CN110492004A - 一种碳量子点修饰钙钛矿层的钙钛矿太阳能电池制备方法 - Google Patents

一种碳量子点修饰钙钛矿层的钙钛矿太阳能电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法。包括以下步骤：1)以ITO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2)制备空穴传输层；3)在空穴传输层上制备钙钛矿吸光层；4)在钙钛矿层上制备碳量子点修饰层；5)在碳量子点修饰层上制备电子传输层；6)在电子传输层上制备电极。本发明通过将碳量子点分散在异丙醇溶液中，采用旋涂法直接将此量子点溶液旋涂于钙钛矿吸光层上，可以有效降低电子传输过程中载流子复合状况，增加载流子的传输效率，从而提升钙钛矿电池的效率。本发明中碳量子点的制备方法简单，材料易得，且效果明显，适合高性能、低成本的钙钛矿太阳能电池的制备。

Description

一种碳量子点修饰钙钛矿层的钙钛矿太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池制备的技术领域，特别是指一种使用碳量子点修饰钙钛矿层高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新型全固态薄膜电池，具有优良的光电特性，目前认证的光电转换效率已经达到23.7％。目前钙钛矿电池主要是由底电极，电子传输层，光吸收层，空穴传输层以及顶电极组成，其中常见的光吸收层材料有：MAPbI3，MAPb(I,Cl)3，CsFAMAPb(I,Br)3，FAMAPb(I,Br)3等，在反式结构的钙钛矿电池中常用的电子传输层是PCBM，其LUMO能级与钙钛矿的导带匹配良好，因此被广泛使用。碳量子点作为一种新兴的碳材料，具有优异的光学性能，电学性能以及良好的分散性等特点，同时这类材料也具有光吸收与电子储存等特性。
高效的钙钛矿电池除了需要平整致密的电子传输层，钙钛矿层和电子传输层之外，更重要的是需要良好的界面接触，高效的载流子迁移以及较低的界面电荷积累。通过碳量子点修饰钙钛矿光吸收层可以改善上述几点，为制备高效的钙钛矿电池打下基础。
发明内容
本发明的目的是克服上述现存的技术不足，提供了一种使用碳量子点修饰钙钛矿层高效钙钛矿太阳能电池的制备方法，实现高效钙钛矿太阳能电池的制备，使用碳量子点修饰的电池结构为：ITO玻璃/氧化镍空穴传输层/钙钛矿吸光层/碳量子点修饰层/PCBM电子传输层/银电极。
为了克服已经存在的技术不足，本发明的技术方案为：
一种使用碳量子点修饰钙钛矿层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)以ITO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；
(2)制备空穴传输层；
(3)在空穴传输层上制备钙钛矿吸光层；
(4)在钙钛矿层上制备碳量子点修饰层；
(5)在碳量子点修饰层上制备电子传输层；
(6)在电子传输层上制备电极。
进一步地，步骤(2)所述空穴传输层为氧化镍空穴传输层，厚度在10-50nm之间，通过旋涂法制备。
进一步地，步骤(3)所述钙钛矿吸光层通过一步旋涂法制备，厚度在200-400nm之间。
进一步地，步骤(4)所述的碳量子点修饰层是由以下方法制备的：首先将一定量的碳量子点粉末分散在异丙醇中，置于超声震荡器中分散5小时，待其溶解后，在已经退火完成的钙钛矿层上旋涂上述溶液，其中碳量子点溶液浓度为0.01-1mg/ml，碳量子点的粒径为5-20nm，碳量子点修饰层厚度为5-30nm。
进一步地，步骤(5)所述的电子传输层为PCBM电子传输层，厚度为80nm，通过旋涂法制备。
进一步地，步骤(6)所述电极是Ag电极，厚度为100nm，通过真空蒸镀法制备。
一种如上所述的使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体制备步骤如下：
1)将刻蚀好的ITO透明导电玻璃用玻璃清洗液超声清洗30-60min，再用去离子水超声清洗30-60min，最后用无水乙醇超声清洗30-60min，最后放入烘箱中干燥备用；
2)配置10-20mg/ml的氧化镍水溶液，置于磁力搅拌器上搅拌10-14小时；
3)配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，置于磁力搅拌器上搅拌10-14小时；
4)将洗净的基片置于匀胶机上以旋涂氧化镍空穴传输层，120℃退火10-20min；
5)在步骤(4)的条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内的匀胶机上，采用一步法旋涂浓度为1.2M的CsFAMAPb(I,Br)3的前驱体溶液，完成后100℃退火10-20min；
6)在步骤5)的条件下，将冷却的基片置于匀胶机上旋涂碳量子点溶液；
7)在步骤6)的条件下，将基片置于匀胶机上旋涂PCBM溶液作为电子传输层；
8)在步骤7)的条件下，将制备好的样品从手套箱中取出，放入真空蒸镀仪蒸镀金属电极。
本发明首次采用碳量子点来修饰钙钛矿吸光层，制备出的电池效率由11.38％提高到了12.37％。
本发明的有益效果：本发明属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种使用碳量子点修饰钙钛矿层高效钙钛矿太阳能电池的制备方法。通过将碳量子点分散在异丙醇溶液中，采用旋涂法直接将此量子点溶液旋涂于钙钛矿吸光层上，可以有效降低电子传输过程中载流子复合状况，增加载流子的传输效率，从而提升钙钛矿电池的效率。本发明中碳量子点的制备方法简单，材料易得，且效果明显，适合高性能、低成本的钙钛矿太阳能电池的制备。
附图说明
图1为反式钙钛矿电池结构示意图，
其中1为ITO导电玻璃，2为氧化镍空穴传输层，3为钙钛矿光吸收层，4为碳量子点修饰层，5为PCBM电子传输层，6为电极。
图2为不同浓度碳量子点溶液修饰钙钛矿吸光层的I-V曲线。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
(1)将刻蚀好的ITO透明导电玻璃用玻璃清洗液超声清洗30-60min，再用去离子水超声清洗30-60min，最后用无水乙醇超声清洗30-60min，最后放入烘箱中干燥备用；(2)配置10-20mg/ml的氧化镍水溶液，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；(3)配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，置于磁力搅拌器上搅拌12小时；(4)将洗净的基片置于匀胶机上以4000rpm旋涂氧化镍空穴传输层，120℃退火10-20min；(5)在上述(4)的条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内的匀胶机上，采用1000rpm 10s,5000rpm 20s旋涂浓度为1.2M的CsFAMAPb(I,Br)3的前驱体溶液，完成后100℃退火10-20min；(6)在上述(5)的条件下，将基片置于匀胶机上以4000rpm旋涂PCBM溶液作为电子传输层；(7)在上述(6)的条件下，将制备好的样品从手套箱中取出，放入真空蒸镀仪蒸镀80nm金属电极，蒸发速率为0.2nm/s。
实施例2
本实施例与实施例1相同，不同之处在于步骤6之前，将冷却的基片置于匀胶机上以4000rpm旋涂0.1mg/ml碳量子点异丙醇溶液，所述的碳量子点的粒径为15nm。
上述碳量子点的制备方法为：取1g抗坏血酸，于180℃加热3小时，冷却后，将溶液80℃干燥5小时得到碳量子点粉末，其尺寸大小在5-20nm，单分散，化学惰性高，易于功能化。
实施例3
本实施例与实施例2相同，不同之处在于碳量子点异丙醇溶液浓度为0.5mg/ml，置于磁力搅拌器上搅拌12小时，所述的碳量子点的粒径为8nm。
实施例4
本实施例与实施例3相同，不同之处在于碳量子点异丙醇溶液浓度为1mg/ml，置于磁力搅拌器上搅拌12小时，所述的碳量子点的粒径为15nm。
通过旋涂法制备氧化镍空穴传输层的厚度在10-50nm之间，通过一步旋涂法制备的钙钛矿吸光层厚度在200-400nm之间，通过旋涂法制备的碳量子点修饰层厚度为5-30nm，通过旋涂法制备的PCBM电子传输层厚度为80nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为100nm。
上述实施例1及实施例2-4的测试结果如下：
图2为不同浓度碳量子点溶液修饰钙钛矿吸光层的I-V曲线，横坐标为开路电压，纵坐标为短路电流，从图中可以看出，碳量子点修饰层可以使电池效率明显提升。效率从11.37％提高到了12.37％。
表1

Claims (7)

1.一种碳量子点修饰钙钛矿层的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以ITO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；
(2)制备空穴传输层；
(3)在空穴传输层上制备钙钛矿吸光层；
(4)在钙钛矿层上制备碳量子点修饰层；
(5)在碳量子点修饰层上制备电子传输层；
(6)在电子传输层上制备电极。
2.如权利要求1所述使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述空穴传输层为氧化镍空穴传输层，厚度在10-50nm之间，通过旋涂法制备。
3.如权利要求1所述使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述钙钛矿吸光层通过一步旋涂法制备，厚度在200-400nm之间。
4.如权利要求1所述使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的碳量子点修饰层是由以下方法制备的：首先将一定量的碳量子点粉末分散在异丙醇中，置于超声震荡器中分散5小时，待其溶解后，在已经退火完成的钙钛矿层上旋涂上述溶液，其中碳量子点溶液浓度为0.01-1mg/ml，碳量子点的粒径为5-20nm，碳量子点修饰层厚度为5-30nm。
5.如权利要求1所述使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的电子传输层为PCBM电子传输层，厚度为80nm，通过旋涂法制备。
6.如权利要求1所述使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述电极是Ag电极，厚度为100nm，通过真空蒸镀法制备。
7.根据权利要求1所述的使用碳量子点修饰钙钛矿层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：
1)将刻蚀好的ITO透明导电玻璃用玻璃清洗液超声清洗30-60min，再用去离子水超声清洗30-60min，最后用无水乙醇超声清洗30-60min，最后放入烘箱中干燥备用；
2)配置10-20mg/ml的氧化镍水溶液，置于磁力搅拌器上搅拌10-14小时；
3)配置15-20mg/ml的PCBM氯苯溶液，置于磁力搅拌器上搅拌10-14小时；
4)将洗净的基片置于匀胶机上以旋涂氧化镍空穴传输层，120℃退火10-20min；
5)在步骤(4)的条件下，将退火完成的基片放置于手套箱内的匀胶机上，采用一步法旋涂浓度为1.2M的CsFAMAPb(I,Br)3的前驱体溶液，完成后100℃退火10-20min；
6)在步骤5)的条件下，将冷却的基片置于匀胶机上旋涂碳量子点溶液；
7)在步骤6)的条件下，将基片置于匀胶机上旋涂PCBM溶液作为电子传输层；
8)在步骤7)的条件下，将制备好的样品从手套箱中取出，放入真空蒸镀仪蒸镀金属电极。
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