CN111864071A - 一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池，属于太阳能电池领域。本发明提供的钙钛矿太阳能电池以透明导电ITO/PET柔性基底，氧化锡致密层，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，P3HT为空穴层和导电碳电极组成。本发明提供的钙钛矿太阳能电池以氧化锡作为电子层，以导电碳电极代替了昂贵的金属电极，在全低温的制备过程中，制备出柔性碳基钙钛矿太阳能电池。数据表明，柔性碳基钙钛矿太阳能电池的效率为9.88±0.51％，电流密度为20.84±1.20％，开路电压为0.900±0.05％，填充因子为47.20±3.25％。同时导电碳电极具有电导率高、低温工艺、惰性离子迁移(从钙钛矿和金属电极)和防水等优点，因此有利于高的器件稳定性。

Description

一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氢能利用中的储氢材料问题依然没有解决；风能、核能利用难以大面积推广；太阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能，已经是各相关学科一个很重要的方向。对太阳能的利用可以有很多的途径，其中光电转换所到了人们的广泛关注。。目前，太阳能电池约85％的市场份额由硅太阳能电池占据，但是由于其高昂的价格，严重制约了其应用前景。近年来，钙钛矿太阳能电池作为一种新型太阳能电池吸引了众多科研工作者的关注，自2009年首次报道以来，在几年的时间里其光电转换效率从3.8％提升至24.2％。
钙钛矿太阳能电池一般由透明导电电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属对电极五部分组成。但是现有的技术中，运用的透明导电电极基本都是FTO的玻璃电极，不可弯曲，金属对电极为金电极，价格昂贵，为制备可弯曲，低成本的太阳能电池带来了问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明提供的钙钛矿太阳能电池以柔性的导电极，为电池提供了良好的柔韧性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的透明导电ITO/PET基底，SnO2致密层，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，P3HT空穴层和导电碳电极。
优选地。所述SnO2致密层的厚度为30-60nm。
优选地。所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度为300-500nm。
优选地。所述P3HT空穴层的厚度为60-80nm。
优选地。所述导电碳电极的厚度为5-25um。
本发明还提供了上述技术方案所述碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将透明导电ITO/PET基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气吹干。得到预处理基底；
(2)将SnO2前驱体溶液旋涂在所述预处理基底表面，得到ITO/SnO2；
(3)在所诉步骤(2)得到的ITO/SnO2中SnO2层表面旋涂钙钛矿前驱体溶液后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3；
(4)在所诉步骤(3)得到的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3中CH3NH3PbI3层表面旋涂空穴传输层P3HT前驱体溶液后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT；
(5)在所述步骤(4)得到的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT表面涂覆碳浆料后进行热处理，得到柔性碳基钙钛矿太阳能电池。
优选地，所述步骤(2)中旋涂后还包括：对旋涂后的样品退火处理，所述退火处理的温度为80-120℃，所述退火处理的时间为20-40min。
优选地，所述步骤(3)中旋涂CH3NH3PbI3钙钛矿前驱体溶液时滴加反溶剂。
优选地，所述步骤(3)中退火处理的温度为80-120℃，所述退火处理的时间为5-10min。
优选地，所述步骤(4)中退火处理的温度为80-120℃，所述退火处理的时间为10-20min。
本发明提供一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池，属于太阳能电池领域。本发明提供的钙钛矿太阳能电池以透明导电ITO/PET柔性基底，氧化锡致密层，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，P3HT为空穴层和导电碳电极。本发明提供的钙钛矿太阳能电池以氧化锡作为电子层，以导电碳电极代替了昂贵的金属电极，在全低温的制备过程中，制备出柔性碳基钙钛矿太阳能电池。数据表明，柔性碳基钙钛矿太阳能电池的效率为9.88±0.51％，电流密度为20.84±1.20％，开路电压为0.900±0.05％，填充因子为47.20±3.25％。同时导电碳电极具有电导率高、低温工艺、惰性离子迁移(从钙钛矿和金属电极)和防水等优点，因此有利于高的器件稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的碳基钙钛矿太阳能电池的电池结构图；
图2为本发明实施例1制备的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3的XRD图；
图3为本发明实施例1制备的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3的SEM图；
图4为本发明实施例1制备的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3和FTO/SnO2/CH3NH3PbI3的紫外吸收图
图5为本发明实施例1制备的钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线图；
具体实施方式
本发明提供了一种柔性碳基钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的透明导电ITO/PET基地，SnO2致密层，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，P3HT空穴层和导电碳电极。
本发明中，所述SnO2致密层的厚度为30-60nm。
本发明中，所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度为300-500nm。
本发明中，所述P3HT空穴层的厚度为60-80nm。
本发明中，所述导电碳电极的厚度为5-25um。
本发明对所诉透明导电基底(导电玻璃基底FTO，柔性导电PET基底ITO)的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
本发明还提供了上述技术方案所述柔性碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将柔性导电ITO/PET基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气吹干。得到预处理基底；
(2)将SnO2前驱体溶液旋涂在所述预处理基底表面，得到ITO/SnO2；
(3)在所诉步骤(2)得到的ITO/SnO2中SnO2层表面旋涂钙钛矿前驱体溶液后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3；
(4)在所诉步骤(3)得到的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3中CH3NH3PbI3层表面旋涂空穴传输层P3HT前驱体溶液后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT；
(5)在所述步骤(4)得到的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT表面涂覆碳浆料后进行热处理，得到柔性碳基钙钛矿太阳能电池。
本发明将柔性导电ITO/PET基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气吹干，得到预处理基底。本发明对所述洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水的用量没有特殊的限定，能够将透明导电玻璃基底清洗干净即可。在本发明中，所述洗涤剂优选为洗涤精。
本发明对所述超声的功率和时间没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的超声功率和时间即可，具体的，如每次超声清洗30min。
在本发明中，所述预处理基底使用前优选用氧等离子体处理。在本发明中，所述氧等离子体处理的时间优选为5min。在本发明中，氧等离子体处理能够增加ITO表面的亲水性。
得到预处理基底后，本发明将SnO2前驱体溶液旋涂在所述预处理基底表面，得到ITO/SnO2。本发明对所述SnO2前驱体溶液的组成以及SnO2前驱体溶液中SnO2的含量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的SnO2前驱体溶液即可。在本发明中，所诉SnO2前驱体溶液优选为二氧化锡(15％)水胶体分散液用水稀释将浓度稀释到2.5％。
在本发明中，所诉SnO2前驱体溶液在使用前优选进行搅拌2小时。
在本发明中，所述旋涂的速度优选为3000-5000rpm，更优选为4000-4200rpm，旋涂的时间优选为30s。
在本发明中，旋涂完成后优选还包括：对旋涂后的样品进行退后处理，所述退火处理的温度优选80-150℃，更优选为100-120℃，所述退火处理的时间优选为10-40min，更优选为30-35min。在本发明中，所述退火处理能够使SnO2致密层与预处理基底的结合更加牢固。
得到SnO2致密层后，本发明在所述SnO2致密层表面沉积CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI。
在本发明中，所述旋涂CH3NH3PbI3钙钛矿前驱体溶液时优选滴加反溶剂。
在本发明中，所述钙钛矿前驱体溶液包括PbI2、CH3NH3I(MAI)、DMF和DMSO。本发明对所述PbI2、CH3NH3I(MAI)、DMF和DMSO的用量比没有特殊的限定，具体的实施例中，如0.462g PbI2、0.15897g CH3NH3I、0.6g DMF和0.078g DMSO通过常规混合得到钙钛矿前躯体溶液。
在本发明中，所述钙钛矿前驱体溶液的旋涂的速度优选为2500-4000rpm，更优选为3000-3500rpm，旋涂的时间优选为30-40s，更优选为40s。在本发明中，优选在旋涂开始至15s时滴加反溶剂，加速结晶。本发明对所述反溶剂的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的反溶剂即可，具体的，如乙醚或氯苯。
沉积CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层后，本发明将得到的产品进行退后处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3。在本发明中，所述退火处理的温度优选为50-110℃，更优选为90-100℃，所述退火处理的时间优选为5-30min，更优选为10-15min。在本发明中，退火处理能够促使钙钛矿结晶。
得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI后，本发明在所述ITO/SnO2/CH3NH3PbI3中CH3NH3PbI3层表面旋涂P3HT前驱体溶液，退后处理形成空穴传输层。
在本发明中，所述P3HT前驱体溶液是10mg/mL P3HT的甲苯溶液。
在本发明中，所述P3HT前驱体溶液的旋涂速度优选为2000-5000rpm，更优选为3000-3500rpm，旋涂时间优选为30-40s，更优选为30s.在本发明中，所述退火处理的温度优选为80-110℃，更优选为90-100℃，所述退火处理的时间优选为5-20min，更优选为10-15min。
得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT后，本发明在所诉ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT表面涂覆碳浆料后进行热处理，得到碳基钙钛矿太阳能电池。在本发明中，所诉涂覆优选为刮涂。本发明对所诉碳浆料的浓度、刮涂用量没有特殊的限定，能够保证导电碳电极的厚度即可。本发明中所述碳浆料采用本领域技术人员熟知的市销商品即可。
碳浆料涂覆完成后，本发明对涂覆碳浆料的样品进行热处理，得到碳基钙钛矿太阳能电池。在本发明中，所述热处理的温度优选为80-100℃，更优选为90-100℃，热处理的时间优选为15-40min，更优选为20-30min。本发明中，热处理能够去除碳电极中的溶剂，形成固体的电极。
下面结合实施例对本发明提供的碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围。
图1为本发明提供的碳基钙钛矿太阳能电池的电池结构示意图，包括依次设置的透明导电ITO/PET基底，SnO2致密层，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，P3HT空穴层和导电碳电极。
实施例1
将透明导电ITO/PET基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮气吹干，得到预处理基底，在使用之前用等离子体处理五分钟。
将SnO2前驱体溶液优选为二氧化锡(15％)水胶体分散液用水稀释将浓度稀释到2.5％，磁力搅拌2h。
取100uL上述SnO2前驱体溶液，将其旋涂沉积干净的ITO/PET衬底上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，随后在加热板上100℃退火30min，得到ITO/SnO2。
分别称取0.462g PbI2和0.15897g MAI，然后加入溶剂0.6g DMF和0.078g DMSO配制成钙钛矿前驱体溶液。取100uL的钙钛矿前驱体溶液沉积在ITO/SnO2上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，旋涂的过程中在第20s时滴加反溶剂，完成之后在100℃的条件下退火10min，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3。
对本实验例制得的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3样品进行XRD、SEM和紫外吸收图测试，分别如图2、3、4所示，由图2可知，形成了钙钛矿结构，图3为ITO/SnO2/CH3NH3PbI3样品表面的SEM谱图，图4为ITO/SnO2/CH3NH3PbI3样品表面的紫外吸收图。
取10mg P3HT溶解在1mL甲苯中，将其放到80℃的热台上磁力搅拌2h将其溶解。取100uL的P3HT前驱体溶液沉积在ITO/SnO2/CH3NH3PbI3上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，完成之后在100℃的条件下退火10min，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT。
将商用碳浆料通过刮碳的方法刮涂在ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT上，碳电极的厚度为25um，之后置于加热板上加热，加热温度为100℃，加热时间为30min，得到钙钛矿太阳能电池。
对本实施例制备的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，结果如图5所示，本发明制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为10.01％，，电流密度为21.74mA/cm2，开路电压为0.95V，填充因子为48.60％.
实施例2
将透明导电FTO玻璃基底依次用洗涤剂、丙酮、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后用氮气吹干，得到预处理基底，在使用之前用等离子体处理五分钟。
将SnO2前驱体溶液优选为二氧化锡(15％)水胶体分散液用水稀释将浓度稀释到2.5％，磁力搅拌2h。
取100uL上述SnO2前驱体溶液，将其旋涂沉积干净的FTO/PET衬底上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，随后在加热板上100℃退火30min，得到FTO/SnO2。
分别称取0.462g PbI2和0.15897g MAI，然后加入溶剂0.6g DMF和0.078g DMSO配制成钙钛矿前驱体溶液。取100uL的钙钛矿前驱体溶液沉积在FTO/SnO2上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，旋涂的过程中在第20s时滴加反溶剂，完成之后在100℃的条件下退火10min，得到FTO/SnO2/CH3NH3PbI3。
对本实验例制得的FTO/SnO2/CH3NH3PbI3样品进行紫外吸收图测试，图4为FTO/SnO2/CH3NH3PbI3样品表面的紫外吸收图。
取10mg P3HT溶解在1mL甲苯中，将其放到80℃的热台上磁力搅拌2h将其溶解。取100uL的P3HT前驱体溶液沉积在FTO/SnO2/CH3NH3PbI3上，旋涂的速度为4000rpm，旋涂的时间为30s，完成之后在100℃的条件下退火10min，得到FTO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT。
将商用碳浆料通过刮碳的方法刮涂在FTO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT上，碳电极的厚度为25um，之后置于加热板上加热，加热温度为100℃，加热时间为30min，得到钙钛矿太阳能电池。
对本实施例制备的钙钛矿太阳能电池进行J-V测试，结果如图5所示，本发明制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为12.72％，，电流密度为21.98mA/cm2，开路电压为0.97V，填充因子为59.53％.
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种钙钛矿太阳能电池，包括依次设置的透明导电ITO/PET基底，SnO2致密层，CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层，P3HT空穴层和导电碳电极。
2.根据权利要求1所述的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述SnO2致密层的厚度为30-60nm。
3.根据权利要求1所述的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的厚度为300-500nm。
4.根据权利要求1所述的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述P3HT空穴层的厚度为60-80nm。
5.根据权利要求1所述的碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电碳电极的厚度为5-25um。
6.权利要求1-5任意一项所述柔性碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将透明导电ITO/PET基底依次用洗涤剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气吹干。得到预处理基底；
(2)将SnO2前驱体溶液旋涂在所述预处理基底表面，得到ITO/SnO2；
(3)在所诉步骤(2)得到的ITO/SnO2中SnO2层表面旋涂钙钛矿前驱体溶液后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3；
(4)在所诉步骤(3)得到的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3中CH3NH3PbI3层表面旋涂空穴传输层P3HT前驱体溶液后进行退火处理，得到ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT；
(5)在所述步骤(4)得到的ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/P3HT表面涂覆碳浆料后进行热处理，得到柔性碳基钙钛矿太阳能电池。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所诉步骤(2)中旋涂后还包括：对旋涂后的样品退火处理，所述退火处理的温度为80-120℃，所述退火处理的时间为20-40min。
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所诉步骤(3)中旋涂CH3NH3PbI3钙钛矿前驱体溶液时滴加反溶剂。
9.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所诉步骤(3)中退火处理的温度为80-120℃，所述退火处理的时间为5-10min。
10.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所诉步骤(4)中退火处理的温度为80-120℃，所述退火处理的时间为10-20min。
11.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所诉步骤(5)中退火处理的温度为90-100℃，所述退火处理的时间为15-40min。
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