CN111211231A - 一种基于半透明量子点太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半透明量子点太阳能电池及其制备方法。它的光吸收层采用宽带隙钙钛矿量子点，材料包括ABX3，A为Cs+，甲咪FA+,CH(NH2)2 +或甲胺MA+,CH3NH3 +,B为Pb2 2+,Sn2 2+，或Yb2+，X为Cl‑或Br‑；电池的光谱响应范围为紫外光区域，可透射可见光区域的太阳光；器件结构包括正置结构和反置结构。本发明采用吸光范围较低且较为稳定的钙钛矿量子点材料，制备得到的太阳能电池器件不仅可实现高的透过光，而且透过光的显色指数较高。本发明实现了宽带隙钙钛矿量子点的另一种应用形式—半透明太阳能电池，具有良好的光透过性的特点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏技术领域，具体涉及一种基于半透明量子点太阳能电池及其制备方法。
背景技术
铅卤钙钛矿材料凭借其高吸光系数、长激子寿命、低激子结合能和长载流子扩散长度等独特优势，被广泛应于太阳能电池中。由于钙钛矿太阳能电池可实现溶液法制备，并且具有成本低，效率高的特点，受到众多研究者青睐。目前，基于有机无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已由最初的3.8%上升到25.2%，成为继硅基、III-V族半导体之后的新一代能源半导体材料。
然而，目前常用的高效率有机无机杂化铅卤钙钛矿材料由于其含有易挥发性有机阳离子，如甲胺、甲脒等，极易受到水、氧、高温和紫外光等因素的影响而导致材料分解。而全无机铅卤钙钛矿材料（如CsPbI3或CsPbBr3），由于其采用金属铯阳离子来取代易挥发性有机阳离子，所以具有优异的光、热稳定性。但是该材料在温度低于300℃时易发生相转变，由立方相（α相，带隙约为1.73 eV）转变为正交相（δ相，带隙约为2.82 eV），从而无法成为合适的吸光材料。探索低温稳定的全无机钙钛矿材料成为研究热点。
2015年，Kovalenko教授采用热注射的方法首次合成了立方相全无机钙钛矿量子点，该材料在室温下可长期稳定。凭借其独特的光电性质，通过尺寸优化，表面化学调控，钝化及形貌调控，采用其作为太阳能电池的光吸收层已实现超过14%的光电转化效率。然而，目前关于钙钛矿量子点太阳能电池的相关报道较少，主要原因是钙钛矿量子点薄膜制备工艺复杂，且材料展现出了极高的水、氧敏感性，从而影响了器件的重复性和稳定性；还由于量子点表面包覆有一层有机长链配体，极大地影响了器件中载流子的传输，导致器件电流偏低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种光电转换效率高、稳定性好，且具有极高的光透过性和高的透过光显色指数的基于半透明量子点太阳能电池及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是提供一种基于半透明量子点太阳能电池，包括导电玻璃基底、光吸收层、电子传输层、空穴传输层和金属电极；所述的光吸收层采用宽带隙钙钛矿量子点，电池的光谱响应范围为紫外光区域，可透射可见光区域的太阳光；其器件结构包括正置结构和反置结构，所述的正置结构依次为导电玻璃基底、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属阳极，所述的反置结构依次为导电玻璃基底、空穴传输层、光吸收层、电子传输层和金属阴极。
本发明技术方案还包括提供一种基于半透明量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下：
（1）在导电玻璃基底上制备器件结构为正置结构的电子传输层，或制备器件结构为反置结构的空穴传输层；
（2）将宽带隙钙钛矿量子点溶液采用喷涂法、刮涂法或旋涂法中的一种涂覆于电子传输层或空穴传输层上，再用反溶剂进行表面配体洗涤；经层层沉积形成量子点薄膜，得到光吸收层；
（3）在正置结构的光吸收层上制备空穴传输层，或在反置结构的光吸收层上制备电子传输层；
（4）在正置结构的空穴传输层或反置结构的电子传输层上蒸镀金属电极，得到半透明钙钛矿量子点太阳能电池。
本发明提供的基于半透明量子点太阳能电池，其钙钛矿量子点光吸收层为立方相钙钛矿结构的ABX3量子点薄膜，其中，A 为Cs+，甲咪 FA+, CH(NH2)2 + 或甲胺MA+, CH3NH3 + ,B 为Pb2+, Sn2+ 或Yb2+，X 为 Cl- 或Br- ，量子点尺寸为5～20纳米，薄膜厚度为100～800纳米。本发明的一个优选方案，其ABX3量子点为CsPbBr3 、CsPbCl3或CsPbBr2.5Cl0.5。
本发明提供的基于半透明量子点太阳能电池，其器件结构中的电子传输层为PCBM、TiO2、SnO2或ZnO薄膜中的一种，电子传输层厚度为10～200纳米；空穴传输层为有机PEDOT:PSS、PTAA、PTB7、Spiro-OMTAD、PTBT-Th或PBDB-T薄膜中的一种，空穴传输层厚度为10～200纳米；电极材料为导电玻璃，银纳米线，MoOx/Ag/MoOx中的一种，厚度为20～200纳米。
CsPbBr3或CsPbCl3材料具有较宽的禁带宽度，因此具有明显的透明性，与其它电池相比，本发明采用CsPbBr3或CsPbCl3材料应用于半透明光伏器件，制备的器件具有较高的光透过率，并且具有极高的长期稳定性。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于半透明量子点太阳能电池及其制备方法具有以下优势：
1.本发明采用宽带隙钙钛矿量子点所制备的器件，得到了一个高达1.65 V的开路电压，具有较高的光电转换效率。
2.本发明制备的器件展现出了极其优异的稳定性，同时还具有极高的光透过性和高的透过光显色指数，在透明器件领域展现出了独特的优势。
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，(a) 图为正置结构，(b) 图为反置结构；
图2为本发明实施例提供的透明基底上制备TiO2薄膜得到电子传输层与六层CsPbBr3量子点薄膜材料的透过光谱图；
图3为本发明实施例1制备的一种基于钙钛矿量子点的半透明太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；
图4为本发明实施例2制备的一种基于钙钛矿量子点的半透明太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；
图5为本发明实施例3制备的一种基于钙钛矿量子点的半透明太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；
图中，1.透明导电玻璃；2.电子传输层；3.光吸收层；4.空穴传输层；5.金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种基于CsPbBr3钙钛矿量子点的半透明太阳能电池，结构如图1（a）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，钙钛矿量子点光吸收层3，空穴传输层4和金属电极5。
具体步骤如下：
步骤一，在干净的氟掺杂氧化锡（简称FTO）导电玻璃基底1上，制备厚度约为40纳米厚的致密TiO2薄膜，得到电子传输层2，并在200摄氏度下退火30分钟；
步骤二，在干燥的空气氛围下，在电子传输层2的基础上逐层旋涂—清洗钙钛矿量子点薄膜，得到钙钛矿量子点光吸收层3。在本实施例中，具体的方法是：将合成后的CsPbBr3量子点溶解于正辛烷中，浓度为70毫克每毫升，以1000转每分钟，2000转每分钟分别旋涂15秒和20秒，用丙酮清洗处理薄膜12秒，重复旋涂和清洗处理的过程6次，得到约300纳米厚度的量子点薄膜。
步骤三，在吸光层3上旋涂聚合物PTAA形成空穴传输层4。具体的方法为：将PTAA溶解于甲苯，制备浓度为15毫克每毫升的溶液，掺杂质量分数5%的三五氟苯基硼烷，以转速为3000转每分钟，旋涂40秒后，形成约为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透明基底上制备TiO2薄膜得到电子传输层与六层CsPbBr3量子点薄膜材料的透过光谱图；从光谱图可以看出，六层CsPbBr3量子点薄膜其光吸收范围截止于500纳米左右，可有效地透过高波长的光，实现较高透过率。
参见附图3，它是本实施例提供的利用CsPbBr3量子点作为光吸收层,PTAA作为空穴传输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4.49 mA/cm2，开路电压为1.54 V，填充因子为72.45%，光电转换效率为5.01%。
实施例2
本实施例提供一种基于CsPbBr3钙钛矿量子点的半透明太阳能电池，结构如图1（b）所示，电池制备包括以下步骤：在导电玻璃基底1上依次制备空穴传输层4，钙钛矿量子点光吸收层3，电子传输层2和金属电极5。具体步骤如下：
步骤一，在干净的氟掺杂氧化锡（简称FTO）导电玻璃基底1上，首先，将PTB7溶解于甲苯，制备浓度为10毫克每毫升的溶液，以转速为3000转每分钟的速度，旋涂30秒，形成约为60～80纳米厚度的空穴传输层4。
步骤二，在干燥的空气氛围下，在空穴传输层4的基础上逐层旋涂—清洗钙钛矿量子点薄膜，得到钙钛矿量子点光吸收层3。在本实施例中具体的方法是：将合成后的CsPbBr3量子点溶解于正辛烷中，浓度为70毫克每毫升，以1000转每分钟，2000转每分钟分别旋涂15秒和20秒，用丙酮处理薄膜12秒，重复旋涂和处理的过程6次，得到约300纳米厚度的量子点薄膜。
步骤三，在吸光层3上旋涂PCBM形成电子传输层2。将PCBM溶解于氯苯，制备浓度为20毫克每毫升的溶液，转速为2000转每分钟，旋涂30秒后，形成约为40纳米厚度的电子传输层2。
步骤四，在电子传输层2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，得到反置结构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CsPbBr3量子点作为光吸收层,PTB7作为空穴传输层的反置结构钙钛矿量子点太阳能电池的电流密度—电压（J-V）曲线图；在AM1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为4.05 mA/cm2，开路电压为1.54 V，填充因子为61.69%，光电转换效率为3.85%。
实施例3
本实施例提供一种基于CsPbBr2.5Cl0.5钙钛矿量子点的半透明太阳能电池，结构如图1（a）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，钙钛矿量子点光吸收层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，在干净的氟掺杂氧化锡（简称FTO）导电玻璃基底1上，制备厚度约为40纳米厚的致密TiO2薄膜，得到电子传输层2，并在200摄氏度下退火30分钟；
步骤二，在干燥的空气氛围下，在电子传输层2的基础上逐层旋涂—清洗钙钛矿量子点薄膜，得到钙钛矿量子点光吸收层3。在本实施例中具体的方法是：将合成后的CsPbBr3量子点溶解于正辛烷中，浓度为70毫克每毫升，以1000转每分钟，2000转每分钟分别旋涂15秒和20秒，用丙酮处理薄膜12秒，重复旋涂和处理的过程6次，得到约300纳米厚度的量子点薄膜。
步骤三，在吸光层3上旋涂聚合物PTB7-Th形成空穴传输层4。将PTB7-Th溶解于氯苯，制备浓度为10毫克每毫升的溶液，转速为2000转每分钟，旋涂30秒后，形成约为60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CsPbBr2.5Cl0.5量子点作为光吸收层,PTB7-Th作为空穴传输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AM1.5G，100 mW/cm2的标准测试条件下，测得的器件的短路电流密度为2.30 mA/cm2，开路电压为1.65 V，填充因子为67.6%，光电转换效率为2.57%。
Claims (9)
1.一种基于半透明量子点太阳能电池，包括导电玻璃基底、光吸收层、电子传输层、空穴传输层和金属电极，其特征在于：所述的光吸收层采用宽带隙钙钛矿量子点，电池的光谱响应范围为紫外光区域，可透射可见光区域的太阳光；其器件结构包括正置结构和反置结构，所述的正置结构依次为导电玻璃基底、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属阳极，所述的反置结构依次为导电玻璃基底、空穴传输层、光吸收层、电子传输层和金属阴极。
2.根据权利要求1所述的一种基于半透明量子点太阳能电池，其特征在于：钙钛矿量子点光吸收层为立方相钙钛矿结构的ABX3量子点薄膜，其中，A 为Cs+，甲咪 FA+, CH(NH2)2 +或甲胺MA+, CH3NH3 + , B 为Pb2+, Sn2+或Yb2+，X 为 Cl- 或Br- ，量子点尺寸为5～20纳米，薄膜厚度为100～800纳米。
3.根据权利要求1所述的一种基于半透明量子点太阳能电池，其特征在于：器件结构中的电子传输层为PCBM、TiO2、SnO2或ZnO薄膜中的一种，电子传输层厚度为10～200纳米。
4.根据权利要求1所述的一种基于半透明量子点太阳能电池，其特征在于：空穴传输层为有机PEDOT:PSS、PTAA、PTB7、Spiro-OMTAD、PTBT-Th或PBDB-T薄膜中的一种，空穴传输层厚度为10～200纳米。
5.根据权利要求1所述的一种基于钙钛矿量子点的半透明太阳能电池，其特征在于：电极材料为导电玻璃，银纳米线，MoOx/Ag/MoOx中的一种，厚度为20～200纳米。
6.根据权利要求2所述的一种基于钙钛矿量子点的半透明太阳能电池，其特征在于：ABX3量子点为CsPbBr3或CsPbCl3 。
7.一种基于半透明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器件结构为正置结构的电子传输层，或制备器件结构为反置结构的空穴传输层；
（2）将宽带隙钙钛矿量子点溶液采用喷涂法、刮涂法或旋涂法中的一种涂覆于电子传输层或空穴传输层上，再用反溶剂进行表面配体洗涤；经层层沉积形成量子点薄膜，得到光吸收层；
（3）在正置结构的光吸收层上制备空穴传输层，或在反置结构的光吸收层上制备电子传输层；
（4）在正置结构的空穴传输层或反置结构的电子传输层上蒸镀金属电极，得到半透明钙钛矿量子点太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的一种基于半透明量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：光吸收层为立方相钙钛矿结构的ABX3量子点薄膜，其中，A 为Cs+，甲咪 FA+, CH(NH2)2 + 或甲胺MA+, CH3NH3 + , B 为Pb2+, Sn2+或Yb2+，X 为 Cl- 或Br- ，量子点尺寸为5～20纳米，薄膜厚度为100～800纳米。
9.根据权利要求8所述的一种基于半透明量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：ABX3量子点为CsPbBr3、 CsPbCl3或CsPbBr2.5Cl0.5。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114276800A (zh) * | 2021-11-27 | 2022-04-05 | 苏州大学 | 一种甲胺金属卤化物钙钛矿量子点、太阳能电池及其制备方法 |
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| WO2019139945A1 (en) * | 2018-01-09 | 2019-07-18 | Board Of Trustees Of Michigan State University | Uv harvesting transparent photovoltaics |
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2020
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