CN111106207B - 一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法 - Google Patents

一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤，在导电玻璃层的表面旋涂电子传输层，配置溴化铯溶液，旋涂至电子传输层表面，以形成溴化铯衬底，配置溴化铅溶液，旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层，配置钴掺杂溴化铯溶液，并采用多步旋涂法旋涂至溴化铅层上，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层，在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。溴化铯作为衬底，能够有效对其上层的溴化铅层进行支撑，并在后续溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层的过程中，逐步减少钴掺杂钙钛矿层表面缺陷，抑制钴掺杂钙钛矿层表面晶界的形成，从而抑制载流子的复合。

Description

一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法
【技术领域】
本发明涉及一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，属于钙钛矿太阳能电池领域。
【背景技术】
钙钛矿太阳能电池以其低成本和高效率吸引了极大的研究热度。为了能够对其效率起到进一步提升效果，掺杂是一种理想手段，但是考虑到本身钙钛矿中铅的性质，额外的元素掺杂往往会导致光电效率的降低，同时还会破坏钙钛矿表面的形貌，导致晶界和缺陷的增加，促使载流子复合的增加。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，以制备形貌更好，光电效率更高的钙钛矿太阳能电池。
解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤，在导电玻璃层的表面旋涂电子传输层，配置溴化铯溶液，旋涂至电子传输层表面，以形成溴化铯衬底，配置溴化铅溶液，旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层，配置钴掺杂溴化铯溶液，并采用多步旋涂法旋涂至溴化铅层上，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层，在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
本发明的有益效果为：
溴化铯作为衬底，能够有效对其上层的溴化铅层进行支撑，并在后续溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层的过程中，逐步减少钴掺杂钙钛矿层表面缺陷，抑制钴掺杂钙钛矿层表面晶界的形成，从而抑制载流子的复合。钴的掺杂不仅有效提升了钙钛矿本身的光电性能，调节了钙钛矿的带隙，还能有效与溴化铯衬底之间形成协同效果，不仅转变了溴化铯衬底对电池效率不利的效果，还有效对光电性能提升效果进行了放大。
本发明所述钴掺杂比例不超过0.2％。
本发明所述溴化铯溶液中溴化铯浓度为2.5mg/ml，溴化铯溶液以转速3000r/min旋涂30秒，形成溴化铯衬底。
本发明多步旋涂法的旋涂次数为6次。
本发明所述电子传输层包括致密二氧化钛膜。
本发明所述电子传输层还包括位于致密二氧化钛膜表面的多孔二氧化钛膜。
本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
【附图说明】
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明实施例4的溴化铅层(多孔结构)的SEM图；
图2为本发明实施例2的溴化铅层(平面结构)的SEM图；
图3为本发明对比实施例2的溴化铅层(多孔结构)的SEM图；
图4为本发明对比实施例1的溴化铅层(平面结构)的SEM图；
图5为本发明对比实施例1的钴掺杂钙钛矿层(平面结构)的SEM图；
图6为本发明实施例1的钴掺杂钙钛矿层(平面结构)的SEM图；
图7为本发明实施例2的钴掺杂钙钛矿层(平面结构)的SEM图；
图8为本发明实施例3的钴掺杂钙钛矿层(平面结构)的SEM图；
图9为本发明实施例2的钴掺杂钙钛矿太阳能电池的SEM图；
图10为本发明实施例2、5、6以及对比实施例3的IPCE图谱。
【具体实施方式】
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
对比实施例1：
本对比实施例提供的是一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至致密二氧化钛膜的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.002mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
实施例1：
本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为1.25mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.002mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
实施例2：
参见图9，本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为2.5mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.002mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
实施例3：
本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为5mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.002mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
实施例4：
本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜，然后在致密二氧化钛膜的表面旋涂多孔二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至多孔二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为2.5mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.002mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
对比实施例2：
本实施例提供的是一种制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜，然后在致密二氧化钛膜的表面旋涂多孔二氧化钛膜；
2、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至多孔二氧化钛膜的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.002mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
实施例5：
本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为2.5mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.001mol/L；
4、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
5、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
实施例6：
本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为2.5mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
4、将溴化铯和溴化钴溶解至DMSO中形成钴掺杂溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L，溴化钴的浓度为0.005mol/L；
5、将钴掺杂溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层；
6、在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极。
对比实施例3：
本实施例提供的是一种采用溴化铯衬底制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、配置溴化铯溶液，旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底；溴化铯溶液的溶剂为DMF，溴化铯的浓度为2.5mg/ml，旋涂时间为30s，转速为3000r/min；
3、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
4、将溴化铯溶解至DMSO中形成溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L；
5、将步骤4的溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钙钛矿层；
6、在钙钛矿层表面刮涂碳电极。
对比实施例4：
本实施例提供的是一种制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
1、在导电玻璃层的表面旋涂致密二氧化钛膜；
2、将溴化铅溶解至DMF溶液中配置成溴化铅溶液，溴化铅浓度为1mol/L；旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层；
3、将溴化铯溶解至DMSO中形成溴化铯溶液，其中溴化铯的浓度为1mol/L；
4、将步骤3的溴化铯溶液旋涂至溴化铅层上，旋涂转速为2000r/min，旋涂时间为30s，重复6次，以使得溴化铅层转换成钙钛矿层；
5、在钙钛矿层表面刮涂碳电极。
为了便于比较，实施例1-6和对比实施例1-3的区别记载于表1。
表1
参见图1和3，在存在溴化铯衬底的多孔结构情况下，其对于溴化铅层的表面形貌存在一定的修复作用，但是并不十分明显。参见图2和4，在存在溴化铯衬底的平面结构情况下，其对于溴化铅层的表面形貌存在相当程度的修复作用，相比多孔结构十分明显，因此溴化铯衬底对溴化铅层表面形貌的修复以及减少晶界的作用具有良好的放大作用。
参见图5-8，溴化铯溶液浓度从0提升至2.5mg/ml过程中，钴掺杂钙钛矿层的表面形貌逐渐修复，晶界明显减少。但是当溴化铯溶液浓度从2.5mg/ml提升至5mg/ml的过程中，晶界重新逐渐增多。其原因在于高浓度的溴化铯容易在钴掺杂钙钛矿层的表面团聚，形成新的晶界。
表2
参见表2。在不存在溴化铯衬底的情况下，钴的微量掺杂能够极大提升短路电流，但是对开路电压存在十分明显的不利影响。最终钴对于电池的效率虽然有一定的提升作用，但是并不十分明显，仅提升了0.32％。单独采用溴化铯衬底，而不采用溴化钴掺杂的情况下，电池效率反而降低。但是实施例2同时采用溴化铯衬底以及钴掺杂的情况下，电压能够与对比实施例3保持持平，溴化铯衬底能够在保持自身对电压提升的基础上，完全抹消钴对电压的降低作用，钴对电流提升效果虽然不如对比实施例1中效果，但是依然保持了绝大部分提升效果，最终实施例2相比对比实施例4而言，光电效率的提升效果远高于对比实施例1，不仅消除了溴化铯衬底对于电池效率的不利影响，钴和溴化铯衬底还有效形成了协同效果，对电池效率的提升起到了放大效果。
由于实施例5和6的溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池光电性能在表2数据测试完成后第二天才进行测试，为保证数据准确，对比实施例3和实施例2的光电性能也在同日进行第二次测量对表2进行更新。
表3
参见表3，在存在溴化铯衬底的情况下，钴掺杂浓度的提升，电压和电流都逐渐增加，当过多的钴掺杂则会导致电压和电流的同时下降。其原因在于少量的钴掺杂并不直接对Pb离子进行替换，而且进入钙钛矿晶格中，实施例2中形成CsPbCo0.002Br3.0004的晶格结构，使得钙钛矿晶格膨胀。一旦Co的含量增加，Co在晶格中会逐渐替代Pb，在实施例6中形成CsPb0.995Co0.005Br3的晶格结构，重新造成晶格的坍缩，且由于Co的性能不及Pb，对钙钛矿光电性能会造成极其不利的影响。
参见图10，Co含量的微量增加在可见光波长范围内对IPCE具有较好的改善作用。
本发明所有实施例和对比实施例中，旋涂致密二氧化钛膜所用溶液为13.94g异丙醇、0.25g乙二醇胺、0.648g钛酸异丙酯和17.5μL搅拌形成。旋涂多孔二氧化钛膜所用溶液为470μL钛酸四丁酯、2.5mL乙醇、111μL硝酸和127μL去离子水混合搅拌形成。旋涂致密二氧化钛膜所用溶液和旋涂多孔二氧化钛膜所用溶液的配方均为现有技术。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (2)

1.一种采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤，在导电玻璃层的表面旋涂电子传输层，电子传输层仅包括致密二氧化钛膜，配置溴化铯溶液，直接旋涂至致密二氧化钛膜表面，以形成溴化铯衬底，配置溴化铅溶液，旋涂至溴化铯衬底的表面，以形成溴化铅层，配置钴掺杂溴化铯溶液，并采用多步旋涂法旋涂至溴化铅层上，以使得溴化铅层转换成钴掺杂钙钛矿层，在钴掺杂钙钛矿层表面刮涂碳电极，钴掺杂比例不超过0.2％，所述溴化铯溶液中溴化铯浓度为2.5mg/ml，溴化铯溶液以转速3000r/min旋涂30秒，形成溴化铯衬底。
2.根据权利要求1所述的采用溴化铯衬底制备钴掺杂钙钛矿太阳能电池的方法，多步旋涂法的旋涂次数为6次。
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