CN111403606B - 一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，具体公开了一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。所述钙钛矿太阳能电池的钙钛矿薄膜层通过两步旋涂方法进行制备，在第二步的旋涂操作中滴加反溶剂，所述反溶剂里添加有番茄红素。番茄红素的使用能够在保证钙钛矿相结晶的前提下，钝化结晶过程中产生的晶界及孔洞，进而降低缺陷态的产生以及载流子非辐射复合的几率，进而对相应器件性能的提升有一定作用。所述番茄红素属于一种食品添加剂，可在番茄皮中提取，具有疏水作用，因此使用该方法所制得的钙钛矿薄膜的疏水性及稳定性也能够得到提高，这对未来利用植物提取物调节材料结晶及钙钛矿太阳能电池性能具有很大前景。

Description

一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
目前，可再生的清洁能源受到环境科技领域的广泛关注，其中钙钛矿太阳能电池因其近十年的效率攀升而作为研究热点之一，其效率已由2009年的3.8%提高到了2019年的25.2%。这主要是由于钙钛矿材料具有多种优势：双载流子传输性能、高吸光性、长载流子寿命、高缺陷容忍度和溶液加工性等。
钙钛矿材料一般具有ABX3结构，其中A为有机或者无机一价阳离子，例如MA+、FA+、Cs+等，B为二价阳离子，例如Pb2+，Sn2+等，X一般为卤素阴离子。目前，钙钛矿薄膜的制备方法主要包括旋涂、热蒸镀、刮涂和喷墨打印等，但最为常用的还是成本较低且工序简单的旋涂法。然而，这种方法常常伴随着由于退火温度或者时间的不同、反溶剂类型及滴加时间的微小差异，而导致最终形成的钙钛矿薄膜结晶的变化，进而对钙钛矿太阳能电池的性能有一定影响。另外，如果形成薄膜中含有过多的孔洞或者晶界，则外界水汽及氧气都容易进入到该位置，长此以往，最终会导致钙钛矿薄膜的分解。因此，钙钛矿薄膜的结晶情况、成膜状态、薄膜稳定性对于钙钛矿太阳能电池性能起着不容忽视的作用。
发明内容
要解决的技术问题：传统钙钛矿薄膜是通过旋涂方法制备而成，该工艺会由于反溶剂影响，导致薄膜缺陷密度的改变以及成膜情况的改变，进而对器件性能有影响。为了改进这一情况，本发明的目的在于提供一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池，其主要是将番茄红素溶液与普通反溶剂混合得到一种混合型反溶剂，再将其用于制备钙钛矿薄膜中，从而调节钙钛矿材料的结晶成膜过程，进而对钙钛矿太阳能电池器件性能进行改进。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池，所述的钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和电极层；所述的钙钛矿吸光层含有番茄红素，所述的番茄红素添加在钙钛矿吸光层制备中所使用的反溶剂里。
进一步的，所述番茄红素的添加量占反溶剂溶液的浓度为0.02-0.1 mg/mL。
进一步的，所述反溶剂所使用的溶液为氯苯或者体积比（1-3）：10的氯苯/异丙醇。
进一步的，所述的钙钛矿吸光层的制备方法为：使用钙钛矿前驱体溶液通过两个阶段的旋涂操作制备钙钛矿吸光层，并于第二阶段的15-23秒滴加配制好的反溶剂。
本发明所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对FTO导电基底进行清洗烘干；
（2）在 FTO导电基底上制备电子传输层；
（3）将番茄红素添加到溶剂中溶解得到反溶剂；
（4）通过两个阶段的旋涂方法制备钙钛矿吸光层，并于第二阶段的15-23秒滴加配制好的反溶剂；
（5）在钙钛矿吸光层上，采用旋涂法制备空穴传输层；
（6）在空穴传输层上制备电极层。
有益效果：本发明提供了一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该钙钛矿太阳能电池以掺杂番茄红素的氯苯或者氯苯/异丙醇混合溶液作为反溶剂制备钙钛矿薄膜，由于微量的番茄红素能够进入晶界或者填充孔洞，使得钝化后的钙钛矿薄膜质量得到提高，进而器件性能得到改进。同时，番茄红素的分子结构中含有大量双键，具有强疏水性，能够提高钙钛矿薄膜的抗水性及薄膜稳定性。
附图说明
图1为本发明所述钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明所述钙钛矿太阳能电池器件在光照强度为AM1.5G下的电流密度-电压曲线图；
图3为本发明以不同疏水抗氧化掺杂量的反溶剂进行制备获得的钙钛矿薄膜的SEM图；
图4为本发明实施例4制备的钙钛矿薄膜在湿度约为35%的环境下放置200小时前后得到的X射线衍射谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
以下实施例中使用的FTO透明导电玻璃基片购自优选科技公司，食品添加剂粉末购自Sigma Aldrich或者Macklin。spiro-OMeTAD购自优选科技公司，三氧化钼购西安宝莱特公司。
实施例1
（1）将FTO基底用洗洁精、去离子水、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次10分钟。随后放入烘箱中干燥；
（2）将0.05 mg的番茄红素粉末用1mL体积比为10:1的氯苯/异丙醇混合溶液溶解，放于磁力搅拌仪上搅拌1小时后取下作为反溶剂备用；
（3）在FTO基底上沉积好TiO2，放于烘箱中继续干燥两小时；
（4）旋涂甲胺铅碘钙钛矿溶液，分为两步，开始以2000r/min的转速旋涂20秒，随后以4000r/min的转速旋涂40秒，同时，在第二阶段的20秒滴加配制好的反溶剂；
（5）旋涂结束后放置1分钟，在102摄氏度的加热台上退火10分钟，结束后放置冷却，获得钙钛矿薄膜层，其厚度约200-300nm；
（6）随后旋涂空穴传输材料spiro-OMeTAD，并传入热蒸发仪中进行蒸镀三氧化钼和银，其厚度分别为10 nm及100 nm。
实施例2
（1）将FTO基底用洗洁精、去离子水、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次10分钟。随后放入烘箱中干燥。
（2）将0.1 mg的番茄红素粉末用1mL体积比为10:1的氯苯/异丙醇混合溶液溶解，放于磁力搅拌仪上搅拌1小时后取下作为反溶剂备用；
（3）在FTO基底上沉积好TiO2，放于烘箱中继续干燥两小时；
（4）旋涂甲胺铅碘钙钛矿溶液，分为两步，开始以2000r/min的转速旋涂20秒，随后以4000r/min的转速旋涂40秒，同时，在第二阶段的20秒滴加配制好的反溶剂；
（5）旋涂结束后放置1分钟，在102摄氏度的加热台上退火10分钟，结束后放置冷却，获得钙钛矿薄膜层，其厚度约200-300nm；
（6）随后旋涂空穴传输材料spiro-OMeTAD，并传入热蒸发仪中进行蒸镀三氧化钼和银，其厚度分别为10 nm及100 nm。
实施例3
（1）将FTO基底用洗洁精、去离子水、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次10分钟。随后放入烘箱中干燥。
（2）将0.3 mg的番茄红素粉末用1mL体积比为10:1的氯苯/异丙醇混合溶液溶解，放于磁力搅拌仪上搅拌1小时后取下作为反溶剂备用；
（3）在FTO基底上沉积好TiO2，放于烘箱中继续干燥两小时；
（4）旋涂甲胺铅碘钙钛矿溶液，分为两步，开始以2000r/min的转速旋涂20秒，随后以4000r/min的转速旋涂40秒，同时，在第二阶段的20秒滴加配制好的反溶剂；
（5）旋涂结束后放置1分钟，在102摄氏度的加热台上退火10分钟，结束后放置冷却，获得钙钛矿薄膜层，其厚度约200-300nm；
（6）随后旋涂空穴传输材料spiro-OMeTAD，并传入热蒸发仪中进行蒸镀三氧化钼和银，其厚度分别为10 nm及100 nm。
实施例4
（1）将FTO基底用洗洁精、去离子水、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次10分钟。随后放入烘箱中干燥。
（2）将0.05 mg的番茄红素粉末用1mL体积比为氯苯溶液溶解，放于磁力搅拌仪上搅拌1小时后取下作为反溶剂备用；
（3）在FTO基底上沉积好TiO2，放于烘箱中继续干燥两小时；
（4）旋涂甲胺铅碘钙钛矿溶液，分为两步，开始以2000r/min的转速旋涂20秒，随后以4000r/min的转速旋涂40秒，同时，在第二阶段的20秒滴加配制好的反溶剂；
（5）旋涂结束后放置1分钟，在102摄氏度的加热台上退火10分钟，结束后放置冷却，获得钙钛矿薄膜层，其厚度约200-300nm；
（6）随后旋涂空穴传输材料spiro-OMeTAD，并传入热蒸发仪中进行蒸镀三氧化钼和银，其厚度分别为10 nm及100 nm。
对比例1
（1）将FTO基底用洗洁精、去离子水、乙醇及丙酮各超声清洗两次，每次10分钟。随后放入烘箱中干燥。
（2）在FTO基底上沉积好TiO2，放于烘箱中继续干燥两小时。
（3）旋涂钙钛矿溶液，分为两步，开始以2000r/min的转速旋涂20秒，随后以4000r/min的转速旋涂40秒，同时，在第二阶段的15-23秒滴加反溶剂氯苯/异丙醇混合溶液。
（4）旋涂结束后放置2分钟，在102摄氏度的加热台上退火10分钟，结束后放置冷却，获得层，其厚度约200-300nm；
（5）随后旋涂空穴传输材料spiro-OMeTAD，并传入热蒸发仪中进行蒸镀三氧化钼和银，其厚度分别为10 nm及100 nm。
上述实施例和对比例的太阳能电池的性能如下表1所示：
表1
图2为实施例4制得的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线，根据表格可以发现其填充因子大大提高，这主要是由于番茄红素起到钝化作用，使得薄膜覆盖率大大提高。同时，从图3的钙钛矿SEM形貌图可以发现，相对于对比例，实施例中钙钛矿薄膜晶界减少，掺杂番茄红素的反溶剂在退火后能够存留部分番茄红素于钙钛矿薄膜表面，从而填补了成相过程中形成的晶界及孔洞。图4为实施例4制备的钙钛矿薄膜在湿度约为35%的环境下放置200小时前后得到的X射线衍射谱图，从图中可以看出放置前后其结晶情况几乎没有变化，说明番茄红素的疏水作用使得钙钛矿薄膜能够稳定保持其原本结晶相及强度。

Claims (3)

1.一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和电极层；所述的钙钛矿吸光层含有番茄红素，所述的番茄红素添加在钙钛矿吸光层制备中所使用的反溶剂里，所述番茄红素的添加量占反溶剂溶液的浓度为0.02-0.1 mg/mL，所述的钙钛矿吸光层的制备方法为：使用钙钛矿前驱体溶液通过两个阶段的旋涂操作制备钙钛矿吸光层，并于第二阶段的15-23秒滴加配制好的反溶剂。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂番茄红素的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述反溶剂所使用的溶液为氯苯或者体积比（1-3）：10的氯苯/异丙醇。
3.权利要求1或2所述的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）对FTO导电基底进行清洗烘干；
（2）在FTO导电基底上制备电子传输层；
（3）将番茄红素添加到溶剂中溶解得到反溶剂；
（4）通过两个阶段的旋涂方法制备钙钛矿吸光层，并于第二阶段的15-23秒滴加配制好的反溶剂；
（5）在钙钛矿吸光层上，采用旋涂法制备空穴传输层；
（6）在空穴传输层上制备电极层。
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