CN111944161B - 一种钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池中的Eu‑MOFs界面修饰层，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。本发明所述界面修饰层位于电子传输层与钙钛矿吸光层之间，能够钝化钙钛矿晶体缺陷以及调控钙钛矿薄膜生长过程，使钙钛矿太阳能电池具有更高质量的活性层，从而能够提高光电转换效率；另外，将六水合硝酸铕和二甲胺盐酸盐的水溶液以及二水合草酸和二甲胺盐酸盐的水溶液先后旋涂即可得到该界面修饰层，制备方法简单，成本低，易于实现工业化生产，具有很好的应用前景。

Description

一种钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层
技术领域
本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。
背景技术
近年来，有机-无机杂化的钙钛矿光伏材料，因其具有较大的消光系数，较长的载流子扩散长度和较高的载流子迁移率等特点受到了人们的广泛关注。自从2009年至今，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8％提升至25.2％。钙钛矿吸光薄膜作为钙钛矿太阳能电池的核心部分，其形貌、结构、尺寸、结晶度等都对器件的光电性能具有决定性影响。因此，获得高质量的钙钛矿吸光薄膜，调控钙钛矿晶体的成核速率并控制其生长，是十分重要的。界面修饰是常见的调控方法之一。
界面修饰常采用碳材料C60、有机小分子甲基咪唑以及金属复合物Au@SiO2等进行界面修饰。然而，这些材料作用目标单一，制备繁复，成本昂贵，不利于PSC(钙钛矿型太阳能电池)的工业化生产。因此，筛选合适的修饰材料改善钙钛矿吸光薄膜质量是十分必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，该界面修饰层位于电子传输层与钙钛矿吸光层之间，能够钝化钙钛矿晶体缺陷以及调控钙钛矿薄膜生长过程，使钙钛矿太阳能电池具有更高质量的活性层，从而减少载流子的复合以及提高光电转换效率；另外，该界面修饰层的制备方法简单，成本低，具有较好的经济效益。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，所述界面修饰层位于电子传输层与钙钛矿吸光层之间，且采用如下方法制备得到：
(1)将六水合硝酸铕、二甲胺盐酸盐和水配制成溶液A；将二水合草酸、二甲胺盐酸盐和水配制成溶液B；
溶液A中，六水合硝酸铕的浓度为0.2mg/mL～2.3mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～1.5mg/mL；溶液B中，二水合草酸的浓度为0.1mg/mL～1.5mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～1.5mg/mL；
(2)按照先后顺序将溶液A、溶液B依次旋涂在电子传输层上，旋涂完成后先用甲醇或乙醇冲洗，再在70℃以下干燥除去溶剂，在电子传输层上形成Eu-MOFs界面修饰层。
进一步地，以2000r/min～4000r/min的旋涂转速将溶液A和溶液B旋涂在电子传输层上。
进一步地，在60℃～70℃下干燥3min～5min。
进一步地，溶液A中，六水合硝酸铕的浓度为0.2mg/mL～0.28mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～0.15mg/mL；溶液B中，二水合草酸的浓度为0.1mg/mL～0.15mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～0.15mg/mL。
有益效果：
本申请选用Eu-MOFs作为界面修饰材料，这是因为Eu-MOFs对可见光响应敏感，其有机配体中含有能够钝化缺陷的官能团(例如氨基、羰基等)或具备氧化还原作用的金属离子；而且框架结构的MOFs材料(金属有机框架材料)具有合适的弹性模量和热膨胀系数，能够减小残余应力。所以本申请所述的Eu-MOFs界面修饰层能够钝化钙钛矿晶体缺陷以及调控钙钛矿薄膜生长过程，使钙钛矿太阳能电池具有更高质量的活性层，从而有利于提高光电转换效率。另外，本发明所述的Eu-MOFs界面修饰层的制备方法简单，成本低，易于实现工业化生产，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例3中制备的Eu-MOFs界面修饰层的X射线衍射(XRD)图。
图2为实施例3中含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池与不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的电流密度对比图。
图3为实施例3中含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池与不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的开路电压对比图。
图4为实施例3中含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池与不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的填充因子对比图。
图5为实施例3中含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池与不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
以下实施例中不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，包含SnO2电子传输层、钙钛矿吸光层、Spiro-OMeTAD空穴传输层以及银电极，具体制备步骤如下：
(1)将质量分数为2.67％的SnO2水溶液在3000rpm条件下旋涂在洁净的ITO导电玻璃基底上，旋涂30s，再将旋涂SnO2后的ITO导电玻璃置于150℃下退火30min，在ITO导电玻璃上形成SnO2电子传输层；(2)将1.3M碘化铅溶液(溶剂为DMF和DMSO的混合溶液，体积比为9:1)在3000rpm下旋涂30s到SnO2电子传输层上，接着在70℃下氮气气氛中退火处理1min，再将混合有机阳离子溶液(MAI 0.12M；MABr 0.05M；MACl 0.07M；FAI 0.23M，溶解在异丙醇中)在2300rpm下旋涂覆盖30s，之后在150℃下干燥空气中退火处理15min，最终在SnO2电子传输层上形成钙钛矿光吸收层；(3)将Spiro-OMeTAD旋涂液(由60mg Spiro-OMeTAD粉末、1mL氯苯、24μL浓度为255mg/mL的二(三氟甲基磺酰)锂的乙腈溶液和25.8mg 4-叔丁基吡啶组成)在3000rpm条件下旋涂液旋涂到钙钛矿光吸收层上，旋涂30s，在钙钛矿光吸收层上形成Spiro-OMeTAD空穴传输层；(4)在真空条件下，在Spiro-OMeTAD空穴传输层上蒸镀厚度为100nm的银作为电极，得到钙钛矿太阳能电池。在25℃室温，30％湿度，一个太阳光照射下，对实施例中所涉及的钙钛矿太阳能电池进行测试。
实施例1
(1)将2.23mg六水合硝酸铕和1.02mg二甲胺盐酸盐溶于1mL水中，配制成溶液A；将1.26mg二水合草酸和1.02mg二甲胺盐酸盐溶于1mL水中，配制成溶液B；
(2)设置旋涂转速为2000rpm，先将溶液A旋涂在SnO2电子传输层上，溶液A旋涂完成后立即旋涂溶液B，溶液B旋涂完成后用甲醇冲洗，然后将ITO导电玻璃基底置于70℃的加热板上加热5min以除去水和甲醇，在SnO2电子传输层上形成Eu-MOFs界面修饰层。
本实施例所制备的Eu-MOFs界面修饰层的XRD图谱与Eu-MOFs的拟合曲线相一致，说明在SnO2电子传输层上成功合成了Eu-MOFs。
参照不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备步骤，在Eu-MOFs界面修饰层上依次制备钙钛矿光吸收层、Spiro-OMeTAD空穴传输层以及银电极，得到含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。经过性能测试可知，在一个太阳光的强度下，含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的平均电流密度为21.7mA/cm2、平均开路电压为1.085V、平均填充因子为0.68以及平均光电转换效率为17.9％。
实施例2
(1)将2.23mg六水合硝酸铕和1.02mg二甲胺盐酸盐溶于5mL水中，配制成溶液A；将1.26mg二水合草酸和1.02mg二甲胺盐酸盐溶于5mL水中，配制成溶液B；
(2)设置旋涂转速为4000rpm，先将溶液A旋涂在SnO2电子传输层上，溶液A旋涂完成后立即旋涂溶液B，溶液B旋涂完成后用甲醇冲洗，然后将ITO导电玻璃基底置于70℃的加热板上加热5min以除去水和甲醇，在SnO2电子传输层上形成Eu-MOFs界面修饰层。
本实施例所制备的Eu-MOFs界面修饰层的XRD图谱与Eu-MOFs的拟合曲线相一致，说明在SnO2电子传输层上成功合成了Eu-MOFs。
参照不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备步骤，在Eu-MOFs界面修饰层上依次制备钙钛矿光吸收层、Spiro-OMeTAD空穴传输层以及银电极，得到含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。经过性能测试可知，在一个太阳光的强度下，含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的平均电流密度为21.7mA/cm2、平均开路电压为1.086V、平均填充因子为0.68以及平均光电转换效率为18.1％。
实施例3
(1)将2.23mg六水合硝酸铕和1.02mg二甲胺盐酸盐溶于10mL水中，配制成溶液A；将1.26mg二水合草酸和1.02mg二甲胺盐酸盐溶于10mL水中，配制成溶液B；
(2)设置旋涂转速为3000rpm，先将溶液A旋涂在SnO2电子传输层上，溶液A旋涂完成后立即旋涂溶液B，溶液B旋涂完成后用甲醇冲洗，然后将ITO导电玻璃基底置于70℃的加热板上加热5min以除去水和甲醇，在SnO2电子传输层上形成Eu-MOFs界面修饰层。
根据图1可知，本实施例所制备的Eu-MOFs界面修饰层的XRD图谱与Eu-MOFs的拟合曲线相一致，说明在SnO2电子传输层上成功合成了Eu-MOFs。
参照不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备步骤，在Eu-MOFs界面修饰层上依次制备钙钛矿光吸收层、Spiro-OMeTAD空穴传输层以及银电极，得到含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。根据图2～图5的测试结果可知，在一个太阳光的强度下，含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的平均电流密度为21.9mA/cm2、平均开路电压为1.095V、平均填充因子为0.69以及平均光电转换效率为18.5％；不含有Eu-MOFs界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的平均电流密度为21.6mA/cm2、平均开路电压为1.084V、平均填充因子为0.66以及平均光电转换效率为17.7％。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，其特征在于：所述界面修饰层位于电子传输层与钙钛矿吸光层之间，且采用如下方法制备得到，
(1)将六水合硝酸铕、二甲胺盐酸盐和水配制成溶液A；将二水合草酸、二甲胺盐酸盐和水配制成溶液B；
溶液A中，六水合硝酸铕的浓度为0.2mg/mL～2.3mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～1.5mg/mL；溶液B中，二水合草酸的浓度为0.1mg/mL～1.5mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～1.5mg/mL；
(2)按照先后顺序将溶液A、溶液B依次旋涂在电子传输层上，旋涂完成后先用甲醇或乙醇冲洗，再在70℃以下干燥，在电子传输层上形成Eu-MOFs界面修饰层。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，其特征在于：溶液A中，六水合硝酸铕的浓度为0.2mg/mL～0.28mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～0.15mg/mL；溶液B中，二水合草酸的浓度为0.1mg/mL～0.15mg/mL，二甲胺盐酸盐的浓度为0.1mg/mL～0.15mg/mL。
3.根据权利要求1或2所述的钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，其特征在于：以2000r/min～4000r/min的旋涂转速将溶液A和溶液B旋涂在电子传输层上。
4.根据权利要求1或2所述的钙钛矿太阳能电池中的Eu-MOFs界面修饰层，其特征在于：步骤(2)中，在60℃～70℃下干燥3min～5min。
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