CN111816771A - 一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种新型碳基可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

本发明公开了一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法。一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，在所述的衬底上依次设置有阴极层、电子传输层、介孔层、阻隔层和阳极层，钙钛矿薄膜填充于所述的介孔层、阻隔层与阳极层中，所述的电子传输层中掺杂有金属元素。本发明通过在电子传输层前驱体溶液中引入金属元素，提高薄膜光透过率，填补薄膜缺陷，改善能带结构，从而提高钙钛矿太阳能电池的器件性能，解决了电子传输层/钙钛矿界面的电子传输受限、载流子复合进而导致太阳能电池器件性能降低的问题，解决了碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池工艺重复性差、效率低的缺点。

Description

一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
随着经济的逐步发展和人类文明的不断前进，能源的需求量也越来越大。但是，现在工业生产中所用的能源大多为不可再生的一次能源。这就导致了严重的能源危机与环境问题。因此，开发一种清洁便利、无污染的可再生能源已经成为当今社会迫在眉睫的任务。在众多的可再生能源中太阳能以其资源丰富，无地域影响，能源清洁，对解决世界范围内能源危机与环境污染具有重要意义。因此，太阳能电池成为科学界重点的研究方向。尽管我国对于太阳能电池的研究起步较晚，但政策的重视加上科学家们不懈的努力，现在国内的太阳能电池技术发展很快，其应用领域也越来越广。然而目前市场上大部分的太阳能电池是硅基太阳能电池，其相对高昂的成本以及复杂的制备工艺限制了其进一步发展。相较于硅太阳能电池，碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池具有结构简单、材料易得、成本低廉、可大面积制备等一系列优点。
碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池结构中，通常钙钛矿材料与电极之间的能级不匹配，导致活性层与电极之间存在接触势垒，这将严重影响器件性能。通过在电极和活性层之间引入中间层可以使接触势垒降低，提高载流子的传输和收集效率并抑制电子和空穴的复合，进而提高器件的性能。目前，各种宽带隙半导体材料，如氧化锌，二氧化锡和二氧化钛等由于具有良好的透明度、空气稳定性、低成本和无毒性等已经被引入到电子传输层中，以期提高器件的整体光伏性能。然而，较低的电子迁移率和较差的导电性等限制了器件性能的进一步提高。
发明内容：
本发明旨在针对现有技术存在的问题，提供一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池及其制备方法，本发明通过在电子传输层前驱体溶液中引入金属元素，提高薄膜光透过率，填补薄膜缺陷，改善能带结构，从而提高钙钛矿太阳能电池的器件性能，解决了电子传输层/钙钛矿界面的电子传输受限、载流子复合进而导致太阳能电池器件性能降低的问题，解决了碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池工艺重复性差、效率低的缺点。
本发明提供了一种新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池设置在衬底上，在所述的衬底上依次设置有阴极层、电子传输层、介孔层、阻隔层和阳极层，钙钛矿薄膜填充于所述的介孔层、阻隔层与阳极层中，所述的电子传输层中掺杂有金属元素。
优选地，所述的金属元素的掺杂方式为将含有金属元素的硝酸盐加入到电子传输层的前驱体溶液中，所述的电子传输层的前驱体溶液中金属元素与含有金属元素的硝酸盐中金属元素的摩尔比为10～100：1。进一步优选，所述的电子传输层的前驱体溶液中金属元素与含有金属元素的硝酸盐中金属元素的摩尔比为20～90：1。
优选地，所述的电子传输层中掺杂有金属元素，所述的金属元素选自碱金属元素、碱土金属元素、镧系金属元素、锕系金属元素、过渡金属元素和两性金属元素中的一种以上的金属元素。
所述的金属元素选自锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡、镭、铝、铟、镓、锡、铊、铅、铋、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹、钪、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂和金中的一种以上。掺杂的金属元素如果为两种以上，优选各个元素的摩尔比相同。
优选地，所述的阴极层选自ITO、FTO、导电聚合物电极和银纳米线电极中的一种；所述的电子传输层选自TiO2、SnO2和ZnO中的一种以上。
优选地，所述的介孔层选自TiO2、SnO2和MgO中的一种以上；所述的阻隔层选自Al2O3、ZrO2和MgO中的一种以上；所述阳极层为碳电极。
优选地，所述的衬底选自玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
优选地，所述的钙钛矿薄膜具有ABX3结构：A选自甲胺(CH3NH2)、甲脒(CH4N2)、铯和铷中的一种以上，B选自铅、锡、锶和铜中的一种以上，X选自氟、氯、溴和碘中的一种以上。
优选地，所述的电子传输层的厚度为1-100nm，所述的介孔层厚度为10-2000nm，所述的阻隔层厚度为0.1-5μm，阳极层厚度为1-50μm。
本发明还保护上述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制电子传输层的前驱体溶液，再将含有金属元素的硝酸盐加入电子传输层的前驱体溶液中，其中电子传输层的前驱体溶液中金属元素与掺杂金属元素的摩尔比为10～100:1，搅拌得到掺杂有金属元素的电子传输层的前驱体溶液；
(2)将带有阴极层的衬底放置在温度为300℃-600℃的热台上，将步骤(1)得到的电子传输层的前驱体溶液均匀喷涂在衬底上表面，退火5-40分钟后，退火处理的温度为300℃-600℃，得到厚度为1-100nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上表面制备一层厚度为10-2000nm的介孔层，再于介孔层上制备一层厚度为0.1-5μm的阻隔层，最后制备一层厚度为1-50μm的碳电极作为阳极层，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
(4)将钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤3)得到的碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置1-30分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；然后退火处理得到目标电池，退火处理的温度为30-80℃，退火处理时间为5-400分钟。
当步骤(2)中退火处理的温度为300℃-550℃，退火处理时间为10-40分钟，电子传输层的厚度为10-30nm，步骤(3)介孔层的厚度为350-600nm，阻隔层的厚度为2-3μm，阳极层的厚度为6-15μm，步骤(4)中退火处理的时间为30-400分钟时，得到的碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池其能量转换效率最高。
优选地，钙钛矿薄膜具有ABX3结构，钙钛矿薄膜的前驱体溶液中A与B的摩尔比为1:1，X与B摩尔比为3:1。
本发明的有益效果是：本发明对电子传输层进行金属掺杂，提高电子传输层的光学及电学性能并调整其能带结构，从而降低活性层与电极之间的接触势垒，促进电子的传输与提取，使其更加适合作为碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的电子传输层，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；并且该系列掺杂金属表现出工艺简单、原料价廉易得等诸多特点，具有良好的产业化前景。
附图说明：
图1为本发明钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
其中：1、衬底；2、阴极层；3、电子传输层；4、介孔层；5、阻隔层；6、阳极层；
图2为本发明实施例1得到的钙钛矿太阳能电池的器件能量转换效率图；
图3为本发明实施例2得到的钙钛矿太阳能电池的器件能量转换效率图；
图4为本发明实施例3得到的钙钛矿太阳能电池的器件能量转换效率图。
具体实施方式：
下面结合具体实例，进一步阐明本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
钙钛矿薄膜前驱体溶液的制备：钙钛矿前驱体溶液制备方法：将1.1526gPbI2，0.3840gMAI(甲基碘化铵)和0.0207g5-AVAI(5-氨基戊酸碘化物)溶解在3mLGBL(γ-丁内酯)中，然后将整个溶液在50℃下搅拌过夜。
除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
实施例1
如图1所示，碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制电子传输层的前驱体溶液：将二(乙酰丙酮)钛酸二异丙酯溶液加入到乙醇中充分混合形成钛的摩尔浓度为0.09M的混合溶液，然后加入0.001M硝酸铝水合物、0.001M硝酸铟(III)水合物形成铝、铟掺杂二氧化钛前驱体溶液，其中铝与铟的摩尔比为1:1，钛与铝的摩尔比为40:1，室温下搅拌3h，得到掺杂有铝和铟的电子传输层的前驱体溶液；
(2)将FTO导电玻璃放置在450℃的热台上，FTO导电玻璃导电面朝上，将步骤(1)得到的电子传输层的前驱体溶液均匀喷涂在FTO导电玻璃表面，退火后得到厚度为25nm的电子传输层，退火温度为450℃，退火处理时间为20分钟；
(3)配置质量比为1:4的TiO2与ZrO2的松油醇浆料，采用丝网印刷技术在电子传输层上表面制备一层厚度为500nm的TiO2介孔层，采用丝网印刷技术再于介孔层上制备一层厚度为2.5μm的ZrO2阻隔层，最后采用丝网印刷技术制备一层厚度为15μm的碳电极作为阳极层，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
(4)将钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤(3)得到的碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置15分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；将其50℃退火处理240分钟，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池。
对比例1
与实施例1相同，不同之处在于：(1)配制电子传输层的前驱体溶液：将二(乙酰丙酮)钛酸二异丙酯溶液加入到乙醇中充分混合形成钛的摩尔浓度为0.09M的混合溶液，室温下搅拌3h，得到电子传输层的前驱体溶液。
对实施例1和对比例1得到的钙钛矿太阳能电池进行I-V测试。
测试结果为：如图2所示，实施例1得到的钙钛矿太阳能电池的短路电流是24.13mA/cm2，开路电压是0.93V，填充因子是69.20％，能量转换效率为15.53％。对比例1得到的钙钛矿太阳能电池的短路电流为23.51mA/cm2，开路电压为0.91V，填充因子为63.09％，能量转换效率为13.49％。
实施例2
如图1所示，碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制电子传输层的前驱体溶液：将二(乙酰丙酮)钛酸二异丙酯溶液加入到乙醇中充分混合形成钛的摩尔浓度为0.09M的混合溶液，然后加入0.002M硝酸铋水合物形成铋掺杂二氧化钛前驱体溶液，其中钛与铋的摩尔比为45:1，室温下搅拌3h，得到掺杂有铋的电子传输层的前驱体溶液；
(2)将FTO导电玻璃放置在550℃的热台上，ITO导电玻璃导电面朝上，将步骤(1)得到的电子传输层的前驱体溶液均匀喷涂在ITO导电玻璃表面，退火后得到厚度为10nm的电子传输层，退火温度为550℃，退火处理时间为10分钟；
(3)配置质量比为1:4的TiO2与ZrO2的松油醇浆料，采用丝网印刷技术在电子传输层上表面制备一层厚度为350nm的TiO2介孔层，再采用丝网印刷技术于介孔层上制备一层厚度为2μm的MgO阻隔层，最后采用丝网印刷技术制备一层厚度为6μm的碳电极作为阳极层，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
(4)将钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤(3)得到的碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置5分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；将其70℃退火处理30分钟，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池。
对比例2
与实施例2相同，不同之处在于：(1)配制电子传输层的前驱体溶液：将二(乙酰丙酮)钛酸二异丙酯溶液加入到乙醇中充分混合形成钛的摩尔浓度为0.09M的混合溶液，室温下搅拌3h，得到电子传输层的前驱体溶液。
对实施例2和对比例2得到的钙钛矿太阳能电池进行I-V测试。
测试结果为：如图3所示，实施例2得到的钙钛矿太阳能电池的短路电流是22.82mA/cm2，开路电压是0.86V，填充因子是57.33％，能量转换效率为11.25％。对比例2得到的钙钛矿太阳能电池的短路电流为22.41mA/cm2，开路电压为0.82V，填充因子为51.51％，能量转换效率为9.46％。
实施例3
如图1所示，碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制电子传输层的前驱体溶液：将二(乙酰丙酮)钛酸二异丙酯溶液加入到乙醇中充分混合形成钛的摩尔浓度为0.09M的混合溶液，然后加入0.001M硝酸镧水合物形成镧掺杂二氧化钛前驱体溶液，其中钛与镧的摩尔比为90:1，室温下搅拌3h，得到掺杂有镧的电子传输层的前驱体溶液；
(2)将FTO导电玻璃放置在300℃的热台上，FTO导电玻璃导电面朝上，将步骤(1)得到的电子传输层的前驱体溶液均匀喷涂在FTO导电玻璃表面，退火后得到厚度为30nm的电子传输层，退火温度为300℃，退火处理时间为40分钟；
(3)配置质量比为1:4的TiO2与ZrO2的松油醇浆料，采用丝网印刷技术在电子传输层上表面制备一层厚度为600nm的TiO2介孔层，再采用丝网印刷技术于介孔层上制备一层厚度为3μm的Al2O3阻隔层，最后采用丝网印刷技术制备一层厚度为8μm的碳电极作为阳极层，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
(4)将钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤(3)得到的碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置15分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；将其30℃退火处理400分钟，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池。
对比例3
与实施例3相同，不同之处在于：(1)配制电子传输层的前驱体溶液：将二(乙酰丙酮)钛酸二异丙酯溶液加入到乙醇中充分混合形成钛的摩尔浓度为0.09M的混合溶液，室温下搅拌3h，得到电子传输层的前驱体溶液。
对实施例3和对比例3得到的钙钛矿太阳能电池进行I-V测试。
测试结果为：如图4所示，实施例3得到的钙钛矿太阳能电池的短路电流是23.20mA/cm2，开路电压是0.82V，填充因子是57.44％，能量转换效率为10.92％。对比例3得到的钙钛矿太阳能电池的短路电流为22.49mA/cm2，开路电压为0.79V，填充因子为47.20％，能量转换效率为8.42％。
上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种新型碳基可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，在所述的衬底上依次设置有阴极层、电子传输层、介孔层、阻隔层和阳极层，钙钛矿薄膜填充于所述的介孔层、阻隔层与阳极层中，所述的电子传输层中掺杂有金属元素。
2.根据权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的金属元素的掺杂方式为将含有金属元素的硝酸盐加入到电子传输层的前驱体溶液中，所述的电子传输层的前驱体溶液中金属元素与含有金属元素的硝酸盐中金属元素的摩尔比为10～100：1。
3.根据权利要求1或2所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的电子传输层中掺杂有金属元素，所述的金属元素选自碱金属元素、碱土金属元素、镧系金属元素、锕系金属元素、过渡金属元素和两性金属元素中的一种以上的金属元素。
4.根据权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的阴极层选自ITO、FTO、导电聚合物电极和银纳米线电极中的一种；所述的电子传输层选自TiO2、SnO2和ZnO中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的介孔层选自TiO2、SnO2和MgO中的一种以上；所述的阻隔层选自Al2O3、ZrO2和MgO中的一种以上；所述阳极层为碳电极。
6.根据权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的衬底选自玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚对萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
7.根据权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的钙钛矿薄膜具有ABX3结构：A选自甲胺、甲脒、铯和铷中的一种以上，B选自铅、锡、锶和铜中的一种以上，X选自氟、氯、溴和碘中的一种以上。
8.根据权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的电子传输层的厚度为1-100nm，所述的介孔层厚度为10-2000nm，所述的阻隔层厚度为0.1-5μm，阳极层厚度为1-50μm。
9.权利要求1所述的新型碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配制电子传输层的前驱体溶液，再将含有金属元素的硝酸盐加入电子传输层的前驱体溶液中，其中电子传输层的前驱体溶液中金属元素与掺杂金属元素的摩尔比为10～100:1，搅拌得到掺杂有金属元素的电子传输层的前驱体溶液；
(2)将带有阴极层的衬底放置在300℃-600℃的热台上，将步骤(1)得到的电子传输层的前驱体溶液均匀喷涂在衬底上表面，退火处理后得到厚度为1-100nm的电子传输层；
(3)在电子传输层上表面制备一层厚度为10-2000nm的介孔层，再于介孔层上制备一层厚度为0.1-5μm的阻隔层，最后制备一层厚度为1-50μm的碳电极作为阳极层，制备出碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架；
(4)将钙钛矿薄膜的前驱体溶液滴涂于步骤3)得到的碳基可印刷介观钙钛矿太阳能电池的骨架阳极层上，静置1-30分钟，钙钛矿薄膜填充在介孔层、阻隔层与阳极层中；然后30-80℃退火处理得到目标电池。
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