CN110993795B - 基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池及界面层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，该方法创造性地在反式结构电池的空穴传输层和钙钛矿层之间引入氧化铜量子点作为界面层进行修饰，利用窄禁带氧化铜的高空穴迁移率和价带特点对载流子的运输进行优化，并且使窄禁带氧化铜与宽禁带氧化镍形成偶极子。这使得制备出来的钙钛矿薄膜具有较大且均匀的晶粒，改善了层级之间的载流子传输效率和重结合，进一步体现在提高了电池器件的开路电压、电流密度、填充因子和内量子转换效率，将其应用于发光器件和激光器件也能有效改善性能。同时利用该方法制备钙钛矿太阳能电池为实现产业化提供可能。

Description

基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池及界面层的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池及界面层的制备方法，尤其是一种氧化铜量子点修饰的钙钛矿太阳能电池的方法。
背景技术
社会的快速发展投入了大量的化石能源，使得污染问题和能源危机问题加剧。因此，人们开始重视新能源方向的研究，其中钙钛矿太阳能电池就是一个重要方向。
有机无机杂化钙钛矿材料由于在吸收因子、载流子传输效率、载流子扩散距离方面的优越性已经引起了全球研究者的广泛关注，尤其是在性能方面的优越性以及制备方案的简便性。经过大量的研究和发展，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从最初被提出开始的3.8% 如今超过了24%的转换效率。在各种结构的钙钛矿太阳能电池器件中，反式钙钛矿太阳能电池由于其结构简单、低温、全溶液制备和磁滞可忽略的优点而备受关注。不仅如此，反式钙钛矿太阳能电池能够保证制备方案的简便和器件的灵活性，这使得它具有较高的研究价值。反式结构的钙钛矿太阳能电池通常由导电玻璃层、电子传输层、空穴传输层、钙钛矿层(光吸收层)、电子传输层、电极组成，虽然其仍然略低于传统结构的效率(24.2%)，目前反式结构的电池最高效率已经达到21%。
目前在载流子传输层和钙钛矿层之间存在两个比较重要的问题：一、载流子传输效率较低；二、载流子的复合率较高。而解决这个问题的其中一个方法就是制备界面层进行修饰，这种方法在价带调整、载流子提取和减少界面载流子复合方面具有至关重要的作用。而过去大多数相关的研究工作都是集中在传统结构的电子传输层和钙钛矿层之间，对反式结构的空穴传输层和钙钛矿层之间的电池研究相对较少。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种将氧化铜量子点作为界面层进行修饰，以解决现有技术中存在的载流子复合率较高和传输效率较低的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，包括自下而上依次设置的透明衬底、透明电极、空穴传输层、氧化铜量子点界面层、钙钛矿层、电子传输层、界面修饰层和金属电极。
进一步的，所述透明衬底由玻璃或柔性塑料制成。
进一步的，所述透明电极的材料为铟锡氧化物、氟锡氧化物或铝锌氧化物。
进一步的，所述空穴传输层由有机材料和/或无机材料组成；所述有机材料包括PEDOT:PSS、Spiro-MeOTAD和PTAA中的一种或多种；所述无机材料包括氧化镍、氧化铜、氧化亚铜中的一种或多种；所述空穴传输层的厚度约为20~100nm。
进一步的，所述氧化铜量子点界面层的厚度为5~20nm；所述钙钛矿层的厚度为200~400nm，所述的钙钛矿层在太阳能电池中作用是吸收入射光产生电子空穴对，本发明公开的钙钛矿材料主要是类似ABX3（A=CH3NH3 +等;B=Pb2 +,Sn2 +等;X=Cl-,Br-,I-等）等晶体结构的有机无机杂化钙钛矿，其能带禁带在1.0-2.0 eV。
进一步的，所述电子传输层由有机材料和/或无极材料组成；所述有机材料包括PCBM、C60和TPBi中的一种或多种；所述无机材料包括氧化钛、氧化锌、氧化锆的一种或多种；所述电子传输层的厚度为10~200nm。
进一步的，所述界面修饰层为BCP、Ca、Ba或LiF；所述界面修饰层的厚度为1~20nm，界面修饰层的作用主要是改善电极与空穴传输层或电子传输层之间的欧姆接触，同时防止电极与钙钛矿直接接触。
进一步的，所述阴极由具有较高功函数的金属电极或导电碳材料电极组成，所述金属电极包括金电极、银电极和铝电极。
一种氧化铜量子点界面层的制备方法，所述方法包括：
制备氧化铜量子点分散液；
将所述氧化铜量子点分散液旋涂至衬底上得到氧化铜量子点界面层。
进一步的，所述氧化铜量子点分散液的浓度为0.1mg/mL；
所述氧化铜量子点分散液的溶剂包括二甲基亚砜。
一种氧化铜量子点界面层的制备方法的具体操作步骤为：
1)将氧化铜量子点粉末分散在二甲基亚砜(DMSO)中，在室温条件下得到氧化铜量子点分散液，其浓度为0.1mg/mL，并将其保存在氮气氛围中。
2)通过将配置好的氧化铜量子点溶液以两步旋涂的方法在覆盖氧化镍膜的透明电极衬底上得到氧化铜量子点界面层，并且以100℃退火10分钟。
利用上述方法制备的氧化铜量子点界面层作为空穴传输层和钙钛矿层之间的修饰，可以制备太阳能电池、发光器件和激光器件。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明在空穴传输层和钙钛矿层之间创造性的引入了氧化铜量子点粉末，利用氧化铜的p型的高空穴迁移率、合适的价带和窄带氧化铜量子点界面层与氧化镍层之间偶极子层的形成从而消除了空穴传输层与钙钛矿层之间的空穴迁移障碍，加入量子点粉末的器件的短路电流、开路电压、载流子输运效率都得到有效的提高，明显改善了太阳能电池等发光器件的性能，利用该方法制备的钙钛矿太阳能电池为产业化的实现提供了可能性。
附图说明
图1是本发明一种利用氧化铜量子点作为界面层制备钙钛矿太阳能电池器件的结构示意图；
图2是本发明涂覆在ITO基底上的氧化镍和氧化镍/氧化铜量子点薄膜的透射光谱图；
图3是本发明实施例1制备的含氧化铜量子点的钙钛矿薄膜与实施例2中常规钙钛矿薄膜的光吸收强度对比图；
图4是本发明实施例1制备的含氧化铜量子点的钙钛矿薄膜与实施例2中常规钙钛矿薄膜所制备电池器件的内量子转换效率对比图；
图5是本发明实施例1制备的含氧化铜量子点的钙钛矿薄膜与实施例2中常规钙钛矿薄膜所制备电池器件的电流密度-电压曲线图；
图6是本发明实施例1制备的含氧化铜量子点的钙钛矿薄膜与实施例2中常规钙钛矿薄膜的多晶X衍射对比图谱；
图7是本发明实施例1制备的含氧化铜量子点的钙钛矿薄膜与实施例2中常规钙钛矿薄膜的扫描电子显微镜表面图；
图8是本发明实施例1制备的含氧化铜量子点的钙钛矿薄膜与实施例2中常规钙钛矿薄膜所制备得到电池器件的具体光伏特性参数图。
具体实施方法
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合实例和附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了实现高效率的反式钙钛矿太阳能电池，我们进行了更加深入的研究。通过大量的研究表明，宽禁带界面层可以钝化界面复合，抑制界面漏电流，但宽禁带界面层对提高载流子输运性能没有显著影响，因此寻找一种既能增强电荷输运又能抑制电荷输运的新型界面层具有重要意义。在典型的常见的金属氧化物中，氧化铜表现出p型的高空穴迁移率，这使它成为极好的空穴传输层候选材料，而且氧化铜的最低价带最大值(~5.2 eV)也与钙钛矿的最高占据分子轨道(~5.4 eV)相匹配。因此，我们可以尝试将窄禁带氧化铜量子点作为界面层来修饰反式结构中的空穴传输层和钙钛矿层，以期制备性能更加优异的太阳能电池器件，且帮助实现进一步的工业生产。
一种太阳能电池，包括自下而上依次设置的透明衬底、透明电极、空穴传输层、氧化铜量子点界面层、钙钛矿层、电子传输层、界面修饰层和金属电极。透明衬底由玻璃或柔性塑料制成。透明电极的材料为铟锡氧化物、氟锡氧化物或铝锌氧化物。空穴传输层由有机材料和/或无机材料组成；所述有机材料包括PEDOT:PSS、Spiro-MeOTAD和PTAA中的一种或多种；所述无机材料包括氧化镍、氧化铜、氧化亚铜中的一种或多种；所述空穴传输层的厚度约为20~100nm。氧化铜量子点界面层的厚度为5~20nm；所述钙钛矿层的厚度为200~400nm，钙钛矿层在太阳能电池中作用是吸收入射光产生电子空穴对，本发明公开的钙钛矿材料主要是类似ABX3（A=CH3NH3 +等;B=Pb2 +,Sn2 +等;X=Cl-,Br-,I-等）等晶体结构的有机无机杂化钙钛矿，其能带禁带在1.0-2.0 eV。电子传输层由有机材料和/或无极材料组成；所述有机材料包括PCBM、C60和TPBi中的一种或多种；所述无机材料包括氧化钛、氧化锌、氧化锆的一种或多种；所述电子传输层的厚度为10~200nm。界面修饰层为BCP、Ca、Ba或LiF；界面修饰层的厚度为1~20nm，界面修饰层的作用主要是改善电极与空穴传输层或电子传输层之间的欧姆接触，同时防止电极与钙钛矿直接接触。阴极由具有较高功函数的金属电极或导电碳材料电极组成，所述金属电极包括金电极、银电极和铝电极。
实施例一
一种利用氧化铜量子点修饰的钙钛矿太阳能电池的结构如附图1所示，具体的制备步骤为：
1)溶液的配置：甲基碘化铵粉末、碘化铅粉末和醋酸铅粉末以2.2：0.4：0.6的摩尔比在氮氮二甲基甲酰胺中磁力搅拌6小时得到1mol/L的钙钛矿前驱液；分别将氧化铜量子点粉末、氧化镍纳米颗粒分散在二甲基亚砜、去离子水中得到0.1mg/ml的氧化铜量子点溶液和20mg/ml的氧化镍溶液；
2)衬底的清洗：首先将ITO玻璃基底分别用洗剂、去离子水、丙酮、乙醇在超声池中分别清洗20min，之后置于80℃的烘箱内进行烘干；将烘干后的导电玻璃用紫外线-臭氧等离子体表面清洗仪清洗4min。
3)空穴传输层的制备：将氧化镍分散液通过4000rpm的转速、30s的旋涂成膜到清洗后的衬底上，然后以135℃退火10分钟。
4)氧化铜界面修饰层的制备：我们通过将0.1mg/ml的氧化铜量子点溶液以两步旋涂的方法来制备氧化铜修饰的空穴传输层，先以500rpm持续3s，然后4000rpm持续30s，旋涂结束后以100℃退火10分钟。
5)钙钛矿层、电子传输层的制备：在氮气氛围的手套箱中，将钙钛矿前驱液以4000rpm的转速旋涂30s得到钙钛矿层，并且维持100℃退火20分钟。然后，将PCBM粉末加入到氯苯中配置得到20mg/ml的PCB61M溶液通过1200rpm的转速旋涂30s形成电子传输层。
6)界面层和金属电极的制备：将上述基底转移到多源金属有机气象沉积系统的真空室，在9×10-5Pa的高真空下，我们通过将10nm厚的BCP和100nm厚的银通过真空蒸镀得到界面层和金属电极。
实施例二
实施例二与实施例一不同之处在于没有步骤4)中氧化铜量子点的界面修饰层的制备，其他步骤均相同。
对在实施例一和实施例二中旋涂在ITO上薄膜的光谱透光率进行了研究，从图2可以看出氧化铜量子点界面层不会对钙钛矿层的吸光性产生不利影响，氧化铜修饰的氧化镍膜在可见光区平均透过率较高，与氧化镍膜基本相同。
对在实施例一和实施例二中钙钛矿薄膜的吸收强度对比如图3所示，从图中可以看出含氧化铜量子点修饰薄膜的器件在可见光范围内的光吸收有明显增强。
对实施例一和实施例二中获得的太阳能电池器件的内量子转换效率如图4所示，从图中可以看出有氧化铜量子点作为界面层的器件的内量子转换效率得到了明显的提高。
实施例一和实施例二中获得的电池器件的电流密度-电压曲线如附图5所示，从图中可以看出含有氧化铜量子点修饰的电池器件的开路电压和电流密度显著提高。
实施例一和实施例二中获得的钙钛矿薄膜的多晶X射线衍射图谱如图6所示，可看出两者对应的镜面特征峰位置没有变化，说明晶体结构没有明显变化，但(110)面和(220)面衍射峰强度明显增强改善了钙钛矿膜的结晶。
实施例一和实施例二中获得旋涂在氧化镍和氧化镍/氧化铜上的钙钛矿薄膜表面形貌的扫描电子显微镜图像如图7所示。氧化铜量子点界面层的钙钛矿膜与原始膜相比，膜的覆盖比更大、晶粒尺寸更大而且晶界明显减少。
两个实施实例中电池的光电特性测试结果如图8所示，从图8的数据可以看出含氧化铜量子点界面层的器件短路电流、开路电压、填充系数都有明显提升，这些关键参数的改进使得我们的器件效率从17.343%增加到19.91%
综上所述，我们采用窄禁带氧化铜作为空穴传输层的界面层，以改善钙钛矿太阳能电池的载流子的转移效率和载流子的重组。窄禁带氧化铜量子点界面层可和宽禁带氧化镍层形成偶极子层，为钙钛矿太阳能电池中空穴传输层与钙钛矿层之间的电荷输运提供更强的动力，与此同时消除了空穴传输层与钙钛矿层之间的输送障碍。加入氧化铜量子点后，晶体结构没有发生明显的变化，而对界面之间载流子运输起到了极大的改善。晶粒的明显增大、晶界的减少提高了钙钛矿薄膜吸光层的质量，进一步体现在器件短路电流、开路电压、填充因子的提高以及效率的提升。这说明本发明具有创新和实用价值，能有效提高钙钛矿太阳能电池的器件性能
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和有点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限榆次，任何本领域的技术人员在不脱离本发明电极书方案下得到的其他实施方法均在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，包括自下而上依次设置的透明衬底、透明电极、空穴传输层、氧化铜量子点界面层、钙钛矿层、电子传输层、界面修饰层和阴极。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述透明衬底由玻璃或柔性塑料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述透明电极的材料为铟锡氧化物、氟锡氧化物或铝锌氧化物。
4.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层由有机材料和/或无机材料组成；所述有机材料包括PEDOT:PSS、Spiro-MeOTAD和PTAA中的一种或多种；所述无机材料包括氧化镍、氧化铜、氧化亚铜中的一种或多种；所述空穴传输层的厚度为20~100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述氧化铜量子点界面层的厚度为5~20nm；所述钙钛矿层的厚度为200~400nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层由有机材料和/或无机材料组成；所述有机材料包括PCBM、C60和TPBi中的一种或多种；所述无机材料包括氧化钛、氧化锌、氧化锆的一种或多种；所述电子传输层的厚度为10~200nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述界面修饰层为BCP、Ca、Ba或LiF；所述界面修饰层的厚度为1~20nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池，其特征在于，所述阴极由金属电极或导电碳材料电极组成，所述金属电极包括金电极、银电极和铝电极。
9.一种制备如权利要求1所述的基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池的方法，其特征在于：氧化铜量子点界面层的制备方法包括：制备氧化铜量子点分散液；将所述氧化铜量子点分散液旋涂至空穴传输层上得到氧化铜量子点界面层。
10.根据权利要求9所述的制备基于氧化铜量子点界面层的太阳能电池的方法，其特征在于，所述氧化铜量子点分散液的浓度为0.1mg/mL；
所述氧化铜量子点分散液的溶剂包括二甲基亚砜。
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