CN111192964A - 一种钙钛矿量子点太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钙钛矿量子点太阳能电池及其制备方法。采用有机胺处理钙钛矿量子点太阳能电池的吸光层，以获得高性能钙钛矿量子点太阳能电池。本发明提供的钙钛矿量子点太阳能电池吸光层的材料为ABX3，A为铯 Cs+，甲咪 FA+,CH(NH2)2 + 或甲胺 MA+,CH3NH3 +,B 为Pb2+或Sn2+，X为Cl‑,Br‑或I‑量子点,并经有机胺处理。本发明利用有机胺对钙钛矿量子点吸光层进行处理，有效去除了吸光层中的长链绝缘配体，从而增加吸光层的电荷传输性能，降低吸光层的电荷复合效应，从而提高了电池的光电转换效率。本发明所提供的钙钛矿量子点电池具有效率优异，稳定性好，易于制备等特点。

Description

一种钙钛矿量子点太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种利用有机胺提高钙钛矿量子点太阳能电池性能的方法及其太阳能电池。
背景技术
金属卤化钙钛矿材料具有高吸光系数、低的激子结合能、双极性传输效应、微米级的扩散长度等优点。其在过去十年间，光电转换效率从刚开始的3.9%飞快的增长到了25.2%，引起了广泛的关注。除此以外，相比较于目前已经进行商业化使用的晶体硅太阳能电池，钙钛矿太阳能电池可以使用全溶液的制备方法，工艺简单且电池成本低廉。
然而，目前高效率的钙钛矿太阳能电池所使用的吸光层材料都是有机或者有机无机杂化钙钛矿材料，有机阳离子（MA+或FA+）具有较强的吸湿性、高温以及光不稳定性，使得该种钙钛矿太阳能电池具有较差的稳定性。相比于有机或有机无机杂化钙钛矿材料，纯无机钙钛矿材料（如CsPbI3）具有更好的高温以及光稳定性，但是CsPbI3在常温的条件下更倾向于形成带隙为2.82eV的正交相，不适合作为吸光材料。
因此，探索一种能在较低温度下稳定维持立方相的方法尤为重要。
目前，形成胶体状的CsPbI3量子点是维持其在常温条件下稳定性的最好途径，凭借半导体量子点独特的光电性质，通过合理的尺寸调控、表面钝化及器件构筑，钙钛矿量子点电池的光电转换效率现已突破14%。与前驱体法制备的CsPbI3多晶薄膜太阳能电池相比，CsPbI3量子点太阳能电池在开路电压上更具优势，但是在短路电流上具有明显的劣势，这是由于在传统的配体处理过程中，无法将长链绝缘配体去除彻底，导致其电荷传输性能较差。
目前，关于钙钛矿量子点太阳能电池的报道还很稀少，主要是因为钙钛矿量子点在合成过程中对湿度以及温度比较敏感，重复性比较差，且制备工艺比较复杂。在对钙钛矿量子点吸光层进行处理的过程中，无法彻底去除长链配体，导致仍然有大量的长链配体存在于吸光层中，大大影响了其传输性能，使得其短路电流密度远远低于对应的多晶薄膜器件。
因此，探索新的配体处理方式，使得其长链绝缘配体可以被除去的更彻底，对提高CsPbI3量子点吸光层的电荷传输效应进而提高最终的器件性能尤为重要。
发明内容
本发明针对现有钙钛矿量子点太阳能电池的吸光层在处理过程中存在的不足，提供一种钙钛矿量子点太阳能电池及其制备方法，利用有机胺有效去除吸光层处理过程中的长链配体，提高钙钛矿量子点太阳能电池的性能。
实现本发明目的的技术方案是提供一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）在导电玻璃基底上制备电子传输层；
（2）在电子传输层上采用旋涂法制备钙钛矿量子点薄膜，旋涂转速为1000rpm～5000rpm；钙钛矿量子点的材料为ABX3，其中，A为铯 Cs+，甲咪 FA+, CH(NH2)2 + 或甲胺 MA+,CH3NH3 +； B 为Pb2+或Sn2+，X为Cl-, Br-或I-量子点；
（3）用有机胺的乙酸甲酯溶液对钙钛矿量子点薄膜进行滴泡处理，有机胺与乙酸甲酯的体积比为1：30000～1：300，所述的有机胺为2～8个碳的伯胺或叔胺中的一种；滴泡处理时间为1s～120s；
（4）重复步骤（2）～和（3）1～10次，得到量子点尺寸为2～20纳米，薄膜厚度为50～800纳米的吸光层；
（5）在吸光层上采用旋涂法沉积有机空穴传输层，旋涂转速为1000rpm～5000rpm，旋涂溶液为5～70mg/mL的甲苯或氯苯溶液，得到厚度为30～300nm的空穴传输层；
（6）在空穴传输层上采用蒸镀或刮涂方法沉积金属电极，得到一种钙钛矿量子点太阳能电池。
本发明所述的有机胺为乙胺、正丙胺、正丁胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、三乙胺、三丙胺、三丁胺中的一种，或它们的任意组合。
本发明提供的钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，所述的导电玻璃基底为氧化铟锡ITO或氟代氧化锡FTO；所述的电子传输层材料为TiO2、SnO2、ZnO2和ZnS中的一种，电子传输层厚度为10～200纳米；所述的空穴传输层材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT、P3CT、PTB7、PTB7-Th、PBDB-T中的一种，厚度为10～200纳米；所述的金属阳极材料为MoOx/Ag、MoOx/Al或Au中的一种，厚度为50～200纳米。
本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的一种钙钛矿量子点太阳能电池。
与现有技术相比，本发明提供的一种利用有机胺提高钙钛矿量子点太阳能电池性能的方法具有以下有益效果：
1.利用有机胺处理钙钛矿量子点吸光层，增强量子点内部电荷耦合，促进量子点间电荷传输，制备的钙钛矿量子点太阳能电池具有较高的短路电流密度和器件性能。
2.利用有机胺处理钙钛矿量子点吸光层，可以根据不同的要求，对钙钛矿量子点吸光层中的配体含量进行定量调控，使其既可提高器件的光电转换效率，又能保持器件的稳定性。
3.利用有机胺处理钙钛矿量子点吸光层，能提高高效率钙钛矿量子点太阳能电池的重复性，从而降低高效电池的制作成本。
附图说明
图1为本发明提供的钙钛矿量子点太阳能电池的器件结构示意图。
图2为实施例1中制备的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图。
图3为实施例2中制备的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图。
图4为实施例3中制备的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图。
图5为实施例4中制备的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图。
图中，1.导电玻璃基底；2.电子传输层；3.钙钛矿量子点吸光层；4.空穴传输层；5.金属电极。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种钙钛矿量子点太阳能电池，结构如图1所示，在导电玻璃基底1上依次制备电子传输层2，钙钛矿量子点吸光层3，空穴传输层4和金属电极5；制备的具体步骤如下：
步骤一：用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇依次对FTO导电基底1进行超声洗涤处理；在洗干净的FTO上通过化学浴沉积的方法制备厚度为40nm的氧化钛薄膜，得到电子传输层2，并在200℃的条件下退火30分钟；
步骤二：将FTO/TiO2基底转移至手套箱中，手套箱的氛围为干燥空气；将70mg/mL的CsPbI3量子点的正辛烷溶液旋涂在FTO/TiO2基底上，旋涂转速为2000rpm，然后对所制备的CsPbI3量子点薄膜进行滴泡处理，滴泡溶液为二丙胺和乙酸甲酯的混合溶液，它们的体积比为0.5：3000，滴泡时间为5s；上述旋涂-滴泡过程重复5次得到足够膜厚的薄膜，最后在氮气氛围中退火10分钟得到最终的CsPbI3量子点吸光层3；
步骤三：在吸光层3上旋涂聚合物PTAA形成空穴传输层4。将PTAA溶解于甲苯，制备浓度为15毫克每毫升的溶液，并掺杂质量分数5%的三五氟苯基硼烷，转速为3000转每分钟，旋涂40秒后，形成80纳米厚度的空穴传输层4；
步骤四，在空穴传输层4上真空热蒸镀金属电极5，MoOx、Ag的厚度分别为8纳米、120纳米，得到钙钛矿量子点太阳能电池。
参见附图2，它是本实施例提供的利用二丙胺处理CsPbI3量子点作为吸光层的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为15.84 mA/cm2，开路电压为1.243V，填充因子为75.50%，光电转换效率为14.9%。
实施例2
本实施例提供一种钙钛矿量子点太阳能电池，结构如图1所示，电池制备包括以下步骤：在导电玻璃基底1上依次制备电子传输层2，钙钛矿量子点吸光层3，空穴传输层4和金属电极5。其制备方法及具体步骤如下：
步骤一：用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇依次对FTO导电基底1进行超声洗涤处理；在洗干净的FTO上通过化学浴沉积的方法制备厚度为40nm的氧化钛薄膜，得到电子传输层2，并在200℃的条件下退火30分钟；
步骤二：将FTO/TiO2基底转移至手套箱中，手套箱的氛围为干燥空气；将70mg/mL的CsPbI3量子点的正辛烷溶液旋涂在FTO/TiO2基底上，旋涂转速为2000rpm，然后对所制备的CsPbI3量子点薄膜进行滴泡处理，滴泡溶液为二乙胺和乙酸甲酯的混合溶液，二者的体积比为0.5：3000，滴泡时间为5s；上述过程重复5次得到足够膜厚的薄膜，最后在氮气氛围中退火10分钟得到最终的CsPbI3量子点吸光层3；
步骤三：在吸光层3上旋涂聚合物PTAA形成空穴传输层4。将PTAA溶解于甲苯，制备浓度为15毫克每毫升的溶液，并掺杂质量分数5%的三五氟苯基硼烷，转速为3000转每分钟，旋涂40秒后，形成80纳米厚度的空穴传输层4；
步骤四，在空穴传输层4上真空热蒸镀金属电极5，MoOx、Ag的厚度分别为8纳米、120纳米，得到钙钛矿量子点太阳能电池。
参见附图3，它是本实施例提供的利用二乙胺处理CsPbI3量子点作为吸光层的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为14.82 mA/cm2，开路电压为1.235V，填充因子为77.07%，光电转换效率为14.1%。
实施例3
本实施例提供一种钙钛矿量子点太阳能电池，结构如图1所示，电池制备包括以下步骤：在导电玻璃基底1上依次制备电子传输层2，钙钛矿量子点吸光层3，空穴传输层4和金属电极5。其制备方法及具体步骤如下：
步骤一：用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇依次对FTO导电基底1进行超声洗涤处理；在洗干净的FTO上通过化学浴沉积的方法制备厚度为40nm的氧化钛薄膜，得到电子传输层2，并在200℃的条件下退火30分钟；
步骤二：将FTO/TiO2基底转移至手套箱中，手套箱的氛围为干燥空气；将70mg/mL的CsPbI3量子点的正辛烷溶液旋涂在FTO/TiO2基底上，旋涂转速为2000rpm，然后对所制备的CsPbI3量子点薄膜进行滴泡处理，滴泡溶液为二丁胺和乙酸甲酯的混合溶液，二者的体积比为0.5：3000，滴泡时间为5s；上述过程重复5次得到足够膜厚的薄膜，最后在氮气氛围中退火10分钟得到最终的CsPbI3量子点吸光层3；
步骤三：在吸光层3上旋涂聚合物PTAA形成空穴传输层4。将PTAA溶解于甲苯，制备浓度为15毫克每毫升的溶液，并掺杂质量分数5%的三五氟苯基硼烷，转速为3000转每分钟，旋涂40秒后，形成80纳米厚度的空穴传输层4；
步骤四，在空穴传输层4上真空热蒸镀金属电极5，MoOx、Ag的厚度分别为8纳米、120纳米，得到钙钛矿量子点太阳能电池。
参见附图4，它是本实施例提供的利用二丁胺处理CsPbI3量子点作为吸光层的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为15.22 mA/cm2，开路电压为1.235V，填充因子为73.15%，光电转换效率为13.8%。
实施例4
本实施例提供一种钙钛矿量子点太阳能电池，结构如图1所示，电池制备包括以下步骤：在导电玻璃基底1上依次制备电子传输层2，钙钛矿量子点吸光层3，空穴传输层4和金属电极5。其制备方法及具体步骤如下：
步骤一：用洗洁精、去离子水、丙酮和异丙醇依次对FTO导电基底进行超声洗涤处理；在洗干净的FTO上通过化学浴沉积的方法制备厚度为40nm的氧化钛薄膜，得到电子传输层2，并在200℃的条件下退火30分钟；
步骤二：将FTO/TiO2基底转移至手套箱中，手套箱的氛围为干燥空气；将70mg/mL的CsPbI3量子点的正辛烷溶液旋涂在FTO/TiO2基底上，旋涂转速为2000rpm，然后对所制备的CsPbI3量子点薄膜进行滴泡处理，滴泡溶液为正丁胺和乙酸甲酯的混合溶液，二者的体积比为1：3000，滴泡时间为5s；上述过程重复5次得到足够膜厚的薄膜，最后在氮气氛围中退火10分钟得到最终的CsPbI3量子点吸光层3；
步骤三：在吸光层3上旋涂聚合物PTAA形成空穴传输层4。将PTAA溶解于甲苯，制备浓度为15毫克每毫升的溶液，并掺杂质量分数5%的三五氟苯基硼烷，转速为3000转每分钟，旋涂40秒后，形成80纳米厚度的空穴传输层4；
步骤四，在空穴传输层4上真空热蒸镀金属电极5，MoOx、Ag的厚度分别为8纳米、120纳米，得到钙钛矿量子点太阳能电池。
参见附图5，它是本实施例提供的利用丁胺处理CsPbI3量子点作为吸光层的钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM 1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为14.58 mA/cm2，开路电压为1.219V，填充因子为76.35%，光电转换效率为13.6%。

Claims (7)

1.一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在导电玻璃基底上制备电子传输层；
（2）在电子传输层上采用旋涂法制备钙钛矿量子点薄膜，旋涂转速为1000rpm～5000rpm；钙钛矿量子点薄膜的材料为ABX3，其中，A为铯 Cs+，甲咪 FA+, CH(NH2)2 + 或甲胺MA+, CH3NH3 +； B 为Pb2+或Sn2+，X为Cl-, Br-或I-；
（3）用有机胺的乙酸甲酯溶液对钙钛矿量子点薄膜进行滴泡处理，有机胺与乙酸甲酯的体积比为1：30000～1：300，所述的有机胺为2～8个碳的伯胺或叔胺中的一种；滴泡处理时间为1s～120s；
（4）重复步骤（2）～（3）1～10次，得到量子点尺寸为2～20纳米，薄膜厚度为50～800纳米的钙钛矿量子点薄膜吸光层；
（5）在吸光层上采用旋涂法沉积有机空穴传输层，旋涂转速为1000rpm～5000rpm，旋涂溶液为5～70mg/mL的甲苯或氯苯溶液，得到厚度为30～300nm的空穴传输层；
（6）在空穴传输层上采用蒸镀或刮涂方法沉积金属电极，得到一种钙钛矿量子点太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的所述的一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的有机胺为乙胺、正丙胺、正丁胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、三乙胺、三丙胺、三丁胺中的一种，或它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的导电玻璃基底为氧化铟锡ITO或氟代氧化锡FTO。
4.根据权利要求1所述的一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的电子传输层材料为TiO2、SnO2、ZnO2和ZnS中的一种，电子传输层厚度为10～200纳米。
5.根据权利要求1所述的一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的空穴传输层材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT、P3CT、PTB7、PTB7-Th、PBDB-T中的一种，厚度为10～200纳米。
6.根据权利要求1所述的一种钙钛矿量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的金属阳极材料为MoOx/Ag、MoOx/Al或Au中的一种，厚度为50～200纳米。
7.按权利要求1制备方法得到的一种钙钛矿量子点太阳能电池。
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LINGBO XU等: "Effects of n-butyl amine incorporation on the performance of perovskite light emitting diodes", 《NANOTECHNOLOGY》 *

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