CN111223994B - 一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，由下而上包括衬底上依次层叠设置的阴极层、氧化物致密层、多孔电子传输层、多孔阻隔层、多孔阳极层，钙钛矿薄膜填充各多孔层中，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入羰基小分子添加剂作为钙钛矿结晶的钝化剂、交联剂，钝化了钙钛矿的碘缺陷，增加了钙钛矿薄膜的结晶度，提升了钙钛矿薄膜的成品率，并能显著的提升全印刷介观钙钛矿太阳能电池的效率。

Description

一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能 电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
经济越高速的发展，就越离不开能源的大量供给，当今世界气候变暖，环境恶化等问题一直未能得到有效解决，传统化石能源的快速消耗也是我们面临的一个巨大挑战，因此未来人类的高速发展必然对环境友好型能源有更大的需求。太阳能取之不尽用之不竭，在使用中亦不产生温室气体和二次污染，能满足对新型可再生清洁能源的基本需求。以光生伏打效应为原理的太阳能电池能将太阳能直接转换成电能，这有利于能源的传输和存储，可适应当今的能源结构，是解决人类能源危机最具潜力的技术之一。
钙钛矿是一种ABX3型光敏半导体材料，其中A为有机阳离子或无机阳离子，如甲胺、甲脒、铯和铷等，B一般为二价无机阳离子，如铅、锡和锶等，X为一价无机阴离子或聚合阴离子团，如氟、氯、溴、碘和硼氟酸根等。钙钛矿具有吸光系数高，载流子传输寿命长，带隙可调整和光吸收波长范围广的优点，能吸收更多光子，自身也能起到传输电荷的作用。
自2009年钙钛矿太阳能电池第一次以MAPbI3作为光敏吸收层，短短10年，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从3.8％迅速攀升到25.2％，在光电转换效率方面已经可以媲美传统商用太阳能电池。但是，传统的钙钛矿太阳能电池仍然存在工艺复杂难以批量生产、每片电池器件相对独立，取决于每次的操作过程、不易于制造均匀的大面积电池器件和需要使用昂贵的空穴材料，贵金属做电极材料，成本相对较高等不可避免的问题，难以工业生产和实际商用。
发明内容：
本发明的目的是提供一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入羰基小分子添加剂作为钙钛矿结晶的钝化剂、交联剂，钝化了钙钛矿的碘缺陷，增加了钙钛矿薄膜的结晶度，提升了钙钛矿薄膜的成品率，并能显著的提升全印刷介观钙钛矿太阳能电池的效率。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，由多层薄膜堆叠构成，由下而上包括衬底上依次层叠设置的阴极层、氧化物致密层、多孔电子传输层、多孔阻隔层、多孔阳极层，钙钛矿薄膜填充各多孔层中，所述钙钛矿薄膜具有ABX3结构，ABX3结构中A为甲胺、甲脒、铯、铷中的一种以上，B为二价铅、二价锡、二价锶中的一种以上，X为卤族元素氟、氯、溴、碘中的一种以上，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中引入羰基小分子添加剂；所述羰基小分子添加剂为碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、乙酸己酯、丙酸丁酯、异丁酸异戊酯、碳酸甘油酯、碳酸二乙酯、乙酸异丁酯、罗丹宁、4,5-二氯-1,3-二氧五环-2-酮、4-氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4,4,5,5-四氯-1,3-1,3-二氧戊环-2-酮、2(5H)-呋喃酮、5-甲基二氢呋喃-2(3H)-酮、(二甲氨基)乙醛缩二甲醛的一种及以上。
所述衬底为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
所述阴极层为ITO、FTO、导电聚合物电极、银纳米线电极中的一种以上；氧化物致密层为TiO2、SnO2、ZnO中的一种以上，氧化物致密层的厚度为1-100nm，多孔电子传输层为TiO2、SnO2、MgO中的一种以上，多孔电子传输层厚度为20-2000nm，所述多孔阻隔层为Al2O3、ZrO2、MgO中的一种以上，多孔阻隔层厚度为0.1-5um，多孔阳极层厚度为2-30um，多孔阳极层为碳黑、石墨的一种以上。
所述采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)获取并刻蚀覆有阴极层的衬底，于衬底阴极层上表面均匀制备一层致密的厚度为1-100nm氧化物致密层，再于上制备一层厚度为20-2000nm的多孔电子传输层，再于上制备一层厚度为0.1-5um的多孔阻隔层，最后，制备一层厚度为2-30um的碳电极作为多孔阳极层；
2)配制钙钛矿薄膜的前驱体溶液，其中，溶剂为γ-丁内酯GBL，羰基小分子添加剂的浓度为3-20％摩尔比，然后搅拌过夜得到添加有羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液；
3)步骤2)得到的添加有羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤1)得到的多孔阳极层上，待其自然由各多孔层的孔隙中渗透到底层，静置1-30分钟，然后30-100℃退火处理10-300分钟得到目标电池。
本发明的有益效果如下：本发明通过在钙钛矿前驱体的GBL溶液中引入羰基小分子添加剂作为钙钛矿结晶的钝化剂、交联剂，钝化了钙钛矿的碘缺陷，增加了钙钛矿薄膜的结晶度，提升了钙钛矿薄膜的成品率，并能显著的提升全印刷介观钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的同时降低了成本。解决了钙钛矿薄膜材料在介孔中的结晶难以控制，导致降低太阳能电池器件的性能问题，解决了全介观钙钛矿太阳能电池工艺重复性差、效率低的缺点，具有良好的产业化前景。
附图说明：
图1是本发明实施例1得到的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
其中，A、玻璃衬底，1、阴极层，2、氧化物致密层，3、多孔电子传输层，4、多孔阻隔层，5、多孔阳极层。
图2是本发明实施例1得到的钙钛矿太阳能电池的器件光电转换效率图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
如图1所示的一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，由多层薄膜堆叠构成，由下而上包括衬底上依次层叠设置的阴极层1、氧化物致密层2、多孔电子传输层3、多孔阻隔层4、多孔阳极层5，钙钛矿薄膜填充各多孔层中，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中引入3-20％摩尔比的碳酸乙烯酯。
实施例1：
本实施例阴极层为FTO，衬底为玻璃片，氧化物致密层为TiO2，多孔电子传输层为TiO2，多孔阻隔层为ZrO，钙钛矿薄膜的前驱体溶液添加6％摩尔比的碳酸乙烯酯作为添加剂。
制备方法包括以下步骤：
一、将刻蚀好覆有FTO阴极层1的导电玻璃片清洗完成，使用色散喷雾器均匀的在FTO表面喷涂备好的二氧化钛前驱体溶液并在450℃退火30min使其充分结晶，形成厚度为80nm均匀致密的氧化物致密层，冷却至室温的未完成器件用氮气吹净表面，于丝网印刷机上依次印刷500nm TiO2薄膜、3μm ZrO薄膜和10μm碳薄膜。
二，配制混入钙钛矿薄膜的前驱体溶液，其中，溶剂为γ-丁内酯，羰基小分子添加剂碳酸乙烯酯的浓度为6％摩尔比；
三、取上述配比好的钙钛矿前驱体溶液5μl滴于多孔碳对电极层的顶端，待其自然由各多孔层的孔隙中渗透到底层，静置5-10分钟后，再将其放置于已经预热至50℃的烘箱中退火处理形成均匀的钙钛矿薄膜。所述钙钛矿薄膜为MAPbI3结构。
对得到的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，使用碳酸乙烯酯作为添加剂的钙钛矿太阳能电池平均光电转换效率为14.77％，最优器件的电流密度是24.55mA·cm-2，开路电压为0.92V，填充因子是68.33％，光电转换效率是15.44％。
实施例2：
参考实施例1，不同之处在于罗丹宁代替碳酸乙烯酯。
对得到的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，使用浓度为3％摩尔比的罗丹宁作为添加剂的钙钛矿太阳能电池平均光电转换效率为12.54％，最优器件的电流密度是24.51mA·cm-2，开路电压为0.87V，填充因子是62.23％，光电转换效率是13.27％。

Claims (4)

1.一种采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池设置在衬底上，由多层薄膜堆叠构成，由下而上包括衬底上依次层叠设置的阴极层、氧化物致密层、多孔电子传输层、多孔阻隔层、多孔阳极层，钙钛矿薄膜填充各多孔层中，所述钙钛矿薄膜具有ABX3结构，ABX3结构中A为甲胺、甲脒、铯、铷中的一种以上，B为二价铅、二价锡、二价锶中的一种以上，X为卤族元素氟、氯、溴、碘中的一种以上，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中引入羰基小分子添加剂；所述羰基小分子添加剂为碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、乙酸己酯、丙酸丁酯、罗丹宁、异丁酸异戊酯、碳酸甘油酯、碳酸二乙酯、乙酸异丁酯、4,5-二氯-1,3-二氧戊环-2-酮、4-氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4,4,5,5-四氯-1,3-1,3-二氧戊环-2-酮、2(5H)-呋喃酮、5-甲基二氢呋喃-2(3H)-酮、(二甲氨基)乙醛缩二甲醛的一种及以上。
2.根据权利要求1所述的采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述衬底为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述阴极层为ITO、FTO、导电聚合物电极、银纳米线电极中的一种以上；氧化物致密层为TiO2、SnO2、ZnO中的一种以上，氧化物致密层的厚度为1-100nm，多孔电子传输层为TiO2、SnO2、MgO中的一种以上，多孔电子传输层厚度为20-2000nm，所述多孔阻隔层为Al2O3、ZrO2、MgO中的一种以上，多孔阻隔层厚度为0.1-5um，多孔阳极层厚度为2-30um，多孔阳极层为碳黑、石墨的一种以上。
4.权利要求1-3中任意一项权利要求所述的采用羰基小分子作为添加剂的全印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取并刻蚀覆有阴极层的衬底，于衬底阴极层上表面均匀制备一层致密的厚度为1-100nm氧化物致密层，再于上制备一层厚度为20-2000nm的多孔电子传输层，再于上制备一层厚度为0.1-5um的多孔阻隔层，最后，制备一层厚度为2-30um的碳电极作为多孔阳极层；
2)配制钙钛矿薄膜的前驱体溶液，其中，溶剂为GBL，羰基小分子添加剂的浓度为3-20％摩尔比，然后搅拌过夜得到添加有羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液；
3)步骤2)得到的添加有羰基小分子的钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤1)得到的多孔阳极层上，待其自然由各多孔层的孔隙中渗透到底层，静置1-30分钟，然后30-100℃退火处理10-300分钟得到目标电池。
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