例2制得的氧化钨薄膜和钙钛矿薄膜的紫外-可见光吸收曲线。
图4：实施例1-4制得的钙钛矿太阳能电池结构示意图。
图5：实施例1制得的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线。
图6：实施例2制得的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线。
图7：对比例1中采用二氧化钛为电子传输层制得的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。本领域技术人员将会理解，以下实施例仅为本发明的优选实施例，其目的仅在于更好理解本发明的内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）将2.4g钨酸溶解于30mL双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；
（2）将A溶液加热到100℃回流0.5小时得到透明的溶液B；
（3）在B溶液中加入35 mL异丙醇与50mL蒸馏水，95℃下加热5分钟得到溶液C；
（4）在C溶液中加入200mL异丙醇，继续95℃下加热1h得到无色透明溶胶D；
（5）取20mL的溶胶D在清洁的FTO导电玻璃上喷涂10分钟，喷涂速度为2mL/min；
（6）喷涂后的基底在加热台上500℃加热30分钟，得到性能良好的氧化钨电子传输层薄膜材料。
在所制得的电子传输层的基础上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极，制备得到钙钛矿太阳能电池结构如图4所示，其光伏特性曲线如图5所示，开路电压为880mV，短路电流密度为16.73mAcm-2，填充因子为0.46，外量子效率 6.70%。
实施例2
（1）将2.5g钨酸溶解于30mL双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；
（2）将A溶液加热到95℃反应1小时得到透明的溶液B；
（3）在B溶液中加入35 mL无水乙醇与50mL蒸馏水，95℃下加热5分钟得到溶液C；
（4）在C溶液中加入150 mL无水乙醇，继续95℃下加热1h得到无色透明溶胶D；
（5）取40mL的溶胶D在清洁的FTO导电玻璃上喷涂20分钟，喷涂速度为2mL/min；
（6）喷涂后的基底在加热台上500℃加热20分钟，得到性能良好的氧化钨电子传输层薄膜材料。图1是实施例2制得的氧化钨薄膜放大50000倍的扫描电镜照片；图2是实施例2制得的氧化钨薄膜放大25000倍的断面扫描电镜照片；其结果表示实施例2制得了致密、平整、稳定性好、厚度可控的氧化钨薄膜。实施例2制得的氧化钨薄膜和钙钛矿薄膜的紫外-可见光吸收曲线如图3所示。在所制得的电子传输层的基础上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极，制得的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线如图6所示。制备的钙钛矿太阳能电池的开路电压为891mV，电流15.54 mAcm-2，填充因子0.48，外量子效率为6.63%。
实施例3
（1）将3g钨酸溶解于35mL双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；
（2）将A溶液加热到100℃回流0.5小时得到透明的溶液B；
（3）在B溶液中加入30mL无水乙醇与50mL蒸馏水，100℃下加热20分钟得到溶液C；
（4）在C溶液中加入200 mL无水乙醇，100℃下继续加热1h得到无色透明溶胶D；
（5）取30mL的溶胶D在清洁的FTO导电玻璃上喷涂15分钟，喷涂速度为2mL/min；
（6）喷涂后的基底在加热台上500℃加热40分钟，得到性能良好的氧化钨电子传输层薄膜材料。
在所制得的电子传输层的基础上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极，制备的钙钛矿太阳能电池可得到860mV的开路电压。
实施例4
（1）将3g钨酸溶解于35mL双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；
（2）将A溶液加热到100℃回流0.5小时得到透明的溶液B；
（3）在B溶液中加入30mL正丁醇与50mL蒸馏水，100℃下加热20分钟得到溶液C；
（4）在C溶液中加入150 mL正丁醇，100℃下继续加热1h得到无色透明溶胶D；
（5）取40mL的溶胶D在清洁的FTO导电玻璃上喷涂20分钟，喷涂速度为2mL/min；
（6）喷涂后的基底在加热台上500℃加热40分钟；得到性能良好的氧化钨电子传输层薄膜材料。
在所制得的电子传输层的基础上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极，制备的钙钛矿太阳能电池可得到850mV的开路电压。
对比例1
采用二氧化钛为电子传输层，在电子传输层上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极，制得的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线如图7；所得电池的开路电压为825mV，短路电流密度为15.51mAcm-2，填充因子为0.50，外量子效率为6.24%。

Claims (6)

1.一种氧化钨电子传输层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将2.4g~3g钨酸溶解于30~35mL双氧水中，搅拌得到乳白色的A溶液；
（2）将A溶液加热反应0.5~1小时得到透明的B溶液；
（3）在B溶液中加入30~35 mL有机溶剂与45~50mL蒸馏水，加热反应5~20分钟得到溶液C；
（4）在溶液C中加入150~200mL有机溶剂，加热反应40分钟~60分钟，得到无色透明溶胶D；
（5）取一定量的溶胶D在导电玻璃基底上喷涂10~20分钟；
（6）喷涂后的基底在加热台上500℃加热，得到氧化钨电子传输层薄膜；其中：
步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）中，加热温度为95~110℃；
步骤（3）和步骤（4）中，有机溶剂选自无水乙醇或异丙醇或正丁醇中一种；
步骤（5）中，导电玻璃基底为FTO导电玻璃；取用溶胶D的体积为10~50mL，采用喷雾热解技术制备，喷涂速度为2mL/min；
步骤（6）中，加热时间为20~40分钟。
2.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的氧化钨电子传输层。
3.一种根据权利要求2所述的氧化钨电子传输层在钙钛矿太阳能电池中作为电子传输层的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，钙钛矿太阳能电池为可印刷钙钛矿太阳能电池。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，钙钛矿太阳能电池由氧化钨电子传输层上旋涂二氧化钛多孔层、二氧化锆间隔层、钙钛矿层，并印刷碳电极获得。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，钙钛矿太阳能电池的开路电压达到850-891mV。
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