CN110707220A - 一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法 - Google Patents

一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110707220A
CN110707220A CN201810747373.3A CN201810747373A CN110707220A CN 110707220 A CN110707220 A CN 110707220A CN 201810747373 A CN201810747373 A CN 201810747373A CN 110707220 A CN110707220 A CN 110707220A
Authority
CN
China
Prior art keywords
black phosphorus
perovskite
stability
precursor solution
improving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810747373.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110707220B (zh
Inventor
赵一新
王勇
钱旭芳
张太阳
阚淼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN201810747373.3A priority Critical patent/CN110707220B/zh
Publication of CN110707220A publication Critical patent/CN110707220A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110707220B publication Critical patent/CN110707220B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/30—Doping active layers, e.g. electron transporting layers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明提供了一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法；包括如下步骤：将二维材料黑磷分散于DMF中，得到黑磷分散液；将MAI、PbI2混合后溶于DMSO中，并加入DMF以及所述黑磷分散液，混匀后得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液旋涂于钙钛矿基片表面后，进行低温退火，得到所述钙钛矿薄膜。本发明具有如下的有益效果：本发明使用的黑磷已经商业化，廉价、易于获取；本发明操作便捷，通过向传统的钙钛矿前驱体溶液中添加少量的黑磷，一步法即可得到优质钙钛矿薄膜，可以满足规模化工业生产的需求；通过本发明得到的含二维材料黑磷的钙钛矿薄膜组装的电池效率高达20.65％，经过500小时的连续光照实验，效率未出现任何的下降。

Description

一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法
技术领域
本发明属于能源和材料技术领域，具体涉及一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法。
背景技术
以光伏效应为工作原理的太阳能电池可将太阳能直接转化电能，是解决能源危机最具潜力的科技之一。2012年，全固态有机无机杂化铅卤钙钛矿CH3NH3PbI3(MAPbI3)太阳能电池(简称，钙钛矿电池)凭借高效率、低成本和生产工艺简便的优点异军突起，2013年入选Science杂志评选的十大科技突破之一，过去5年钙钛矿光伏器件效率进步迅速。2017年NREL发表的最新的太阳能电池效率认证图里，钙钛矿电池的认证效率已经高达22.7％。
在钙钛矿发展之初，大多实验室的高效率钙钛矿电池其有效面积大都小于0.1cm2。随着钙钛矿领域的飞速发展，钙钛矿有效面积也在不断增加。2017年，韩礼元团队发表在nature上面的论文(Nature，2017，550(7674))报道的36cm2有效面积的钙钛矿电池已经取得了12％的效率。黄劲松团队在近期工作中(nature energy，doi:10.1038/s41560-018-0153-9)发现，在大面积钙钛矿电池刮涂过程中，添加一定的表面活性剂，不就能取得较好的钙钛矿薄膜，同时还能够一定程度上钝化缺陷。通过此方法，他们在有效面积为57cm2的钙钛矿电池模块上取得了高达14.6％的光电转换效率。从这些研究不难发现，近几年大多数团队已经不再局限于小面积钙钛矿电池上的高效率，其钙钛矿电池的面积已经不断增大，同时也取得了可观的光电转换效率。
从大面积、高效率角度，钙钛矿电池已经接近于商业化。在这些问题得以解决的同时，阻碍钙钛矿电池商业化的另一个重要问题钙钛矿电池的长期稳定性开始凸显出来。目前，大量研究表明钙钛矿电池湿稳定性可通过提高电池封装技术或通过表面钝化技术(原子层沉积)解决。此时，钙钛矿电池在实际工作状态下，也就是长期光照条件下的稳定性问题无疑成为了钙钛矿这类新型电池商业化进程的最大障碍。
发明内容
本发明目的在于提供一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，具体涉及通过向钙钛矿层中原位引入黑磷。这些黑磷在钙钛矿晶粒生长过程中作为形核核心，诱导钙钛矿晶粒的形核和长大，最终分布于钙钛矿晶粒之间，使钙钛矿太阳能电池在光电转换效率尤其是光照稳定性方面都获得了良好的结果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其包括如下步骤：
将黑磷分散于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，得到黑磷分散液；
将碘化甲胺(MAI)、碘化铅(PbI2)混合后溶于二甲基亚砜(DMSO)中，并加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)以及所述黑磷分散液，混匀后得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液旋涂于钙钛矿基片表面后，低温退火，得到钙钛矿薄膜。
作为优选方案，所述黑磷在黑磷分散液中的质量浓度为0.1～0.5g/L。
作为优选方案，所述前驱体溶液中，MAI和PbI2的摩尔比为1:1，DMF与DMSO的体积比为4:1。
作为优选方案，所述前驱体溶液中，黑磷的质量浓度为0.01～0.2g/L。
作为优选方案，所述旋涂的转速为3000～6000rpm。
作为优选方案，所述旋涂的过程中，滴加300～500uL氯苯。
作为优选方案，所述低温退火的温度为90～110℃，时间为10～20min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本方面使用的黑磷作为二维材料的新成员，经过几年的快速发展，已经商业化，廉价、易于获取；
2、本发明操作便捷，通过向传统的钙钛矿前驱体溶液中添加少量的黑磷，一步法即可得到优质钙钛矿薄膜，可以满足规模化工业生产的需求；
3、通过本发明得到的含有黑磷的钙钛矿薄膜组装的钙钛矿电池效率不仅提高到20.65％。更重要的是，经过500小时的连续光照实验，其光电转换效率并未出现一丝的下降。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1和对比例1所得的钙钛矿薄膜的XRD图，其中MAPbI3/0.02BP代表钙钛矿层中含有黑磷的薄膜，且黑磷在钙钛矿前驱体溶液中的浓度为0.02g·L-1；
图2为实施例1和对比例1所得钙钛矿薄膜的SEM图；其中，a为实施例1的钙钛矿薄膜的SEM图，b为对比例1的钙钛矿薄膜的SEM图；
图3为实施例1所得的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率图；
图4为实施例2和对比例1所用于制备钙钛矿电池的钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收图谱；其中MAPbI3/0.05BP代表钙钛矿层中含有黑磷的薄膜，且黑磷在钙钛矿前驱体溶液中的浓度为0.05g·L-1；
图5为实施例2和对比例1所得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率图；图中，曲线1为MAPbI3/0.05BP基电池，曲线2为MAPbI3基电池；
图6为实施例2和对比例1所得钙钛矿太阳能电池在持续光照条件下，其光电转换效率变化的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明中的钙钛矿基片的制备方法为：用浓盐酸和锌粉蚀刻FTO玻璃后，依次喷涂TiO2致密层和旋涂SnO2平面层，即得。
实施例1
本实施例涉及一种向前驱体中添加二维材料黑磷分散液，进而通过旋涂得到钙钛矿薄膜的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、将二维材料黑磷分散于DMF中后，在20～30℃下超声处理1～3h，得到0.1g/L的黑磷分散液；
S2、将MAI、PbI2按照1:1的摩尔比混合后，溶于400μL的DMSO中，并加入1.2mL的DMF以及400μL步骤S1制备的黑磷分散液，混匀后得到前驱体溶液；
S3、将所述含黑磷的钙钛矿前驱体溶液以5000rpm的转速在钙钛矿基片表面旋涂20s，其中，离旋涂时间结束前17s时滴加400uL氯苯，旋涂结束后在100℃下退火20min，得到钙钛矿薄膜。
将步骤S3中形成的钙钛矿薄膜的表面旋涂空穴传输层，在空穴传输层上蒸镀对电极银等，太阳能电池的制作工艺可参看现行文献。
图1提供了实施例1的X射线图谱，从中可以发现向钙钛矿层中引入黑磷对钙钛矿的晶型、结晶性都没有明显的影响。图2a提供了实施例1的扫描照片，照片表明，向钙钛矿前驱体中添加二维材料黑磷后，薄膜表明致密，晶粒稍有变大。图3提供了实施例1的光电转换效率图示，从图中发现，添加黑磷的钙钛矿电池光电转换效率为19.67％，这一结果比较可观。
实施例2
本实施例方法同实施例1，区别在于黑磷的浓度从0.02mg·mL-1增加到0.05mg·mL-1，从图4可以发现，即使黑磷浓度增加至0.05mg·mL-1，黑磷的添加并不会导致钙钛矿薄膜紫外-可见吸收谱的变化。根据图5可以看出，其含有黑磷的钙钛矿电池效率高达20.65％。表1给出了实施例2的光伏参数，含黑磷钙钛矿薄膜制备的太阳能电池的短路电流(Jsc)与填充因子(FF)都有明显的提高，其光电转换效率为20.65％。图6给出了含有黑磷的钙钛矿电池在持续光照条件下，其光电转换效率的变化示意图。从图6中可以发现，经过连续500小时的光照实验，添加有黑磷的钙钛矿电池其光电转换效率并未出现下降。
对比例1
本对比例方法同实施例1，区别在于前驱体溶液中不含有黑磷。根据表1可以发现，所得钙钛矿电池效率都有所降低。图2b提供了对比例1的扫描照片，照片表明，未添加黑磷的钙钛矿薄膜的晶粒明显不均匀。从图5可以发现，与添加MAPbI3/0.05BP基电池在相同光照条件下，经过14天的持续光照，未添加黑磷的钙钛矿电池其光电转换效率与初始值相比下降了近30％。
表1
Figure BDA0001724702620000041
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将黑磷分散于N,N-二甲基甲酰胺中，得到黑磷分散液；
将碘化甲胺、碘化铅混合后溶于二甲基亚砜中，并加入N,N-二甲基甲酰胺以及所述黑磷分散液，混匀后得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液旋涂于钙钛矿基片表面后，低温退火，得到钙钛矿薄膜。
2.如权利要求1所述的通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述黑磷在黑磷分散液中的质量浓度为0.1～0.5g/L。
3.如权利要求1所述的通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述前驱体溶液中，碘化甲胺和碘化铅的摩尔比为1:1，N,N-二甲基甲酰胺与二甲基亚砜的体积比为4:1。
4.如权利要求1所述的通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述前驱体溶液中，黑磷的质量浓度为0.02～0.2g/L。
5.如权利要求1所述的通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述旋涂的转速为3000～6000rpm。
6.如权利要求1或5所述的通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述旋涂的过程中，滴加300～500uL氯苯。
7.如权利要求1所述的通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法，其特征在于，所述低温退火的温度为90～110℃，时间为10～20min。
CN201810747373.3A 2018-07-09 2018-07-09 一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法 Active CN110707220B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810747373.3A CN110707220B (zh) 2018-07-09 2018-07-09 一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810747373.3A CN110707220B (zh) 2018-07-09 2018-07-09 一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110707220A true CN110707220A (zh) 2020-01-17
CN110707220B CN110707220B (zh) 2021-10-29

Family

ID=69192809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810747373.3A Active CN110707220B (zh) 2018-07-09 2018-07-09 一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110707220B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109786566A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 苏州协鑫纳米科技有限公司 钙钛矿前驱体溶液及其应用
CN112071992A (zh) * 2020-09-11 2020-12-11 中国计量大学 一种磷烯/二氧化锡复合物钙钛矿太阳能电池电子传输层及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106129256A (zh) * 2016-08-30 2016-11-16 戚明海 一种以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN107104190A (zh) * 2017-06-23 2017-08-29 中南大学 一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法
US20170324057A1 (en) * 2014-11-28 2017-11-09 Cambridge Enterprise Limited Electroluminescent device
CN107887511A (zh) * 2017-11-22 2018-04-06 苏州大学 一种基于二维材料石墨烯相氮化碳制备钙钛矿太阳能电池的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170324057A1 (en) * 2014-11-28 2017-11-09 Cambridge Enterprise Limited Electroluminescent device
CN106129256A (zh) * 2016-08-30 2016-11-16 戚明海 一种以黑磷为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及制备方法
CN107104190A (zh) * 2017-06-23 2017-08-29 中南大学 一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN107887511A (zh) * 2017-11-22 2018-04-06 苏州大学 一种基于二维材料石墨烯相氮化碳制备钙钛矿太阳能电池的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI, KAI-WEN; WAN, ZUN-YUAN; LIN, XIN-NAN: "《DEStech Transactions on Engineering and Technology Research》", 13 November 2017 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109786566A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 苏州协鑫纳米科技有限公司 钙钛矿前驱体溶液及其应用
CN109786566B (zh) * 2018-12-29 2023-05-12 昆山协鑫光电材料有限公司 钙钛矿前驱体溶液及其应用
CN112071992A (zh) * 2020-09-11 2020-12-11 中国计量大学 一种磷烯/二氧化锡复合物钙钛矿太阳能电池电子传输层及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110707220B (zh) 2021-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109037398B (zh) 一种铯锡碘薄膜的制备方法及基于其的光伏器件
CN105369232B (zh) 基于铅单质薄膜原位大面积控制合成钙钛矿型CH3NH3PbBr3薄膜材料的化学方法
CN109524548B (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN106449979B (zh) 通过双氨基有机物制备热稳定钙钛矿CsPbI3的方法
CN107620052B (zh) 一种甲脒铯铅碘钙钛矿薄膜的化学气相沉积制备方法及基于其的光伏器件
Wang et al. Effects of organic cation additives on the fast growth of perovskite thin films for efficient planar heterojunction solar cells
CN108832005B (zh) 利用单源热蒸发法制备高效率CsPbBr3无机钙钛矿电池的方法
CN108922971B (zh) 一种快速提升基于有机空穴传输层钙钛矿太阳能电池性能的工艺
CN105702865A (zh) 一种金属掺杂钙钛矿薄膜、其制备方法及应用
CN113130765B (zh) 一种基于无机CsPbI2Br粉末的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN106058060A (zh) 一种制备高质量钙钛矿晶体薄膜的方法
CN105679936A (zh) 一种无铅钙钛矿薄膜、其制备方法及应用
CN111525038B (zh) 一种掺杂有多功能添加剂的钙钛矿太阳电池及其制备方法
CN105023757A (zh) 一种锡掺杂Sb2S3薄膜材料及其制备方法
CN110707220B (zh) 一种通过黑磷提高钙钛矿电池稳定性的方法
Jiang et al. Efficiency enhancement of perovskite solar cells by fabricating as-prepared film before sequential spin-coating procedure
CN107369768A (zh) 一种基于新有机铅源的钙钛矿太阳能电池的制备方法
Pitchaiya et al. Bio-inspired graphitic carbon-based large-area (10× 10 cm2) perovskite solar cells: Stability assessments under indoor, outdoor, and water-soaked conditions
CN105870339A (zh) 一种提高纯度、减少针孔的钙钛矿薄膜的制备方法
CN109336852B (zh) 一种非富勒烯电子传输材料及其合成方法和用途
US20090008637A1 (en) METHODS OF FABRICATING NANOSTRUCTURED ZnO ELECTRODES FOR EFFICIENT DYE SENSITIZED SOLAR CELLS
CN108666429B (zh) 一种具有高电荷传输性质的钙钛矿薄膜的制备方法
CN108117568B (zh) 硅基三苯胺衍生物及其制备方法与在钙钛矿太阳能电池中的应用
CN109585054A (zh) 绿色溶剂替换法干燥的导电碳浆应用于钙钛矿太阳能电池
Li et al. Improvement in efficiency and reproducibility for FAPbI3 solar cells with rapid crystallization

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant