CN112126425A - 钙钛矿薄膜及其制作方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿薄膜及其制作方法和应用。所述钙钛矿薄膜主要包括钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷,所述钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷的摩尔比为1200‑1500:1‑10:1‑20。本发明实施例提供的钙钛矿薄膜能有效提高钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性,减缓并抑制其磁滞效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种钙钛矿薄膜,特别涉及一种钙钛矿薄膜及其制作方法和应用,属于光伏器件技术领域。
背景技术
近些年来,随着研究的不断深入,钙钛矿太阳能电池取得突飞猛进的发展,其效率由最初的3.8%增长到24%以上,被誉为“光伏领域的新希望”。
钙钛矿材料具有由有机卤化物和金属卤化物盐形成的ABX3晶体结构,A一般为甲胺基(CH3NH3),B为二价金属离子(如Pb2+或Sn2+),X为氯、溴、碘等卤素阴离子。最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),它的带隙约为1.5eV,消光系数高,几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。同时,钙钛矿太阳能电池包括很多种结构:介观结构、介观超结构、平面n-i-p型及平面p-i-n型结构。尽管电池的结构多样化,制备方法也很多,但如何制备高质量的钙钛矿薄膜,提高结晶性,减少内部缺陷孔洞,提升器件效率一直是研究人员努力的方向。传统的无掺杂或钝化的钙钛矿层内部晶粒较小,缺陷较多,制备出的器件效率较低。有研究人员尝试通过在钙钛矿薄膜内掺杂一种添加剂的方式以提升器件效率,但其作用非常有限。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钙钛矿薄膜及其制作方法和应用,以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
本发明实施例一方面提供了一种用于制作钙钛矿薄膜的组合物,其包括钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷,所述钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷的摩尔比为1200-1500:1-10:1-20。
进一步的,所述三价金属的卤素化合物包括SbCl3、SbBr3、InCl3、InBr3中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步的,所述带有末端官能团的硅烷包括R(CH2)nSi(OCH3)3,R包括甲基、氰基或巯基,n为1-10。
进一步的,所述钙钛矿材料为MAPbI3,MA包括CH3NH3 +。
进一步的,所述带有末端官能团的硅烷包括下列化合物中的任意一种或两种以上的组合:
,但不限于此。
本发明实施例另一方面还提供了一种钙钛矿薄膜的制作方法,其包括:
提供包含所述组合物的前驱体溶液;
将所述前驱体溶液均匀涂布在基底上,之后进行干燥、退火处理,所述退火处理的温度为120-150℃、时间为10-30min,从而形成钙钛矿薄膜。
进一步的,所述前驱体溶液包含1.2-1.5mol/L钙钛矿材料、1-10mmol/L三价金属的卤素化合物以及1-20mmol/L带有末端官能团的硅烷。
本发明实施例另一方面还提供了由所述制作方法制作形成的钙钛矿薄膜。
本发明实施例另一方面还提供了所述的钙钛矿薄膜于制备钙钛矿器件中的用途。
本发明实施例另一方面还提供了一种太阳能电池,包括光活性层,所述光活性层包括所述的钙钛矿薄膜。
本发明实施例还提供了一种设备,所述设备包括所述的太阳能电池。
与现有技术相比,本发明实施例通过在钙钛矿薄膜内同时添加三价金属的卤素化合物和带有不同末端官能团的硅烷等掺杂剂,可以显著改善钙钛矿薄膜的品质,进而有效提升钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性,以及明显减缓并抑制此类器件的磁滞效应。
附图说明
图1是本发明实施例1和对比例1-3中的钙钛矿器件的性能表征图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
为了克服现有技术中的问题,本发明实施例提供了一种双掺杂的钙钛矿薄膜的制作方法,在形成钙钛矿薄膜的钙钛矿溶液中掺杂三价金属的卤素化合物(例如SbCl3、SbBr3、InCl3、InBr3等)和带有不同末端官能团且具有交联作用的硅烷;通过容忍因子计算,三价金属的卤素化合物中的非容忍的异价金属离子(即三价金属离子)能使掺杂离子梯度分布,大部分掺杂离子分布在钙钛矿的上下界面,且能够有效钝化界面的缺陷,提升钙钛矿薄膜以及钙钛矿器件效率,并减缓钙钛矿薄膜以及钙钛矿器件的磁滞效应;除此之外,带有不同末端官能团且具有交联作用的硅烷能够与钙钛矿中的碘化铅进行络合,从而延缓晶体生长,增大晶粒、提高结晶质量。
本发明实施例中的两种掺杂剂中的一种作用于钙钛矿上下界面,钝化界面缺陷,另一种作用于钙钛矿晶体内部,提高结晶质量,两者之间具有很好的协同作用,能够很明显地提高钛矿薄膜以及钙钛矿器件效率,并且提高钙钛矿器件的稳定性。
本发明实施例一方面提供了一种用于制作钙钛矿薄膜的组合物,其包括钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷,所述钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷的摩尔比为1200-1500:1-10:1-20。
进一步的,所述三价金属的卤素化合物包括SbCl3、SbBr3、InCl3、InBr3中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步的,所述带有末端官能团的硅烷包括R(CH2)nSi(OCH3)3,R包括甲基、氰基或巯基,n为1-10。
进一步的,所述钙钛矿材料为MAPbI3,MA包括CH3NH3 +。
进一步的,所述带有末端官能团的硅烷包括下列化合物中的任意一种或两种以上的组合:
,但不限于此。
进一步的,所述的组合物还包含溶剂。
进一步的,所述溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚矾、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
本发明实施例另一方面还提供了一种钙钛矿薄膜的制作方法,其包括:
提供包含所述组合物的前驱体溶液;
将所述前驱体溶液均匀涂布在基底上,之后进行干燥、退火处理,所述退火处理的温度为120-150℃、时间为10-30min,从而形成钙钛矿薄膜;其中退火处理的环境可以是在空气氛围也可在氮气或者其他干燥气体环境,本发明不作具体的限制。
进一步的,所述前驱体溶液包含1.2-1.5mol/L钙钛矿材料、1-10mmol/L三价金属的卤素化合物以及1-20mmol/L带有末端官能团的硅烷。
本发明实施例另一方面还提供了由所述制作方法制作形成的钙钛矿薄膜。
进一步的,在本发明实施例的钙钛矿薄膜中,三价金属的卤素化合物的掺杂量非常微量,并不会参与钙钛矿材料的生成反应,能够保持原有的离子状态,三价金属的卤素化合物大部分分布在钙钛矿界面,并且其主要作用是界面钝化。
进一步的,在本发明实施例的钙钛矿薄膜中,所述硅烷的掺杂量亦非常轻微,其作用在于:在钙钛矿前驱体溶液中通过共价键形式将钙钛矿晶格交联起来,从而延缓钙钛矿晶体生长,提高其结晶性。
本发明实施例另一方面还提供了所述的钙钛矿薄膜于制备钙钛矿器件中的用途。
本发明实施例另一方面还提供了一种太阳能电池,包括光活性层,所述光活性层包括所述的钙钛矿薄膜。
进一步的,所述的太阳能电池包括沿设定方向依次分布的第一电极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和第二电极,并且所述太阳能电池具有正向结构或反向结构。
进一步的,所述第一电极和第二电极中的任一者包括FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、FTO导电塑料、ITO导电塑料中的任意一种,另一者包括金属电极。
进一步的,所述电子传输层的材质包括TiO2、ZnO2、SnO2中的任意一种,但不限于此。
进一步的,所述空穴传输层的材质包括2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA或PCDTBT中的任意一种,但不限于此。
例如,在一些较为具体的实施方案中,所述钙钛矿器件为正向结构,所述钙钛矿器件包括依次叠层设置的导电基底、电子传输层、光活性层、空穴传输层和金属电极,其中,所述导电基底包括FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、FTO导电塑料、ITO导电塑料中的任意一种,但不限于此;所述FTO导电玻璃或FTO导电塑料的厚度为500nm,所述ITO导电玻璃或ITO导电塑料的厚度为300-400nm;所述电子传输层的材质包括TiO2、ZnO2、SnO2中的任意一种,但不限于此;所述电子传输层的厚度为10-50nm;所述光活性层的厚度为300-1000nm;所述空穴传输层的材质包括2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA或PCDTBT中的任意一种,但不限于此;所述空穴传输层的厚度为300-600nm;所述金属电极的材质包括Ag、Al或Au中的任意一种,但不限于此;所述金属电极的厚度为100-200nm。
例如,在一些较为具体的实施方案中,所述钙钛矿器件为反向结构,所述钙钛矿器件包括依次叠层设置的导电基底、空穴传输层、光活性层、电子传输层和金属电极;其中,所述导电基底包括FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、FTO导电塑料、ITO导电塑料中的任意一种,但不限于此;所述FTO导电玻璃或FTO导电塑料的厚度为500nm,所述ITO导电玻璃或ITO导电塑料的厚度为300-400nm;所述空穴传输层的材质包括NiOx,但不限于此;所述空穴传输层的厚度为15-40nm;所述光活性层的厚度为300-1000nm;所述电子传输层的包括PCBM、TiOx、SnO2和ZnSnOx中的任意一种,但不限于此;所述电子传输层厚度为20-50nm;所述金属电极的材质包括Ag、Al或Au中的任意一种,但不限于此;所述金属电极的厚度为100~200nm。
本发明实施例还提供了一种设备,其包括所述的太阳能电池。
如下将结合具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。若非特别说明,如下实施例中采用的各类原料物质、反应设备、检测设备等均可以通过市场购买等方式获取,而如下实施例所采用的物理气相沉积法、蒸镀或溅射工艺、旋涂、真空溅射或电子束蒸镀工艺、喷涂或刮涂、真空蒸镀等均可以按照本领域已知的方式实施,在此不再赘述。
实施例1
一种具有正向结构的钙钛矿太阳能电池,其包括沿设定方向依次设置的导电基底、电子传输层、钙钛矿层(即前述光活性层,下同)、空穴传输层和金属电极。其中,导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、FTO导电塑料、ITO导电塑料中的一种,其中FTO厚度约为500nm,ITO厚度约为300-400nm。电子传输层为TiO2、ZnO2、SnO2中的任意一种,其厚度约为10~50nm;钙钛矿层主要由MAPbI3(MA的结构式为CH3NH3 +)组成,厚度为300~1000nm;空穴传输层主要由Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA或PCDTBT中的任意一种组成,厚度为300-600nm;金属电极为Ag、Al或Au中的任意一种,厚度约为100~200nm。
该钙钛矿太阳能电池的制作方法包括制作导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极等组件的步骤。其中,导电基底可以采用物理气相沉积法、蒸镀或溅射等方式制备,电子传输层可以采用旋涂、真空溅射或电子束蒸镀等方式制备,空穴传输层可以采用旋涂、喷涂或刮涂等方式制备,金属电极可以采用真空蒸镀或真空溅射等方法制备。
进一步,其中制作钙钛矿层的步骤具体包括:
1)以CH3NH3PbI3为溶质、以N,N-二甲基甲酰胺与二甲基亚矾的混合液作为溶剂,按照溶质:溶剂=9:1的体积比配置浓度为1.2mol/L的钙钛矿溶液,在所述钙钛矿溶液同时加入氯化铟和以3-疏基丙基三甲基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,所述钙钛矿前驱体溶液中氯化铟和3-疏基丙基三甲基硅烷的浓度分别为5mmol/L、10mmol/L;
2)将所述钙钛矿前驱体溶液通过旋涂或者刮涂方式均匀涂布在衬底上,再通过抽气或者吹气法进行干燥处理形成钙钛矿薄膜,最后将钙钛矿薄膜置于加热板上,并于120℃-150℃退火处理10-30min,从而形成厚度为400-600nm的双掺杂钙钛矿薄膜。
本实施例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
实施例2
本实施例提供了一种具有反向结构的钙钛矿太阳能电池,其包括沿设定方向依次设置的金属电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和导电基底,其中,导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极的材质和厚度与实施例1基本相同。
该钙钛矿太阳能电池的制作方法包括如下步骤:
1)以CH3NH3PbI3为溶质、以N,N-二甲基甲酰胺与二甲基亚矾的混合液作为溶剂,按照溶质:溶剂=9:1的体积比配置浓度为1.3mol/L的钙钛矿溶液,在所述钙钛矿溶液同时加入氯化铟和以3-疏基丙基三甲基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,所述钙钛矿前驱体溶液中氯化铟和3-疏基丙基三甲基硅烷的浓度分别为1mmol/L、1mmol/L;
2)将所述钙钛矿前驱体溶液通过旋涂或者刮涂方式均匀涂布在衬底上,再通过抽气或者吹气法进行干燥处理形成钙钛矿薄膜,最后将钙钛矿薄膜置于加热板上,并于120℃-150℃退火处理10-30min,从而形成厚度为400-600nm的双掺杂钙钛矿薄膜。
本实施例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
实施例3
本实施例提供了一种具有反向结构的钙钛矿太阳能电池,其包括沿设定方向依次设置的金属电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和导电基底,其中,导电基底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极的材质和厚度与实施例1基本相同。
该钙钛矿太阳能电池的制作方法包括如下步骤:
1)以CH3NH3PbI3为溶质、以N,N-二甲基甲酰胺与二甲基亚矾的混合液作为溶剂,按照溶质:溶剂=9:1的体积比配置浓度为1.5mol/L的钙钛矿溶液,在所述钙钛矿溶液同时加入氯化铟和以3-疏基丙基三甲基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,所述钙钛矿前驱体溶液中氯化铟和3-疏基丙基三甲基硅烷的浓度分别为10mmol/L、20mmol/L;
2)将所述钙钛矿前驱体溶液通过旋涂或者刮涂方式均匀涂布在衬底上,再通过抽气或者吹气法进行干燥处理形成钙钛矿薄膜,最后将钙钛矿薄膜置于加热板上,并于120℃-150℃退火处理10-30min,从而形成厚度为400-600nm的双掺杂钙钛矿薄膜。
本实施例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
实施例4
该实施例中的钙钛矿太阳能电池的结构与制作方法与实施例1中钙钛矿太阳能电池的制作方法基本一致,不同之处在于:在所述钙钛矿溶液同时加入SbCl3和以(3-氰基丙基)三甲氧基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,所述钙钛矿前驱体溶液中SbCl3和(3-氰基丙基)三甲氧基硅烷的浓度分别为1mmol/L、1mmol/L,本实施例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
实施例5
该实施例中的钙钛矿太阳能电池的结构与制作方法与实施例2中钙钛矿太阳能电池的制作方法基本一致,不同之处在于:在所述钙钛矿溶液同时加入SbBr3和以3-疏基丙基三甲基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,所述钙钛矿前驱体溶液中SbBr3和3-疏基丙基三甲基硅烷的浓度分别为5mmol/L、10mmol/L,本实施例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
实施例6
该实施例中的钙钛矿太阳能电池的结构与制作方法与实施例3中钙钛矿太阳能电池的制作方法基本一致,不同之处在于:在所述钙钛矿溶液同时加入InBr3和以丁基三甲氧基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,所述钙钛矿前驱体溶液中InBr3和丁基三甲氧基硅的浓度分别为10mmol/L、20mmol/L,本实施例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
对比例1
该对比例中的钙钛矿太阳能电池的制作方法与实施例1中钙钛矿太阳能电池样品的制作方法基本一致,不同之处在于:仅在所述钙钛矿溶液中加入3-疏基丙基三甲基硅烷形成钙钛矿前驱体溶液,钙钛矿前驱体溶液中3-疏基丙基三甲基硅烷的浓度与实施例1中相同,本对比例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
对比例2
该对比例中的钙钛矿太阳能电池的制作方法与实施例1中钙钛矿太阳能电池样品的制作方法基本一致,不同之处在于:仅在所述钙钛矿溶液中加入氯化铟形成钙钛矿前驱体溶液,本对比例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
对比例3
该对比例中的钙钛矿太阳能电池的制作方法与实施例1中钙钛矿太阳能电池样品的制作方法基本一致,不同之处在于:直接以所述钙钛矿溶液作为钙钛矿前驱体溶液,本对比例制作的一种钙钛矿太阳能电池样品的性能测试数据如表1所示。
对实施例1-6以及对比例1-3中获得的钙钛矿器件进行性能测试,测试结果如表1和图1所示;
表1为实施例1以及对比例1-3中获得的钙钛矿器件的性能测试数据
本发明的以上实施例中,通过在制作钙钛矿薄膜时同时掺杂微量的三价金属的卤素化合物和不同末端官能团具有交联作用的硅烷,可以显著改善钙钛矿薄膜的品质,进而使钙钛矿太阳能电池的性能得到明显提升;需要说明的是,本发明实施例中仅给出了MAPbI3作为钙钛矿材料的实例,当然,所述的钙钛矿材料还可以是甲胺体系钙钛矿材料,比如甲胺甲脒、二元三元钙钛矿等,在此不再一一赘述。
具体而言,一方面,通过掺杂三价金属的卤素化合物,其中非容忍的异价金属离子能形成掺杂离子梯度分布,并大部分掺杂离子分布在钙钛矿的上下界面,能有效钝化界面的缺陷,提升器件效率,并减缓器件的磁滞效应;另一方面,通过掺杂带有不同末端官能团具有交联作用的硅烷,其可以与钙钛矿中的碘化铅进行络合,从而延缓晶体生长,增大晶粒,提高结晶质量。
特别是该两种掺杂剂中的一者作用于钙钛矿上下界面,钝化界面缺陷,另一者作用于晶体内部,提高结晶质量,两者具有很好的协同作用,能很明显地提高器件效率,并且提高钙钛矿器件的稳定性。
应当理解,上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于制作钙钛矿薄膜的组合物,其特征在于包括钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷,所述钙钛矿材料、三价金属的卤素化合物以及带有末端官能团的硅烷的摩尔比为1200-1500:1-10:1-20。
2.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述三价金属的卤素化合物包括SbCl3、SbBr3、InCl3、InBr3中的任意一种或两种以上的组合;和/或,所述带有末端官能团的硅烷包括R(CH2)nSi(OCH3)3,R包括甲基、氰基或巯基,n为1-10;和/或,所述钙钛矿材料为MAPbI3,MA包括CH3NH3 +。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物,其特征在于还包含溶剂;优选的,所述溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚矾、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯中的任意一种或两种以上的组合。
5.一种钙钛矿薄膜的制作方法,其特征在于包括:
提供包含权利要求1-4中任一项所述组合物的前驱体溶液;
将所述前驱体溶液均匀涂布在基底上,之后进行干燥、退火处理,所述退火处理的温度为120-150℃、时间为10-30min,从而形成钙钛矿薄膜;
优选的,所述前驱体溶液包含1.2-1.5mol/L钙钛矿材料、1-10mmol/L三价金属的卤素化合物以及1-20mmol/L带有末端官能团的硅烷。
6.由权利要求5所述方法制作形成的钙钛矿薄膜。
7.如权利要求6所述的钙钛矿薄膜于制备钙钛矿器件中的用途。
8.一种太阳能电池,包括光活性层,其特征在于:所述光活性层包括权利要求7所述的钙钛矿薄膜。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池,其特征在于包括沿设定方向依次分布的第一电极、电子传输层、光活性层、空穴传输层和第二电极,并且所述太阳能电池具有正向结构或反向结构;
优选的,所述第一电极和第二电极中的任一者包括FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、FTO导电塑料、ITO导电塑料中的任意一种,另一者包括金属电极;和/或,所述电子传输层的材质包括TiO2、ZnO2、SnO2中的任意一种;和/或,所述空穴传输层的材质包括2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA或PCDTBT中的任意一种。
10.一种设备,其特征在于包括权利要求8-9中任一项所述的太阳能电池。
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