CN110676385A - 一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，属于光电器件领域，具体涉及以氢氧化碱金属作为电子传输层和钙钛矿吸光层之间的界面修饰层，用于钙钛矿太阳能电池。其结构包括透明导电基底、电子传输层、钙钛矿层、碳电极。主要以涂覆的方法将氢氧化碱金属修饰在电子传输层和钙钛矿层之间。该修饰层通过降低电子传输层界面张力和功函，提高钙钛矿层成膜质量，来促进界面间的载流子传输以及减弱膜内的非辐射复合。通过该方法集成的全无机碳基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和开路电压得到显著提升，稳定性与迟滞效应明显改善。

Description

一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及以碳基钙钛矿太阳能电池为主体，在电子传输层与钙钛矿层之间沉积碱金属氢氧化物作为多功能界面修饰层与其在光伏发电中的应用。
技术背景
在全球经济的快速发展和世界人口的不断增长下，全球能源需求量持续上升，而日益枯竭的传统化石能源难以满足人类的生产生活需要，反过来又严重阻碍了世界经济的发展和人民生活水平的提高。寻找绿色可再生能源来替代传统的化石能源是我们人类所面临的共同挑战。太阳能最为地球上所有能量的根源，是未来最具有发展潜力的绿色可再生能源。太阳能电池作为太阳能的有效利用途径之一，目前已经由传统的单晶硅、多晶硅电池发展到现在的新型薄膜电池。新型薄膜电池包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机太阳电池以及聚合物太阳能电池等。钙钛矿太阳能电池由染料敏化太阳能电池发展而来，比起目前大量生产的硅太阳能电池有很多优势，比如生产成本低、稳定性好、制作工艺简便以及可制作柔性与叠层电池等。
用于制作太阳能电池的钙钛矿材料的结构为ABX3，其中A＝CH3NH3 +(MA)；CH3(NH2)2 +(FA)；Cs+,B＝Pb2+；Sn2+；Ge2+,X＝Cl-；Br-；I-。凭借其卓越的激子结合能，有机-无机钙钛矿成为非常有前景的下一代光伏材料。基于钙钛矿材料的太阳能电池(PSC)目前的功率转换效率已经突破24％，尽管发展迅速，可在钙钛矿太阳能电池中还是存在着一些问题，比如结构中存在的界面接触与复合问题、吸光层的非辐射复合与不稳定问题等。其中，电子传输层与钙钛矿层之间的界面问题不仅影响着界面之间的电子传输速率，而且影响着钙钛矿吸光层的生长与立方相的稳定情况。因此，开发一种既能促进界面间的电荷传输又能促进钙钛矿层的生长以及抑制载流子复合的多功能界面修饰层对于制作高效稳定的钙钛矿太阳能电池具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的之一是提供一种多功能的界面修饰层。
本发明的目的之二是提供一种碳基钙钛矿太阳能电池，该电池中包括上述多功能的界面修饰层。
发明人研究发现，碱金属氢氧化物作为一种多功能的界面修饰层添加到碳基钙钛矿太阳能电池的电子传输层和钙钛矿吸光层之间，可以降低界面粗糙度和功函，加快界面间的电子传输，促进钙钛矿的生长，钙钛矿层粗糙度降低，与炭层连接更为紧密。制作的电池具有功率转换效率高、稳定性好、迟滞效应小等优点。修饰层的厚度为5-10nm。本发明制作方法简单、成本低廉、能耗少、无污染，适合太阳能电池的大规模工业化生产。
本发明是通过以下技术手段实现的：
一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，电池结构包括依次层叠的导电基底/电子传输层/碱金属氢氧化物层/钙钛矿层/炭电极。电子传输层的厚度为20-40nm，碱金属氢氧化物层的厚度为5-10nm，钙钛矿层的厚度为300-500nm。
所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或柔性导电基底；所述的电子传输层的材料为SnO2、ZnO2、TiO2、Nb2O5、PCBM中的任意一种半导体材料。
所述的碱金属氢氧化物层的材料为KOH、NaOH中的任意一种材料。
所述的钙钛矿层其化学通式为APbIxB3-x，A为铯、甲胺、甲脒阳离子中的一种或多种不同比例的混合阳离子，B为溴或氯，其中0≤x≤3。
所述的炭电极采用导电炭浆。
上述所述的一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)电子传输层的制备：
电子传输层的制备方法：将配制好的电子传输层胶体分散液或溶液涂覆于洁净的导电基底上，退火后形成一层致密的电子传输层薄膜，退火优选为120～150℃退火10～30min。
2)碱金属氢氧化物层的制备：
碱金属氢氧化物层的制备方法：将碱金属氢氧化物(>99.97％)粉末溶于去离子水，配成水溶液，涂覆于步骤1)中的薄膜上，退火后形成一层碱金属氢氧化物薄膜。退火优选为80～120℃退火5～10min；
3)钙钛矿层的制备：
钙钛矿层的制备方法：按照化学通式APbIxB3-x中的元素摩尔比进行配料，称取相应量的AI、PbI2、AB、PbB2，溶于二甲基亚砜(DMSO)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种的混合溶剂得到前驱体溶液；将前驱体溶液一步旋涂于步骤2)中的薄膜上，退火后得到高质量的钙钛矿薄膜；200～300℃加热5～20min。
4)碳电极的制备：
碳电极的制备方法：将导电炭浆涂覆于步骤3)中的薄膜上，退火形成碳电极；退火温度为70～120℃，加热时间为10～30min.
步骤1和2)中的旋涂转速为2000～3000rpm，退火温度为120～150℃，加热时间为10～30min。
步骤3)中的一步旋涂法为反溶剂一步成膜法，反溶剂滴加方法为旋涂后倒数第10～15s开始匀速滴加反溶剂，滴加时间为1～5s；反溶剂为氯苯、甲苯、乙酸乙酯、异丙醇中的一种或几种的混合溶剂，滴加量为每4cm2面积滴加300～400μl。
一种基于具有多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池在一个标准太阳光照射下产生持续稳定的光电压和光电流。可应用于太阳能电动车、太阳能路灯、可穿戴光伏衣物等新能源领域。
与现有的技术相比较，本发明存在的优势：
1)本发明基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池制作方法简便、成本低廉、重复率高。
2)本发明基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，这种以碱金属氢氧化物作为多功能界面修饰层来修饰电子传输层与钙钛矿吸光层界面的方法文献还没报道过，通过实验测试，具有较高的光电压和稳定输出的光电流，获得较高的功率转化效率，稳定性较好。
附图说明
图1、实施例1中制备的经KOH层修饰过的钙钛矿层扫描电镜照片。
图2、实施例1中制备的经KOH层修饰过的SnO2层表面电位照片。
图3、实施例1中制备的经KOH层修饰过的碳基全无机钙钛矿电池的I-V曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实例来对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施个例。
实施例1
1)电子传输层的制备：
将15wt.％的SnO2胶体分散液稀释成2.67wt.％，通过旋涂的方式涂覆于洁净的ITO导电玻璃上，150℃退火30min后形成一层致密的SnO2薄膜(30nm厚度)。
2)碱金属氢氧化物层的制备：
将KOH粉末(>99.99％)溶于去离子水，配制成20mM的水溶液，搅拌1～2h后取60uL旋涂在步骤1)中的SnO2薄膜上，100℃退火10min后形成一层致密的KOH薄膜(5nm厚度)。
3)钙钛矿层的制备：
将溴化铯和碘化铅以摩尔比为1:1加入DMSO中，搅拌1h，配制成摩尔含量为1.0的钙钛矿溶液。常温下搅拌12h，得到澄清透明的黄色钙钛矿前驱体溶液。在手套箱中，取50uL前驱体溶液采用一步旋涂法，转速为3000rpm，时间为30s，第20s滴加反溶剂150μL，得到的钙钛矿薄膜在加热板上280℃退火10min，冷却至室温，得到高质量全无机钙钛矿薄膜(370nm厚度)。
4)碳电极的制备：
将导电炭浆涂覆于步骤3)中得到的高质量钙钛矿薄膜上，100℃退火20min后形成均匀的碳电极。
制作的钙钛矿太阳能电池在一个标准太阳光照射下产生持续稳定的光电压和光电流。获得11.78％的功率转换效率，处于全无机碳基钙钛矿太阳能电池中较高的水平。
从图1可以看出经KOH修饰过的钙钛矿薄膜生长情况，表面致密无针孔，颗粒均一。
从图2可以看出经KOH修饰过的SnO2薄膜表面电位升高，功函数降低，导带位置升高，有利于界面电荷的传输。
从图3可以看出加入KOH修饰层的碳基全无机钙钛矿太阳能电池具有高达1.21V的开路电压和11.78％的功率转换效率。
实施例2
本发明实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于将KOH替换为NaOH。
1)电子传输层的制备：
将15wt.％的SnO2胶体分散液稀释成2.67wt.％，通过旋涂的方式涂覆于洁净的FTO导电玻璃上，150℃退火30min后形成一层致密的SnO2薄膜。
2)碱金属氢氧化物层的制备：
将NaOH粉末(>99.99％)溶于去离子水，配制成10mM的水溶液，搅拌1～2h后取60uL旋涂在步骤1)中的SnO2薄膜上，100℃退火10min后形成一层致密的NaOH薄膜。
3)钙钛矿层的制备：
将溴化铯和碘化铅以摩尔比为1:1加入DMSO中，搅拌1h，配制成摩尔含量为0.8的钙钛矿溶液。常温下搅拌12h，得到澄清透明的黄色钙钛矿前驱体溶液。在手套箱中，取80uL前驱体溶液采用一步旋涂法，转速为3000rpm，时间为30s，第20s滴加反溶剂150μL，得到的钙钛矿薄膜在加热板上280℃退火10min，冷却至室温，得到高质量全无机钙钛矿薄膜。
4)碳电极的制备：
将导电炭浆涂覆于步骤3)中得到的高质量钙钛矿薄膜上，100℃退火20min后形成均匀的碳电极。
制作的钙钛矿太阳能电池在一个标准太阳光照射下产生持续稳定的光电压和光电流，获得了11.41％的功率转换效率和1.20V的开路电压，与KOH的性能相当。

Claims (9)

1.碱金属氢氧化物的应用，作为一种多功能的界面修饰层添加到碳基钙钛矿太阳能电池的电子传输层和钙钛矿吸光层之间，修饰层的厚度为5-10nm。
2.按照权利要求1所述的碱金属氢氧化物的应用，用于降低界面粗糙度和功函，加快界面间的电子传输，促进钙钛矿的生长，与炭层之间接触更为紧密。
3.一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，电池结构包括依次层叠的导电基底/电子传输层/碱金属氢氧化物层/钙钛矿层/炭电极。电子传输层的厚度为20-40nm，碱金属氢氧化物层的厚度为5-10nm，钙钛矿层的厚度为300-500nm。
4.按照权利要求3所述的一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或柔性导电基底；所述的电子传输层的材料为SnO2、ZnO2、TiO2、Nb2O5、PCBM中的任意一种半导体材料。
5.按照权利要求3所述的一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的碱金属氢氧化物层的材料为KOH、NaOH中的任意一种材料。
6.按照权利要求3所述的一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的钙钛矿层其化学通式为APbIxB3-x，A为铯、甲胺、甲脒阳离子中的一种或多种不同比例的混合阳离子，B为溴或氯，其中0≤x≤3。
7.按照权利要求3所述的一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的炭电极采用导电炭浆。
8.制备权利要求3-7任一项所述的一种基于多功能界面修饰层的碳基钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)电子传输层的制备：
电子传输层的制备方法：将配制好的电子传输层胶体分散液或溶液涂覆于洁净的导电基底上，退火后形成一层致密的电子传输层薄膜，退火优选为120～150℃退火10～30min。
2)碱金属氢氧化物层的制备：
碱金属氢氧化物层的制备方法：将碱金属氢氧化物(>99.97％)粉末溶于去离子水，配成水溶液，涂覆于步骤1)中的薄膜上，退火后形成一层碱金属氢氧化物薄膜。退火优选为80～120℃退火5～10min；
3)钙钛矿层的制备：
钙钛矿层的制备方法：按照化学通式APbIxB3-x中的元素摩尔比进行配料，称取相应量的AI、PbI2、AB、PbB2，溶于二甲基亚砜(DMSO)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或两种的混合溶剂得到前驱体溶液；将前驱体溶液一步旋涂于步骤2)中的薄膜上，退火后得到高质量的钙钛矿薄膜；200～300℃加热5～20min。
4)碳电极的制备：
碳电极的制备方法：将导电炭浆涂覆于步骤3)中的薄膜上，退火形成碳电极；退火温度为70～120℃，加热时间为10～30min.
步骤1和2)中的旋涂转速为2000～3000rpm，退火温度为120～150℃，加热时间为10～30min。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3)中的一步旋涂法为反溶剂一步成膜法，反溶剂滴加方法为旋涂后倒数第10～15s开始匀速滴加反溶剂，滴加时间为1～5s；反溶剂为氯苯、甲苯、乙酸乙酯、异丙醇中的一种或几种的混合溶剂，滴加量为每4cm2面积滴加300～400μl。
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