CN111106251A - 一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池，包括：导电玻璃；空穴传输层，位于所述导电玻璃上；钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；疏水涂层，位于所述钙钛矿吸光层上；电子传输层，位于所述疏水涂层上；对电极，位于所述电子传输层上。本发明实施例通过在钙钛矿吸光层上制备一层疏水涂层，由于疏水涂层具有良好的疏水性，覆盖在钙钛矿吸光层上可以防止钙钛矿膜与氧气和水汽接触，从而减缓了钙钛矿材料的分解，延长了钙钛矿太阳能电池的寿命，为钙钛矿太阳能电池的产业化奠定了基础。

Description

一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
近年来太阳能电池技术快速发展，而其中钙钛矿电池成为备受瞩目的一类电池，器件效率从2009年的3.8％迅速提高到了22.7％。钙钛矿电池具有高转化效率、制备简单、材料广泛、成本低廉等优点，应用前景十分广阔。
太阳能电池是一种利用光伏效应将光能转化为电能的器件。作为太阳能电池的吸光材料，钙钛矿材料在器件中起着吸收入射光的作用，在可见光区与近红外区具有较强的吸收带，是实现钙钛矿太阳能电池高效率的必备条件。在钙钛矿材料中，带隙可通过构成元素组分进行调控，从而得到较为合适的吸收带隙。钙钛矿电池制备成本低且可以通过简易溶液法制备，是极具潜力的可大规模商业化生产的能源材料。
但是，虽然钙钛矿材料易于合成并且价格相对便宜，但是钙钛矿材料对氧气和湿度非常敏感，其晶体结构会受到氧气和湿气破坏，从而影响太阳能电池的使用寿命，严重制约了钙钛矿太阳能电池的产业化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池，包括：
导电玻璃；
空穴传输层，位于所述导电玻璃上；
钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；
疏水涂层，位于所述钙钛矿吸光层上；
电子传输层，位于所述疏水涂层上；
对电极，位于所述电子传输层上。
在本发明的一个实施例中，所述导电玻璃为ITO导电玻璃或者FTO导电玻璃。
在本发明的一个实施例中，所述空穴传输层的厚度为10～20nm。
在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm。
在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿吸光层材料为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、HC(NH2)2 +、CH3(CH2)nNH3 +(n＝1～7)、C6H5(CH2)nNH3 +(n＝1～4)、Cs+中的一种或多种，B为Pb2 +、Sn2 +、Cu2 +中的一种或多种，X为I-、Br-、Cl-中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述疏水涂层的厚度为5～10nm。
在本发明的一个实施例中，所述疏水涂层材料包括纳米二氧化钛/聚氨酯。
在本发明的一个实施例中，所述聚氨酯为有机硅改性聚氨酯，其中所述有机硅改性聚氨酯中有机硅的质量分数为10％～25％。
在本发明的一个实施例中，所述电子传输层的厚度为20～50nm。
在本发明的一个实施例中，所述对电极的厚度为100～300nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在钙钛矿吸光层上制备一层疏水涂层，由于疏水涂层具有良好的疏水性，覆盖在钙钛矿吸光层上可以防止钙钛矿膜与氧气和水汽接触，从而减缓了钙钛矿材料的分解，延长了钙钛矿太阳能电池的寿命，为钙钛矿太阳能电池的产业化奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例制备的基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图；
图4位本发明实施例制备的基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池大气中放置7d后的电压-电流密度曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，该钙钛矿太阳能电池包括：导电玻璃1；空穴传输层2，位于导电玻璃1上；钙钛矿吸光层3，位于空穴传输层2上；疏水涂层4，位于钙钛矿吸光层3上；电子传输层5，位于疏水涂层4上；对电极6，位于电子传输层5上。
本发明实施例通过在钙钛矿吸光层上制备一层疏水涂层，由于疏水涂层具有良好的疏水性，覆盖在钙钛矿吸光层上可以防止钙钛矿膜与氧气和水汽接触，从而减缓了钙钛矿材料的分解，延长了钙钛矿太阳能电池的寿命，为钙钛矿太阳能电池的产业化奠定了基础。
在一个具体实施例中，导电玻璃1为ITO导电玻璃或者FTO导电玻璃；优选的，导电玻璃1选用ITO导电玻璃。ITO是铟氧化物(In2O3，质量分数为90％)和锡氧化物(SnO2，质量分数为10％)的混合物，其费米能级的范围为4.5～5.0eV，具有较高的载流子浓度和较低的电阻率；在400～1000nm的波长范围内，ITO导电玻璃的透射率可达80％以上。
在一个具体实施例中，空穴传输层2的厚度为10～20nm，空穴传输层2的材料为PEDOT:PSS、CuPc、PT、Cu:NiOx、CuI、CuS中的一种或多种，优选的，空穴传输层2的厚度为12nm，空穴传输层2材料为PEDOT:PSS。
在一个具体实施例中，钙钛矿吸光层3的厚度为100～300nm，钙钛矿吸光层材料3为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、HC(NH2)2 +、CH3(CH2)nNH3 +(n＝1～7)、C6H5(CH2)nNH3 +(n＝1～4)、Cs+中的一种或多种，B为Pb2 +、Sn2 +、Cu2 +中的一种或多种，X为I-、Br-、Cl-中的一种或多种。例如，钙钛矿吸光层3材料可以为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3(CH2)4NH3PbI3、C6H5(CH2)2NH3PbI3中的一种或多种，优选的，钙钛矿吸光层3的厚度为200nm，钙钛矿吸光层3的材料为CH3NH3PbI3。
在一个具体实施例中，疏水涂层4的厚度为5～10nm；疏水涂层4材料包括纳米二氧化钛/聚氨酯，其中，二氧化钛与聚氨酯的质量比为2:5～5:1，优选的为3:5～4:5；纳米二氧化钛的粒径为15～30nm，优选的为20nm。
在一个具体实施例中，聚氨酯为有机硅改性聚氨酯，其中有机硅为硅氧键(-Si-O-Si-)为骨架组成的聚硅氧烷，有机硅改性聚氨酯中有机硅的质量分数为10％～25％，优选的，有机硅的质量分数为15％。
本发明实施例采用纳米二氧化钛/有机硅改性聚氨酯作为疏水涂层，纳米二氧化钛作为N型金属氧化物，在可见光区具有很好的透光性，并且当电子传输层为富勒烯时，二氧化钛的导带与富勒烯的能级十分匹配，有利于电子的提取和传输；有机硅改性聚氨酯具有良好的输水性能，可以将钙钛矿膜保护起来，防止钙钛矿膜与氧气和水汽直接接触，减缓了钙钛矿材料的分解，提高了器件的稳定性，延长了钙钛矿太阳能电池的使用寿命。
本发明实施例的二氧化钛/有机硅改性聚氨酯层采用5～10nm的厚度，不仅使疏水涂层起到保护钙钛矿膜的作用，而且保证了电子的传输性能，从而提高了器件的效率。
在一个具体实施例中，电子传输层5的厚度为20～50nm，电子传输层5材料为富勒烯、ZnO、Al2O3中的一种或多种。
在一个具体实施例中，对电极6的厚度为100～300nm；对电极6通常采用功函数较低的金属作为阴极，以提高电子的注入和收集，比如Al、Ga、Mg、Ag等材料，优选的阴极材料选Ag，Ag的厚度为120nm。
本发明实施例采用纳米二氧化钛/有机硅改性聚氨酯作为疏水涂层，既提高了器件中电子的提取和传输能力，又提高了器件的稳定性，延长了钙钛矿太阳能电池的使用寿命。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池制备方法的流程示意图，包括步骤：
S1、清洗ITO导电玻璃1：首先将ITO导电玻璃依次在自来水、氢氧化钾溶液、去离子水、酒精、丙酮、异丙醇中声处理15min，然后将ITO导电玻璃烘干，并将干燥处理好的导电玻璃在紫外-臭氧条件下处理5～10min。
S2、制备空穴传输层2：首先将配置PEDOT:PSS水溶液，PEDOT:PSS和水的体积比为1:3，并将PEDOT:PSS水溶液声处理2h，使得PEDOT:PSS均匀分散；然后在臭氧处理的ITO导电玻璃上滴0.5ml的PEDOT:PSS水溶液进行旋涂，旋涂转速2000rpm，旋涂时间15-35s；然后将基片120℃加热处理15～20min。
S3、制备钙钛矿吸光层3：将基片放置在蒸镀机中蒸镀100～150nm的PbI2；配置40mg/ml in异丙醇的CH3NH3I前驱体溶液，取200μl前驱体溶液滴加在PbI2薄膜上，停留10s，然后进行旋涂，使CH3NH3I前驱体溶液与PbI2充分接触，旋涂转速3000rpm，旋涂时间20s；旋涂完毕将基片在60℃下退火2h，使CH3NH3I与PbI2充分反应，并使异丙醇充分挥发。
S4、制备疏水涂层4：配置二氧化钛和有机硅改性聚氨酯的异丙醇分散液，声处理30～50min，使二氧化钛与有机硅改性聚氨酯均匀分散，其中，二氧化钛与有机硅改性聚氨酯的质量比为3:5～4:5，分散液中w(TiO2+PU)＝10％；然后取300μl分散液滴加在钙钛矿吸光层上进行旋涂，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间30s；旋涂完毕后将基片在50℃下退火30min，然后在90℃下退火1h，使二氧化钛与有机硅改性聚氨酯充分反应并固化。
S5、制备电子传输层5：将基片放置在蒸镀机中蒸镀30nm的C60。
S6、制备对电极6：将基片放置在蒸镀机中蒸镀120nm的Ag，蒸镀速率为0.2nm/s。
本发明实施例的钙钛矿太阳能电池制备方法中，空穴传输层、钙钛矿吸光层、疏水涂层、电子传输层之间的所采用厚度使得这几层材料之间的能级匹配达到较佳水平，使得载流子可以更有效的传输，从而一定程度上提高了电池的效率。
将制备的太阳能电池器件从真空腔取出即可，其结构示意图请参见图1。
在大气环境下测试制备的太阳能电池器件的电压-电流密度，请参见图3，图3位本发明实施例制备的基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度曲线图，其能量转换效率为9.48％，开路电压为0.91V，短路电流15.65mA/cm3，填充因子为66.54％；将该钙钛矿太阳能电池大气中放置7d后，在大气环境下测试制备的太阳能电池器件的电压-电流密度，请参见图4，图4位本发明实施例制备的钙钛矿太阳能电池大气中放置7d后的电压-电流密度曲线图，其能量转换效率为9.1％，开路电压为0.91V，短路电流14.6mA/cm3，填充因子为68.46％，对比发现，其效率仅降低4％，疏水涂层对钙钛矿膜起到了保护作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于疏水涂层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：
导电玻璃；
空穴传输层，位于所述导电玻璃上；
钙钛矿吸光层，位于所述空穴传输层上；
疏水涂层，位于所述钙钛矿吸光层上；
电子传输层，位于所述疏水涂层上；
对电极，位于所述电子传输层上。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电玻璃为ITO导电玻璃或者FTO导电玻璃。
3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为10～20nm。
4.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层的厚度为100～300nm。
5.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层材料为ABX3，其中，A为CH3NH3 +、HC(NH2)2 +、CH3(CH2)nNH3 +(n＝1～7)、C6H5(CH2)nNH3 +(n＝1～4)、Cs+中的一种或多种，B为Pb2 +、Sn2 +、Cu2 +中的一种或多种，X为I-、Br-、Cl-中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述疏水涂层的厚度为5～10nm。
7.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述疏水涂层材料包括纳米二氧化钛/聚氨酯。
8.如权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述聚氨酯为有机硅改性聚氨酯，其中所述有机硅改性聚氨酯中有机硅的质量分数为10％～25％。
9.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的厚度为20～50nm。
10.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述对电极的厚度为100～300nm。
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