CN111864081B - 一种基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池 - Google Patents

一种基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于P型Au@Cu2‑xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池及其制备方法，所述电池结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层和金属电极；所述界面钝化层为核壳结构的Au@Cu2‑xS纳米颗粒的涂层，涂层厚度为20～150nm。本发明以溶液法制备分散性良好的核壳结构的Au@Cu2‑xS材料，并将其嵌入钙钛矿光伏电池的空穴传输层/光敏层界面，利用Au@Cu2‑xS近红外区表现出较强的双重表面等离子体共振吸收特性，拓宽光伏器件吸收光谱范围，显著的提升界面处空穴密度，有效地促进电荷分离及提取，提高电池能量转换效率。

Description

一种基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池
技术领域
本发明属于光伏电池技术领域，具体涉及一种基于双重表面等离子共振P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池(PSC)具有制备工艺简单、成本低廉、钙钛矿半导体材料带隙宽度可调、光吸收系数较大、载流子扩散长度较长、电荷载流子迁移率较高以及能量转换效率高等优点，已迅速成为下一代光伏器件最有希望的候选者之一，引起了越来越多研究者的关注(Y.Zou,Y.Liang,C.Mu,J.P.Zhang,Advanced Materials Interfaces 2019.)。目前，电池转换效率(PCE)最高可达25.2％(Best Research-Cell Efficiencies chart,https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiency-chart.20190802.pdf)。
电池的效率和稳定性与载流子迁移率有必然的联系。在半导体器件中，空穴的迁移率比电子的迁移率低，因此提高空穴的迁移率对提高电池的效率与稳定性相当重要。恰当的空穴传输层材料可以消除光敏层与阳极之间寄生的陷阱，形成欧姆接触，并调整光敏层与阳极之间的势垒，有利于空穴向阳极迁移。传统的空穴传输层材料如：Spiro-OMeTAD、NiO、Cu:Cr2O3(Science China Chemistry,2017,60(4):472–489)等不能有效地提高空穴的迁移率，因此必须寻找新的空穴传输层材料。
在红外光谱范围内，局域表面等离激元共振(LSPR)是由入射光的电磁波驱动自由电子的集体振荡产生，它与纳米金属核的大小、形状以及外面壳的化学成分等因素有关。相对于有机材料，稳定的无机材料(例如金属氧化物，碳基半导体等)在钙钛矿太阳能电池中商业化发展过程中将会发挥着重大的作用(W.Chen,G.Pang,Y.Zhou,Y.Sun,F.Liu,R.Chen,S.Chen,A.Djurisic,Z.He,Journal of Materials Chemistry A 2020)。卤素钙钛矿是一种酸性材料，与金、银等材料发生反应(Nat.Mater.2015,14:1032)会造成钙钛矿光伏器件性能退化。为了避免贵金属纳米核与钙钛矿光敏层直接接触，很多科研工作者将无机氧化物(如：SiO2、TiO2等)直接包裹纳米金属核，形成金属-半导体核壳结构(Adv.Sci.2016,3:1500312.Adv.Funct.Mater.2015,25:5038；ACS Appl.Mater.Inter.2017,9:34821)。这种结构的材料由于在空间电荷层的形成中两种材料相的独特相互作用而受到基础科学和器件工程应用的关注。(A.Many,Y.Goldstein,N.B.Grover,1965)。通过LSPR，纳米金属核能有效地捕获光，为增强光敏层材料对光的吸收提供了可能性(S.Lambright,E.Butaeva,N.Razgoniaeva,T.Hopkins,B.Smith,D.Perera,J.Corbin,E.Khon,R.Thomas,P.J.A.n.Moroz,2013,8:352)，极大地提升复合体系对不同波段的光响应(Adv.Mater.2017,5:160069)；诱导热电子产生和注入，提升复合体系的电子浓度，并且顺利实现载流子/能量转移，抑制电子和空穴的复合，提高电极材料对电子/空穴收集效率。将其应用于光伏器件，金属和半导体之间协同作用有效提高光伏器件的光电转换效率。然而，绝缘体SiO2不利于载流子迁移；高温烧结TiO2会带来器件成本的提高。这些缺陷制约这类核壳结构外包裹材料在钙钛矿电池中广泛应用。
半导体金属硫化物(如：CdS、Cu2S)材料具有较高的载流子迁移率和超强的光-物质相互作用特性(ACS Nano,2018,12:10736-10754；J.Mater.Chem.A,2019,7:3655-3663)，广泛应用于光伏器件领域。CdS具有2.4eV直接带隙和优异的电子传输能力。如果应用于空穴传输层/光敏层间界面，与空穴传输层和光敏层材料的能级不匹配，不利于空穴的迁移。Cu2-xS因铜空位诱导出大量空穴载流子，表现出p型导电机制，无毒，材料来源丰富，在近红外区表现出较强的LSPR吸收(Adv.Mater.Inter.,2019,6:1801771；Nano Lett.,2018,18:886-897)。Cu2-xS材料在近红外光谱区也表现出LSPR吸收。通过铜成分改变，可以实现Cu2-xS薄膜带隙宽度在1.21-2.40eV间进行调控，实现与空穴传输层和光敏层材料的能级匹配，已经用于光伏器件的空穴传输层(Solar RRL,2017,1:1700038)。众所周知，金纳米粒子的LSPR源自电子的集体振荡，而Cu2-xS纳米结构的LSPR则源自空穴的集体振荡(J.M.Luther,P.K.Jain,T.Ewers,A.P.J.N.m.Alivisatos,2011,10,361；S.-W.Hsu,K.On,A.R.J.J.o.t.A.C.S.Tao,2011,133,19072)。将Cu2-xS对Au纳米金属颗粒进行包裹，形成以Au纳米颗粒为核、Cu2-xS为壳的核壳结构材料，即等离子Au金属和等离子Cu2-xS半导体集成到一个单元中有利于两种不同的LSPR耦合，产生等离激元耦合效应(ChemPhysChem,2018,19:1852-1858)，增强其在可见到红外光谱区范围内的吸光谱。但按现有文献(Adv.Funct.Mater.2020,30(12):1908408)中报道的方法合成的Au@Cu2-xS材料团聚在一起，难以在氯苯中分散，无法对钙钛矿/空穴传输层间界面进行钝化。
本申请以溶液法制备核-壳结构的Au@Cu2-xS材料，通过控制合成工艺条件使所得Au@Cu2-xS材料在氯苯中具有较好的分散性，并在近红外区表现出较强的双重等离子体共振吸收的优点，将其嵌入光敏层/空穴传输层间界面作为钝化层，拓宽光伏器件吸收光谱范围，提升界面处空穴密度，降低界面势垒，并加速其迁移，有效抑制其在器件中的扩散(减少漏电)，实现空穴传输层与钙钛矿光敏层间能级有效匹配，平衡空穴传输层和电子传输层对各自的载流子抽取率，减少界面复合，从而达到提高电池短路电流和填充因子的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池及其制备方法，该界面钝化层材料具有双重表面等离子共振特性，能够提高空穴迁移率，提高钙钛矿光伏电池综合性能。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层和金属电极；
所述界面钝化层为核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的涂层，涂层厚度为20～150nm。
按上述方案，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃、FTO导电玻璃或镀有ITO的柔性透明塑料。
按上述方案，所述电子传输层为SnO2薄膜或SnO2量子点(QD)薄膜。
按上述方案，所述SnO2薄膜以溶液法制备得到，具体制备方法为：将SnCl2·2H2O溶于乙醇中，用旋涂法将其涂在导电衬底上，在空气中180℃退火1小时得到。
按上述方案，所述SnO2量子点薄膜以溶液法制备得到，具体制备方法为：将SnCl2·2H2O和硫脲溶于去离子水中，成分搅拌得到透明黄色溶液，将其旋涂在导电衬底上，在空气中200℃退火1小时得到。
按上述方案，所述钙钛矿光敏活性层为CH3NH3PbI3材料或三元混合(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16(Cs＝cesium,MA＝CH3NH3,FA＝HC(NH2)2)材料。
按上述方案，所述核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒以Au颗粒为核，以Cu2-xS包裹层为壳，所述Au颗粒粒径为5～30nm，所述Cu2-xS包裹层厚度为10～90nm。
按上述方案，所述核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备方法为：
1)分别配制CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)溶液，HAuCl4溶液，NaBH4(硼氢化钠)溶液，AA(抗坏血酸)溶液，NaOH溶液，六亚甲基四胺(HMT)溶液，硫代乙酰胺(TAA)溶液，硝酸铜(Cu(NO3)2)溶液，备用；
2)Au颗粒的制备：
(a)种子溶液制备：将CTAB溶液、HAuCl4溶液、NaBH4溶液与水混合得到种子溶液，所得种子溶液中CTAB、HAuCl4、NaBH4摩尔比为80～400：1：3，种子溶液中CTAB浓度为0.01～0.1mol/L；
(b)Au颗粒制备：按体积份，将750份CTAB溶液、150份HAuCl4溶液、100份AA溶液、1份种子溶液及5份NaOH溶液混合，放置1小时后，放置在离心机内进行离心处理，除去离心管中的上层清液，下层残留液加水配制得到Au纳米颗粒悬浮液；
3)核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：按体积份，将400份CTAB溶液、200份HMT溶液、200份AA溶液混合，在搅拌条件下依次加入1000份步骤2)所得Au纳米颗粒悬浮液、20份TAA溶液以及1～16份Cu(NO3)2溶液，于85℃下反应8小时，反应结束后离心、洗涤、干燥得到核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒。
按上述方案，步骤1)所述CTAB溶液浓度为0.04～0.20mol/L，所述HAuCl4溶液浓度为5mmol/L，所述NaBH4溶液浓度为15mmol/L，所述AA溶液浓度为15mmol/L，所述NaOH溶液浓度为1.0mmol/L，所述六亚甲基四胺溶液浓度为0.1mol/L，所述硫代乙酰胺溶液浓度为0.1mol/L，所述硝酸铜溶液为0.1mol/L。
按上述方案，步骤2)下层残留液与水的体积比为1：400～600。
按上述方案，所述界面钝化层的制备方法为：将核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒分散于氯苯中，得到浓度为0.015～0.03mmol/mL的分散液，将所得分散液旋涂在导电衬底上烘干得到。
按上述方案，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD。
按上述方案，所述金属电极为Cu电极、Au电极或Ag电极。
本发明还提供上述基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池的制备方法，具体步骤如下：
(1)清洗透明导电衬底并烘干；
(2)采用溶液法在透明导电衬底上制备SnO2薄膜或SnO2量子点薄膜，将其放入紫外臭氧清洗仪中，在大气的气氛和室温下紫外臭氧处理15分钟在透明导电衬底表面得到电子传输层；
(3)在惰性气体保护下，在电子传输层表面制备钙钛矿光敏活性层；
(4)将核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒分散于氯苯中，得到浓度为0.015～0.03mmol/mL的分散液，将所得分散液旋涂在钙钛矿光敏活性层上烘干得到相应的P型Au@Cu2-xS界面钝化层；
(5)用旋涂的方法在P型Au@Cu2-xS界面钝化层表面制备空穴传输层；
(6)最后在空穴传输层表面蒸镀金属电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
本发明的平面结构钙钛矿光伏电池各项性能指标参数为：开路电压为1.01～1.11V，电池的短路电流为21.95～23.79mA/cm2，填充因子为42.8～79.0％，能量转换效率为9.95～20.76％。
本申请采用溶液法制备核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒，通过控制表面活性剂的种类和用量及制备工艺条件使得到的Au@Cu2-xS具有理想的团聚特性，分散性良好，可作为钝化层材料对钙钛矿晶界进行钝化，有效平衡电子与空穴迁移率。
本发明的有益效果在于：
1、本发明以溶液法制备分散性良好的核壳结构的Au@Cu2-xS材料，并将其嵌入钙钛矿光伏电池的空穴传输层/光敏层界面，利用Au@Cu2-xS近红外区表现出较强的双重表面等离子体共振吸收特性，拓宽光伏器件吸收光谱范围，显著的提升界面处空穴密度，并加速其迁移，Au颗粒和半导体Cu2-xS材料分别由电子和空穴集体振荡产生LSPR效应，可以有效地促进电荷分离及提取，提高电池能量转换效率。
2、本发明的Au@Cu2-xS材料对钙钛矿光敏层钝化后，成为空穴传输层中Li+及光敏层退化后产生离子的吸附剂，有效抑制其在器件中的扩散(减少漏电)，降低界面势垒，实现空穴/电子传输层与钙钛矿光敏层间能级有效匹配，平衡空穴传输层和电子传输层对各自的载流子抽取率，从而达到提高电池短路电流和填充因子的目的。
3、本发明所提供的钙钛矿光伏电池的制备方法较为简单，成本较低，重复性好，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的Au纳米颗粒与Au@Cu2-xS纳米颗粒的紫外可见吸收光谱图；
图2为实施例1所制备的具有双重表面等离子共振特性的Au@Cu2-xS钝化空穴传输层与光敏层间界面的钙钛矿光伏电池的结构示意图；
其中：1-透明导电衬底，2-电子传输层，3-钙钛矿光敏活性层，4-界面钝化层，5-空穴传输层，6-金属电极；
图3为实施例1-5所制备的具有双重表面等离子共振特性的Au@Cu2-xS钝化空穴传输层与光敏层间界面的钙钛矿光伏电池J-V曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了更好的说明本发明而不是对其进行限制。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。
实施例1
一种平面结构钙钛矿光伏电池，结构示意图如图2所示，其结构从下至上包括透明导电衬底1、电子传输层2、钙钛矿光敏活性层3、界面钝化层4、空穴传输层5和金属电极6，其制备方法包括如下步骤：
(1)透明导电衬底的处理：清洗FTO(掺杂氟的SnO2)导电玻璃片，先将导电玻璃片放入盛有清洁剂的溶液中浸泡30分钟，然后反复擦洗后清水冲干净；接着用抛光粉进行抛光处理；然后分别放入装有去离子水、丙酮和酒精的器皿中分别超声20分钟；最后放进去离子水冲洗两遍后，用氮气枪吹干并放入烘箱中80℃烘干；
(2)SnO2 QD薄膜制备：将SnCl2·2H2O和硫脲溶于去离子水中，成分搅拌得到透明黄色溶液，将其旋涂在FTO导电衬底上，在空气中200℃退火1小时制备SnO2 QD薄膜，并将其放入紫外臭氧清洗仪中，在大气的气氛和室温下紫外臭氧处理15分钟，将处理后的SnO2QD/FTO衬底迅速转入手套箱中；
(3)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.CH3NH3PbI3前体溶液的制备：将0.2067g合成的CH3NH3I与0.6000g PbI2(Aldrich)混合溶解在1mL二甲基甲酰胺和DMSO的混合溶剂(体积比为4:1)中，并在60℃下搅拌12小时，待用；
b.CH3NH3PbI3薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前体溶液以反溶剂的方式，按低速1000转/分(5秒)、高速5000转/分(30秒)的参数在SnO2 QD/FTO衬底上旋涂制备CH3NH3PbI3薄膜，并在高速旋涂结束前20秒时，将180μL的氯苯迅速滴在CH3NH3PbI3薄膜表面，然后在100℃下退火30分钟；
(4)在钙钛矿光敏薄膜上制备界面钝化层：
a.核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：
①分别配制0.05mol/L的CTAB溶液，5mmol/L的HAuCl4溶液，15mmol/L的NaBH4溶液，15mmol/L的AA溶液，1.0mmol/L的NaOH溶液，0.1mol/L的六亚甲基四胺溶液，0.1mol/L的硫代乙酰胺溶液，0.1mol/L的硝酸铜溶液，备用；
②Au颗粒的制备：
Ⅰ、种子溶液制备：将10mL CTAB溶液、1mL HAuCl4溶液、1mL NaBH4溶液与9mL水混合得到种子溶液；
Ⅱ、Au颗粒制备：按体积份，将750份CTAB溶液、150份HAuCl4溶液、100份AA溶液、1份种子溶液及5份NaOH溶液混合，放置1小时后，放置在离心机内进行离心处理，除去离心管中的上层清液，下层残留液(约50μL)加30mL水配制得到Au纳米颗粒悬浮液；
③核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：按体积份，将400份CTAB溶液、200份HMT溶液、200份AA溶液混合，在搅拌条件下依次加入1000份步骤2)所得Au纳米颗粒悬浮液、20份TAA溶液以及8份Cu(NO3)2溶液，于85℃下反应8小时，反应结束后离心、洗涤、干燥得到核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒(Au颗粒大小为20nm、Cu2-xS包裹厚度10nm)；
b.界面钝化悬浮液的制备：将上步所得Au@Cu2-xS纳米颗粒分散在1mL氯苯溶剂中(浓度为0.015mmol/mL)，在超声波清洗机中超声1h，得到分散性良好的界面钝化悬浮液，待用；
c.界面钝化层的制备：惰性气体保护的气箱中，将制备好的界面钝化悬浮液以旋涂的方式，按低速1000转/分(15秒)的参数旋涂在钙钛矿光敏层薄膜表面(膜厚100nm)。
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：将72.3mg的Spiro-OMeTAD溶解在1mL的氯苯溶液中，并在其中加入29μL of TBP和17.5μL的Li-TFSI溶液(浓度为520mg/mL溶剂为乙腈溶液)，用旋涂的方法按3,500转/分的参数在界面钝化层薄膜上制备Spiro-OMeTAD空穴传输层。
(6)电极的制备：在Spiro-OMeTAD表面蒸发约80nm厚的Au电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
图1为本实施例所制备的Au纳米颗粒与Au@Cu2-xS纳米颗粒的紫外可见吸收光谱图，由图可以看出，Au@Cu2-xS纳米颗粒具有双重表面等离子共振特性。
为了评价以核壳结构材料Au@Cu2-xS纳米颗粒薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池的光伏特性，我们利用Keithley 2400测试仪对本实施制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：其开路电压为1.11V，电池的短路电流为23.79mA/cm2，填充因子为78.6％，能量转换效率为20.76％。
实施例2
一种平面结构钙钛矿光伏电池，包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)清洗ITO导电玻璃片：同实施例1；
(2)SnO2薄膜制备：将SnCl2·2H2O溶于乙醇中，用旋涂法将其涂在ITO导电衬底上，在空气中180℃退火1小时制备SnO2薄膜，并将其放入紫外臭氧清洗仪中，在大气的气氛和室温下紫外臭氧处理15分钟，将处理后的SnO2/ITO衬底迅速转入手套箱中；
(3)钙钛矿光敏活性层的制备：同实施例1；
(4)在钙钛矿光敏薄膜上制备界面钝化层：
a.核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：
①分别配制0.04mol/L的CTAB溶液，5mmol/L的HAuCl4溶液，15mmol/L的NaBH4溶液，15mmol/L的AA溶液，1.0mmol/L的NaOH溶液，0.1mol/L的六亚甲基四胺溶液，0.1mol/L的硫代乙酰胺溶液，0.1mol/L的硝酸铜溶液，备用；
②Au颗粒的制备：
Ⅰ、种子溶液制备：将10mL CTAB溶液、1mL HAuCl4溶液、1mL NaBH4溶液与9mL水混合得到种子溶液；
Ⅱ、Au颗粒制备：按体积份，将750份CTAB溶液、150份HAuCl4溶液、100份AA溶液、1份种子溶液及5份NaOH溶液混合，放置1小时后，放置在离心机内进行离心处理，除去离心管中的上层清液，下层残留液(约50μL)加30mL水配制得到Au纳米颗粒悬浮液；
③核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：按体积份，将400份CTAB溶液、200份HMT溶液、200份AA溶液混合，在搅拌条件下依次加入1000份步骤2)所得Au纳米颗粒悬浮液、20份TAA溶液以及16份Cu(NO3)2溶液，于85℃下反应8小时，反应结束后离心、洗涤、干燥得到核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒(Au颗粒大小为5nm、Cu2-xS包裹厚度90nm)；
b.界面钝化悬浮液的制备：将上步所得Au@Cu2-xS纳米颗粒分散在1mL氯苯溶剂中(浓度为0.03mmol/mL)，在超声波清洗机中超声1h，得到分散性良好的界面钝化悬浮液，待用；
c.界面钝化层的制备：惰性气体保护的气箱中，将制备好的界面钝化悬浮液以旋涂的方式，按低速1000转/分(15秒)的参数旋涂在钙钛矿光敏层薄膜表面(膜厚150nm)。
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1。
(6)电极的制备：在Spiro-OMeTAD表面蒸发约80nm厚的Ag电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
为了评价以核壳结构材料Au@Cu2-xS纳米颗粒薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池的光伏特性，我们利用Keithley 2400测试仪对本实施制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：其开路电压为1.06V，电池的短路电流为21.95mA/cm2，填充因子为73.7％，能量转换效率为17.15％。
实施例3
一种平面结构钙钛矿光伏电池，包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)清洗FTO导电玻璃片：同实施例1；
(2)SnO2 QD薄膜制备：同实施例1；
(3)钙钛矿光敏活性层的制备：同实施例1；
(4)在钙钛矿光敏薄膜上制备界面钝化层：
a.核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：
①分别配制0.10mol/L的CTAB溶液，5mmol/L的HAuCl4溶液，15mmol/L的NaBH4溶液，15mmol/L的AA溶液，1.0mmol/L的NaOH溶液，0.1mol/L的六亚甲基四胺溶液，0.1mol/L的硫代乙酰胺溶液，0.1mol/L的硝酸铜溶液，备用；
②Au颗粒的制备：
Ⅰ、种子溶液制备：将10mL CTAB溶液、1mL HAuCl4溶液、1mL NaBH4溶液与9mL水混合得到种子溶液；
Ⅱ、Au颗粒制备：按体积份，将750份CTAB溶液、150份HAuCl4溶液、100份AA溶液、1份种子溶液及5份NaOH溶液混合，放置1小时后，放置在离心机内进行离心处理，除去离心管中的上层清液，下层残留液(约50μL)加30mL水配制得到Au纳米颗粒悬浮液；
③核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：按体积份，将400份CTAB溶液、200份HMT溶液、200份AA溶液混合，在搅拌条件下依次加入1000份步骤2)所得Au纳米颗粒悬浮液、20份TAA溶液以及8份Cu(NO3)2溶液，于85℃下反应8小时，反应结束后离心、洗涤、干燥得到核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒(Au颗粒大小为30nm、Cu2-xS包裹厚度10nm)；
b.界面钝化悬浮液的制备：将上步所得Au@Cu2-xS纳米颗粒分散在1mL氯苯溶剂中(浓度为0.075mmol/mL)，在超声波清洗机中超声1h，得到分散性良好的界面钝化悬浮液，待用；
c.界面钝化层的制备：惰性气体保护的气箱中，将制备好的界面钝化悬浮液以旋涂的方式，按低速1000转/分(15秒)的参数旋涂在钙钛矿光敏层薄膜表面(膜厚50nm)。
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1。
(6)电极的制备：在Spiro-OMeTAD表面蒸发约80nm厚的Cu电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
为了评价以核壳结构材料Au@Cu2-xS纳米颗粒薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池的光伏特性，我们利用Keithley 2400测试仪对本实施制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：其开路电压为1.01V，电池的短路电流为23.01mA/cm2，填充因子为42.8％，能量转换效率为9.95％。
实施例4
一种平面结构钙钛矿光伏电池，包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)镀有ITO的柔性透明塑料衬底的清洗：同实施例1；
(2)SnO2薄膜制备：同实施例2；
(3)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.CH3NH3PbI3前体溶液的制备：将0.2067g合成的CH3NH3I与0.6000g PbI2(Aldrich)混合溶解在1mL二甲基甲酰胺和DMSO的混合溶剂(体积比为4:1)中，并在60℃下搅拌12小时，待用；
b.CH3NH3PbI3薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前体溶液以反溶剂的方式，按低速1000转/分(5秒)、高速5000转/分(30秒)的参数在界面钝化层/SnO2/FTO衬底上旋涂制备CH3NH3PbI3薄膜，并在高速旋涂结束前20秒时，将180μL的氯苯迅速滴在CH3NH3PbI3薄膜表面，然后在100℃下退火30分钟；
(4)在钙钛矿光敏薄膜上制备界面钝化层：同实施例1；
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1；
(6)电极的制备：同实施例1。
为了评价以核壳结构材料Au@Cu2-xS纳米颗粒薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池的光伏特性，我们利用Keithley 2400测试仪对本实施制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.09V，电池的短路电流为22.97mA/cm2，填充因子为77.5％，能量转换效率为19.41％。
实施例5
一种平面结构钙钛矿光伏电池，包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)清洗ITO导电玻璃片：同实施例1；
(2)SnO2 QD薄膜制备：将SnCl2·2H2O和硫脲溶于去离子水中，成分搅拌得到透明黄色溶液，将其旋涂在FTO导电衬底上，在空气中200℃退火1小时制备SnO2 QD薄膜，并将其放入紫外臭氧清洗仪中，在大气的气氛和室温下紫外臭氧处理10分钟，将处理后的SnO2QD/ITO衬底迅速转入手套箱中；
(3)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16前驱体溶液的制备：将0.5325g的PbI2、0.0807g的PbBr2、0.1892g的FAI、0.0246g的PbI2与0.0143g CsI混合溶解在1mL二甲基甲酰胺和DMSO的混合溶剂(体积比为4:1)中，并在40℃下搅拌4小时，待用；
b.(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前驱体溶液以旋涂的方式，按低速1000转/分(5秒)、高速5000转/分(30秒)的参数在SnO2 QD/FTO衬底上旋涂制备(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16薄膜，并在高速旋涂结束前10秒时，将200微升的Au@CdS纳米颗粒氯苯溶液滴在(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16薄膜表面，然后在100℃下退火60分钟，最终(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16薄膜的厚度为550nm；
(4)在钙钛矿光敏薄膜上制备界面钝化层：同实施例1；
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1；
(6)电极的制备：同实施例1。
为了评价以核壳结构材料Au@Cu2-xS纳米颗粒薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池的光伏特性，我们利用Keithley 2400测试仪对本实施制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.10V，电池的短路电流为22.63mA/cm2，填充因子为79.0％，能量转换效率为19.66％。

Claims (9)

1.一种基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，其结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层和金属电极；
所述界面钝化层为核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的涂层，涂层厚度为20～150nm，所述核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒以Au颗粒为核，以Cu2-xS包裹层为壳，所述Au颗粒粒径为5～30nm，所述Cu2-xS包裹层厚度为10～90nm。
2.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃、FTO导电玻璃或镀有ITO的柔性透明塑料。
3.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述电子传输层为SnO2薄膜或SnO2量子点薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述钙钛矿光敏活性层为CH3NH3PbI3材料或三元混合(CsPbI3)0.04(FAPbI3)0.80(MAPbBr3)0.16材料，其中Cs＝cesium，MA＝CH3NH3，FA＝HC(NH2)2。
5.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备方法为：
1)分别配制CTAB溶液，HAuCl4溶液，NaBH4溶液，AA溶液，NaOH溶液，六亚甲基四胺溶液，硫代乙酰胺溶液，硝酸铜溶液，备用；
2)Au颗粒的制备：
(a)种子溶液制备：将CTAB溶液、HAuCl4溶液、NaBH4溶液与水混合得到种子溶液，所得种子溶液中CTAB、HAuCl4、NaBH4摩尔比为80～400：1：3，种子溶液中CTAB浓度为0.01～0.1mol/L；
(b)Au颗粒制备：按体积份，将750份CTAB溶液、150份HAuCl4溶液、100份AA溶液、1份种子溶液及5份NaOH溶液混合，放置1小时后，放置在离心机内进行离心处理，除去离心管中的上层清液，下层残留液加水配制得到Au纳米颗粒悬浮液；
3)核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒的制备：按体积份，将400份CTAB溶液、200份HMT溶液、200份AA溶液混合，在搅拌条件下依次加入1000份步骤2)所得Au纳米颗粒悬浮液、20份TAA溶液以及1～16份Cu(NO3)2溶液，于85℃下反应8小时，反应结束后离心、洗涤、干燥得到核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒。
6.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述界面钝化层的制备方法为：将核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒分散于氯苯中，得到浓度为0.015～0.03mmol/mL的分散液，将所得分散液旋涂在导电衬底上烘干得到。
7.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD。
8.根据权利要求1所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池，其特征在于，所述金属电极为Cu电极、Au电极或Ag电极。
9.一种权利要求1-8任一所述的基于P型Au@Cu2-xS界面钝化层材料的钙钛矿光伏电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)清洗透明导电衬底并烘干；
(2)采用溶液法在透明导电衬底上制备SnO2薄膜或SnO2量子点薄膜，将其放入紫外臭氧清洗仪中，在大气的气氛和室温下紫外臭氧处理15分钟在透明导电衬底表面得到电子传输层；
(3)在惰性气体保护下，在电子传输层表面制备钙钛矿光敏活性层；
(4)将核壳结构的Au@Cu2-xS纳米颗粒分散于氯苯中，得到浓度为0.015～0.03mmol/mL的分散液，将所得分散液旋涂在钙钛矿光敏活性层上烘干得到相应的P型Au@Cu2-xS界面钝化层；
(5)用旋涂的方法在P型Au@Cu2-xS界面钝化层表面制备空穴传输层；
(6)最后在空穴传输层表面蒸镀金属电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106935708A (zh) * 2017-04-26 2017-07-07 江西师范大学 一种基于花生状金‑硫化铜核壳纳米棒的有机太阳能电池宽频带光吸收层薄膜及其制备方法
CN107116214A (zh) * 2017-04-26 2017-09-01 江西师范大学 一种帽盖状金核/硫化铜壳结构的纳米棒复合材料及其制备方法
CN110190194A (zh) * 2019-04-23 2019-08-30 武汉工程大学 以六氟磷酸钾薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池
CN110289353A (zh) * 2019-04-23 2019-09-27 武汉工程大学 以Au@CdS纳米颗粒钝化的钙钛矿光伏电池

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106935708A (zh) * 2017-04-26 2017-07-07 江西师范大学 一种基于花生状金‑硫化铜核壳纳米棒的有机太阳能电池宽频带光吸收层薄膜及其制备方法
CN107116214A (zh) * 2017-04-26 2017-09-01 江西师范大学 一种帽盖状金核/硫化铜壳结构的纳米棒复合材料及其制备方法
CN110190194A (zh) * 2019-04-23 2019-08-30 武汉工程大学 以六氟磷酸钾薄膜为界面钝化层的钙钛矿光伏电池
CN110289353A (zh) * 2019-04-23 2019-09-27 武汉工程大学 以Au@CdS纳米颗粒钝化的钙钛矿光伏电池

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Coupling Resonances of Surface Plasmon in Gold Nanorod/Copper Chalcogenide Core-Shell Nanostructures and Their Enhanced Photothermal Effect;Yingying Li等;《Chemphyschem》;20180604;第1852-1857页 *
Surface Plasmon Resonance Effect in Inverted Perovskite Solar Cells;Jin Cui等;《Advanced Science》;20160121;第1500312-1-1500312-7页 *

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