CN110890465A - 一种等离子光增强吸收的钙钛矿电池制备方法 - Google Patents

一种等离子光增强吸收的钙钛矿电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种等离子光增强吸收的钙钛矿电池制备方法，其特征在于，包括向钙钛矿太阳能电池引入Au@Ag@SiO2纳米粒子。属于太阳能电池领域。本方法主要利用了金属纳米粒子具有的等离子光增强效应，通过在钙钛矿太阳能电池引入Au@Ag@SiO2纳米粒子来增强钙钛矿太阳能电池器件的吸光能力，提高电池对光的利用率，从而提高电池的光电转化效率。本发明提供的方法能大大提高钙钛矿太阳能电池的吸光性能及电池的器件表现，本方法操作简单、易控制且具有可重复性。

Description

一种等离子光增强吸收的钙钛矿电池制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种等离子光增强吸收的钙钛矿电池制备方法，其特征在于，包括向钙钛矿太阳能电池引入Au@Ag@SiO2纳米粒子。
背景技术
现如今，传统能源逐渐枯竭，环境污染问题日益加剧，发展可再生清洁能源成为了当下的重要任务。目前广泛研究的新型可再生能源主要有太阳能、风能、水能、潮汐能、海洋能、地热能等。其中太阳能电池因其储量丰富、分布广泛、不受地域限制、易储存等优点而成为目前的研究热点。目前对太阳能的利用主要有光热转化、光电转化和光化学转化，其中光电转换受到了人们的广泛关注。目前，太阳能电池约85％的市场份额由硅太阳能电池占据，但是其制备过程导致的高能耗和高成本严重制约了其应用前景。近年来，钙钛矿太阳能电池作为一种新型太阳能电池吸引了众多科研工作者的关注，自2009年首次报道以来，几年的时间里其光电转换效率从3.8％提升至23.2％。
钙钛矿太阳能电池一般由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属对电极几个部分组成。传统钙钛矿太阳能电池为了保证其具有较好光电性能而使用高温烧结制备，这一过程使得太阳能电池的制备成本增加并限制了其在柔性器件上应用。因此改善电池的制备工艺，探索简单的器件性能提升方法是目前一个重要任务。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种通过引入Au@Ag@SiO2提高钙钛矿太阳能电池性能的方法，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子能有效提高钙钛矿太阳能电池的吸光能力，进而提高电池的光电转化效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种提高钙钛矿太阳能电池性能的方法，包括向钙钛矿太阳能电池引入Au@Ag@SiO2纳米粒子，其特征在于制备过程中在制备钙钛矿太阳能电池过程中使用Au@Ag@SiO2纳米粒子，且该粒子存在于制备的电池器件中。
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的说明。
图1为本发明实施例中使用的Au@Ag@SiO2纳米粒子TEM图；
图2为本发明实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图3为本发明实施例1中制备的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3的XRD图；
图4为本发明实施例1中制备的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3的表面SEM图；
图5为本发明实施例1中制备的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3的光吸收图；
图6为本发明实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线图；
图7为本发明实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图8为本发明实施例2中制备的FTO/ZnO的光吸收图；
图9为本发明实施例2中制备的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3的光吸收图；
图10为本发明实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线图；
图11为本发明实施例3中制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图12为本发明实施例3中制备的FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2/CH3NH3PbI3的光吸收图；
图13为本发明实施例3中制备的钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线图；
具体实施方式
本发明提供一种通过引入Au@Ag@SiO2提高钙钛矿太阳能电池性能的方法，为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步进行详细描述，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为本发明实施例中使用的Au@Ag@SiO2纳米粒子TEM图，包括Au纳米核、Ag包覆层和SiO2包覆层。
实施例1
图2为本实施例制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，包括：透明导电玻璃衬底，ZnO电子传输层，引入Au@Ag@SiO2的钙钛矿吸光层，Spiro-OMeTAD空穴传输层，金电极，制备步骤如下：
(1)FTO导电玻璃衬底的预处理：将FTO玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮气枪吹干玻璃备用，在使用之前用氧等离子体处理五分钟。
(2)ZnO旋涂液的制备：将0.29g的KOH溶解在13mL的甲醇溶液中制备成溶液1；将0.59g的Zn(CH3COO)2·2H2O加到25mL的甲醇溶液中，在65℃水浴条件小搅拌溶解形成溶液2；将溶液1逐滴加入到溶液2中，水浴条件下持续搅拌反应2.5h。所得产品用甲醇洗涤2-3次以除去残余的离子。将纳米粒子溶解在14mL正丁醇、1mL甲醇、1.5mL氯仿中形成ZnO前驱液得到氧化锌前驱体溶液，氧化锌前驱体溶液使用之前用0.45μm的PVDF滤头进行过滤得到ZnO旋涂液。
(3)ZnO电子传输层的组装：取100μL上述ZnO前驱体溶液，将其旋涂沉积在经过预处理的FTO玻璃衬底上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为30s；随后在加热板上180℃退火10min；重复这个过程4次以获得最优厚度的ZnO薄膜，薄膜的厚度约为50nm。
(4)钙钛矿旋涂液的配置：配置浓度为1.1M的PbI2溶液(溶液体积比为DMF∶DMSO＝85∶15％)和浓度为10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液。
(5)Au@Ag@SiO2纳米粒子的引入：向上述PbI2溶液中加入一定量的Au@Ag@SiO2纳米粒子溶液，优选体积百分比为1.0vol％。
(6)钙钛矿层的组装：取50μLPbI2溶液沉积在ZnO薄膜上，旋涂的速度为2500-4000rpm，旋涂的时间为30s；之后在60-100℃的条件下退火5-10min，得到FTO/ZnO/PbI2。待其冷却后将其浸泡于CH3NH3I溶液中，浸泡时间为4min，取出之后用异丙醇溶液洗，随后在90℃条件下退火5min，得到FTO/ZnO/CH3NH3PbI3。
(7)Spiro-OMeTAD空穴传输层的组装：将72.3mg Spiro-OMeTAD溶解在1mL氯苯溶液中，添加28.8μL 4-叔丁基吡啶(TBP)和17.5μL锂盐溶液(5mg锂盐/100μL乙腈)，混合均匀得到Spiro-OMeTAD旋涂液。取80μLSpiro-OMeTAD旋涂液沉积在FTO/ZnO/CH3NH3PbI3上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，得到FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD。
(8)金电极的组装：将制作好的基片放在掩膜板内固定，置于蒸发镀膜仪的真空舱内，称取适量金颗粒，抽真空到一定数值后，设置蒸发参数将金蒸发，得到一层金电极。
对本实施例制得的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3样品进行XRD和SEM测试，分别如图3、图4所示，由图3可知，形成的钙钛矿结晶较好，且引入Au@Ag@SiO2纳米粒子对钙钛矿的结晶性没有太大影响。图4(a)为未引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3样品表面的SEM谱图，图4(b)为引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3样品表面的SEM谱图，对比可看出，不引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的纯钙钛矿薄膜为立方体状的结晶，且立方体之间具有孔洞和缝隙，薄膜的表面不平整，较为粗糙。引入的粒子的钙钛矿薄膜的晶粒生长更为致密，钙钛矿晶粒的孔洞减少且薄膜表面更加平整光滑。致密的晶粒和覆盖完全的薄膜更有利于载流子的传输和分离。引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后的钙钛矿薄膜更加致密平整，这种形貌更有利于电池效率的提高。
对本实施例制得的FTO/ZnO/CH3NH3PbI3样品进行紫外可见光吸收测试，结果如图5所示，对比可以看出，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后样品的吸光性能明显提升。
对本实施例制备的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，结果如图6所示，未引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为15.47％，电流密度为20.87mA/cm2，开路电压为1.045V，填充因子为70.88％。引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为17.78％，电流密度为23.76mA/cm2，开路电压为1.048V，填充因子为71.39％。对比可以看出，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和电流密度有了明显的提升。
实施例1
图7为本实施例制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，包括：透明导电玻璃衬底，引入Au@Ag@SiO2的ZnO电子传输层，钙钛矿吸光层，Spiro-OMeTAD空穴传输层，金电极，制备步骤如下：
(1)FTO导电玻璃衬底的预处理：将FTO玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮气枪吹干玻璃备用，在使用之前用氧等离子体处理五分钟。
(2)ZnO旋涂液的制备：将0.29g的KOH溶解在13mL的甲醇溶液中制备成溶液1；将0.59g的Zn(CH3COO)2·2H2O加到25mL的甲醇溶液中，在65℃水浴条件小搅拌溶解形成溶液2；将溶液1逐滴加入到溶液2中，水浴条件下持续搅拌反应2.5h。所得产品用甲醇洗涤2-3次以除去残余的离子。将纳米粒子溶解在14mL正丁醇、1mL甲醇、1.5mL氯仿中形成ZnO前驱液得到氧化锌前驱体溶液，氧化锌前驱体溶液使用之前用0.45μm的PVDF滤头进行过滤得到ZnO旋涂液。
(3)Au@Ag@SiO2纳米粒子的引入：向上述ZnO旋涂液中加入一定量的Au@Ag@SiO2纳米粒子溶液，混合均匀。
(4)ZnO电子传输层的组装：取100μL上述ZnO前驱体溶液，将其旋涂沉积在经过预处理的FTO玻璃衬底上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为30s；随后在加热板上180℃退火10min；重复这个过程4次以获得最优厚度的ZnO薄膜，薄膜的厚度约为50nm。
(5)钙钛矿旋涂液的配置：配置浓度为1.1M的PbI2溶液(溶液体积比为DMF∶DMSO＝85∶15％)和浓度为10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液。
(6)钙钛矿层的组装：取50μLPbI2溶液沉积在ZnO薄膜上，旋涂的速度为2500-4000rpm，旋涂的时间为30s；之后在60-100℃的条件下退火5-10min，得到FTO/ZnO/PbI2。待其冷却后将其浸泡于CH3NH3I溶液中，浸泡时间为4min，取出之后用异丙醇溶液洗，随后在90℃条件下退火5min，得到FTO/ZnO/CH3NH3PbI3。
(7)Spiro-OMeTAD空穴传输层的组装：将72.3mg Spiro-OMeTAD溶解在1mL氯苯溶液中，添加28.8μL 4-叔丁基吡啶(TBP)和17.5μL锂盐溶液(5mg锂盐/100μL乙腈)，混合均匀得到Spiro-OMeTAD旋涂液。取80μL Spiro-OMeTAD旋涂液沉积在FTO/ZnO/CH3NH3PbI3上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，得到FTO/ZnO/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD。
(8)金电极的组装：将制作好的基片放在掩膜板内固定，置于蒸发镀膜仪的真空舱内，称取适量金颗粒，抽真空到一定数值后，设置蒸发参数将金蒸发，得到一层金电极。
对本实施例制得的FTO/ZnO和FTO/ZnO/CH3NH3PbI3样品进行紫外可见光吸收测试，结果如图8和图9所示，对比可以看出，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后样品的吸光性能明显提升。
对本实施例制备的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，结果如图6所示，未引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为15.47％，电流密度为20.87mA/cm2，开路电压为1.045V，填充因子为70.88％。引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为16.68％，电流密度为22.44mA/cm2，开路电压为1.045V，填充因子为71.15％。对比可以看出，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和电流密度有了明显的提升。
实施例1
图11为本实施例制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，包括：透明导电玻璃衬底，ZnO电子传输层，Au@Ag@SiO2界面层，钙钛矿吸光层，Spiro-OMeTAD空穴传输层，金电极，制备步骤如下：
(1)FTO导电玻璃衬底的预处理：将FTO玻璃依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮气枪吹干玻璃备用，在使用之前用氧等离子体处理五分钟。
(2)ZnO旋涂液的制备：将0.29g的KOH溶解在13mL的甲醇溶液中制备成溶液1；将0.59g的Zn(CH3COO)2·2H2O加到25mL的甲醇溶液中，在65℃水浴条件小搅拌溶解形成溶液2；将溶液1逐滴加入到溶液2中，水浴条件下持续搅拌反应2.5h。所得产品用甲醇洗涤2-3次以除去残余的离子。将纳米粒子溶解在14mL正丁醇、1mL甲醇、1.5mL氯仿中形成ZnO前驱液得到氧化锌前驱体溶液，氧化锌前驱体溶液使用之前用0.45μm的PVDF滤头进行过滤得到ZnO旋涂液。
(3)ZnO电子传输层的组装：取100μL上述ZnO前驱体溶液，将其旋涂沉积在经过预处理的FTO玻璃衬底上，旋涂的速度为3000rpm/min，旋涂的时间为30s；随后在加热板上180℃退火10min；重复这个过程4次以获得最优厚度的ZnO薄膜，薄膜的厚度约为50nm。
(4)钙钛矿旋涂液的配置：配置浓度为1.1M的PbI2溶液(溶液体积比为DMF∶DMSO＝85∶15％)和浓度为10mg/mL的CH3NH3I的异丙醇溶液。
(5)Au@Ag@SiO2界面层的沉积：取100μL一定浓度Au@Ag@SiO2溶液，沉积在ZnO薄膜上，旋涂的速度为3000rpm，旋涂的时间为30s；之后在100℃的条件下退火10min，得到FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2。
(6)钙钛矿层的组装：取100μLPbI2溶液沉积在FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2上，旋涂的速度为2500-4000rpm，旋涂的时间为30s；之后在60-100℃的条件下退火5-10min，得到FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2/PbI2。待其冷却后将其浸泡于CH3NH3I溶液中，浸泡时间为4分钟，取出之后用异丙醇溶液洗，随后在90℃条件下退火5min，得到FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2/CH3NH3PbI3。
(7)Spiro-OMeTAD空穴传输层的组装：将72.3mg Spiro-OMeTAD溶解在1mL氯苯溶液中，添加28.8μL 4-叔丁基吡啶(TBP)和17.5μL锂盐溶液(5mg锂盐/100μL乙腈)，混合均匀得到Spiro-OMeTAD旋涂液。取80μL Spiro-OMeTAD旋涂液沉积在FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2/CH3NH3PbI3上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，得到结构为FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD的样品。
(8)金电极的组装：将制作好的基片放在掩膜板内固定，置于蒸发镀膜仪的真空舱内，称取适量金颗粒，抽真空到一定数值后，设置蒸发参数将金蒸发，得到一层金电极。
对本实施例制得的FTO/ZnO/Au@Ag@SiO2/CH3NH3PbI3样品进行紫外可见光吸收测试，结果如图12所示，对比可以看出，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后样品的吸光性能明显提升。
对本实施例制备的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，结果如图13所示，未引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为15.47％，电流密度为20.87mA/cm2，开路电压为1.045V，填充因子为70.88％。引入Au@Ag@SiO2纳米粒子的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为16.66％，电流密度为21.59mA/cm2，开路电压为1.059V，填充因子为72.85％。对比可以看出，引入Au@Ag@SiO2纳米粒子后钙钛矿太阳能电池的光电性能有明显提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种等离子光增强吸收的钙钛矿电池制备方法，其特征在于，包括向钙钛矿太阳能电池引入Au@Ag@SiO2纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于至少包括导电基底、钙钛矿吸光层和对电极。
3.根据权利要求1所述的Au@Ag@SiO2纳米粒子，其特征在于粒子结构包括Au纳米核、Ag包覆层和SiO2包覆层。
4.根据权利要求1所述的Au@Ag@SiO2纳米粒子的引入，其特征在于制备过程中在制备钙钛矿太阳能电池过程中使用Au@Ag@SiO2纳米粒子，且该粒子存在于制备的电池器件中。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池的制备过程，其特征在于包括以下全部或部分步骤：
(1)导电基底的预处理；
(2)电子传输层的组装；
(3)钙钛矿层的组装；
(4)空穴传输层的组装；
(5)对电极的组装。
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