CN112201757A - 一种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池，包括：银电极、顶层ITO、下转换材料薄膜、空穴传输层、钙钛矿薄膜、SnO2薄膜和底层ITO；所述银电极位于钙钛矿太阳电池顶部，银电极位于顶层ITO上，顶层ITO位于下转换材料薄膜上，下转换材料薄膜位于空穴传输层上。本发明的有益效果是：本发明针对Spiro‑OMeTAD作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池：制备一种用于减少Spiro‑OMeTAD寄生吸收的新型空穴传输层，将Spiro‑OMeTAD吸收的近紫外波段的光转换为可见光，可采用旋涂、刮涂或喷涂等工艺制备，通过在氮气气氛中，低温热处理形成高质量空穴传输薄膜。Spiro‑OMeTAD作为空穴传输层的寄生吸收明显减少，隔绝了空气中水分子对钙钛矿薄膜的影响，显著提升所制备器件的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，尤其涉及一种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池及其制备方法。
背景技术
在能源危机的背景下，各种新能源的研究引起了广泛的关注。对于钙钛矿太阳能电池的研究热度更是只增不减。
目前，钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料主要分为两种：有机材料和无机材料。其中，有机材料主要有Spiro-OMeTAD、P3HT和PTAA，无机材料主要为NiO2、CuSCN、CuI和CuInS2等。相比于其他空穴传输层材料，Spiro-OMeTAD存在诸多优势，如材料较为便宜，毒性小，操作简单，制备电池效率高等优势；但Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的稳定性较差。使用溶液旋涂、Li盐引入等(Spiro不退火)方法处理空穴传输层(Spiro-OMeTAD),使其表面形貌更加平整均匀,载流子的传输能力更强，从而改善了空穴传输层与金属电极的接触,减小了接触电阻,更加有利于空穴的传输和收集；通过适当的减少空穴传输层(Spiro-OMeTAD)的厚度,可以达到空穴从空穴传输层(Spiro-OMeTAD)传输到对电极的阻力最小的效果；在钙钛矿太阳能电池的空穴传输层(Spiro-OMeTAD)中引入还原氧化石墨烯，可以提高电池的效率及稳定性。尽管如此，采用Spiro-OMeTAD作为空穴传输层依旧有值得改进的地方：所制备器件的稳定性差、Spiro-OMeTAD存在寄生吸收、成膜工艺窗口窄的情况，旋涂的过程中更要严格控制手套箱内的气态氛围；旋涂时滴加前驱液的时间窗口较窄；在测试之前Spiro-OMeTAD还要经过长的时间氧化。针对所制备器件稳定性的原因是空气中的水会直接的影响到钙钛矿的分解；由于有机材料往往会存在寄生吸收，Spiro-OMeTAD也不除外；针对成膜工艺窄的问题，往往会降低成膜的良率，进而影响器件的整体性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池。
这种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池，包括：银电极、顶层ITO、下转换材料薄膜、空穴传输层、钙钛矿薄膜、SnO2薄膜和底层ITO；所述银电极位于钙钛矿太阳电池顶部，银电极位于顶层ITO上，顶层ITO位于下转换材料薄膜上，下转换材料薄膜位于空穴传输层上，空穴传输层位于钙钛矿薄膜上，钙钛矿薄膜位于SnO2薄膜上，SnO2薄膜位于底层ITO上。
作为优选，所述空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD。
这种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用旋涂、刮涂或喷涂的方式在底层ITO表面制备SnO2薄膜：
旋涂时取30～70uL SnO2溶液旋涂在底层ITO表面，在1000～5000rpm的转速下旋转30～60s，得到SnO2薄膜；刮涂时取30～70uL SnO2溶液以0.01～0.2m/s的速度匀速刮涂在底层ITO表面，刮涂5～30秒，得到SnO2薄膜；喷涂时取30～70uL SnO2溶液，在底层ITO正上方10～20cm处连续喷3～6次，得到SnO2薄膜；
步骤2、采用旋涂、刮涂或喷涂的方式在SnO2薄膜表面制备钙钛矿薄膜：旋涂时取30～80uL钙钛矿前驱液旋涂于SnO2薄膜表面，在1000～5000rpm的转速下旋转30～60s，得到钙钛矿薄膜；刮涂时取30～80uL钙钛矿前驱液，以0.01～0.5m/s的速度匀速刮涂在SnO2薄膜表面，刮涂5～30秒，得到钙钛矿薄膜；喷涂时取30～80uL钙钛矿前驱液在SnO2薄膜正上方15～30cm处连续喷2～8次，得到钙钛矿薄膜；
步骤3、在钙钛矿薄膜表面制备空穴传输层；
步骤4、在空穴传输层表面制备下转换材料薄膜；
步骤5、在下转换材料薄膜表面增加顶层ITO；
步骤6、在顶层ITO上制备银电极：采用热蒸镀的方式，每次以0.01～0.1A/s的速率将银预蒸3～5nm，待预蒸结束后以0.05～5A/s的速率蒸至100～200nm；得到银电极。
作为优选，所述步骤3具体包括如下步骤：
步骤3.1、制备空穴传输层的前驱液：将50～90mg Spiro-OMeTAD、20～40uL tBP和400～900mg LiTFSI溶于1～5mL氯苯溶液；将制得的混合溶液在30～60℃温度内以500～1500rpm的转速搅拌1～6小时；使用有机系滤芯过滤后，静置2～4小时后得到Spiro-OMeTAD前驱液；
步骤3.2、采用旋涂、刮涂或喷涂的方式在钙钛矿薄膜表面制备空穴传输层：旋涂时取20～70uL的Spiro-OMeTAD前驱液旋涂于钙钛矿薄膜表面，在2000～6000rpm的转速下旋转40～60s，得到空穴传输层；刮涂时取20～70uL的Spiro-OMeTAD前驱液，以0.01～0.1m/s的速度在钙钛矿薄膜表面匀速刮涂5～30秒，得到空穴传输层；喷涂时取20～70uL的Spiro-OMeTAD前驱液，在钙钛矿薄膜正上方10～30cm处连续喷3～6次，喷出剂量10～100um/s，得到空穴传输层。
作为优选，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1、制备下转换材料溶液：取0.5～50mg下转换材料溶于1～5mL溶剂中，得到混合溶液；将所得混合溶液在40～80℃下以500～5000rpm的转速下搅拌1～6小时，使用有机系滤芯过滤后，静置2～4小时，得到下转换材料溶液；
步骤4.2、采用旋涂、刮涂或喷涂方式制备下转换材料薄膜：旋涂时取20～70uL下转换材料溶液旋涂于空穴传输层表面，以1000～5000rpm的转速旋转30～60s，得到下转换材料薄膜；刮涂时取20～70uL转换材料溶液以0.01～0.1m/s的速度匀速刮涂5～30秒，得到下转换材料薄膜；喷涂时取20～70uL下转换材料溶液在空穴传输层正上方10～30cm处连续喷3～6次，得到下转换材料薄膜。
作为优选，所述步骤3.2中有机系滤芯的孔径为0.22um。
作为优选，所述步骤4.1中溶剂包括氯苯、甲苯、乙醚和乙酸乙酯，有机系滤芯的孔径为0.22um。
作为优选，所述步骤4.1中下转换材料为稀土配合物，包括：Eu(NO3)3(Phen)2、Eu(DBM)3Phen、Eu(TFC)3、Eu(SAL)3Phen、Eu(BA)3(TPPO)2、Eu(BA)3(TPPO)2、Tb(DBM)3Phen、Eu(DSACAC)3Phen、Sm(BA)2Phen、Sm(MAA)3Phen、Sm(SAL)3Phen和Sm(CA)3Phen；下转换材料溶液中下转换材料的含量在10～100mg/mL范围内。
本发明的有益效果是：本发明针对Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池：制备一种用于减少Spiro-OMeTAD寄生吸收的新型空穴传输层，将Spiro-OMeTAD吸收的近紫外波段的光转换为可见光，可采用旋涂、刮涂或喷涂等工艺制备，通过在氮气气氛中，低温热处理形成高质量空穴传输薄膜。Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的寄生吸收明显减少，隔绝了空气中水分子对钙钛矿薄膜的影响，显著提升所制备器件的稳定性。
附图说明
图1为钙钛矿太阳电池的结构图；
图2为旋涂与热处理的示意图。
附图标记说明：银电极1、顶层ITO2、下转换材料薄膜3、空穴传输层4、钙钛矿薄膜5、SnO2薄膜6、底层ITO7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明针对以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池：在空穴传输层Spiro-OMeTAD上引入一层下转换材料，开发了一种新型的减少Spiro-OMeTAD在500～900nm波段发生寄生吸收的方法，制备一种用于减少Spiro-OMeTAD寄生吸收且透过率高的新型空穴传输层。可采用旋涂、刮涂或喷涂等工艺制备透过率高的空穴传输层，通过在氮气气氛中，低温热处理生成光学性能优异且良率较高的空穴传输薄膜，将Spiro-OMeTAD吸收的近紫外波段的光转换为可见光，提高钙钛矿层可吸收光范围。
实施例1
(1)Spiro-OMeTAD前驱液配方：
Spiro-OMeTAD：72.5mg；
tBP：30uL；
LiTFSI：17.5uL(500mg LiTFSI溶于1mL氯苯)；
氯苯：1mL。
(2)下转换材料溶液配方：
Eu(NO3)3(Phen)2：40mg；
氯苯：1mL。
(3)按上述配方配制溶液，将所配溶液置于60℃的条件下搅拌3小时后用有机系0.22um滤芯过滤，即可使用。
(4)取55uL下转换材料前驱液在衬底上，在3500rpm条件下旋转30s；用移液枪取50uL SnO2前驱液在5000rpm条件下旋转30s，并且在180℃条件下热处理30min；用移液枪取60uL钙钛矿前驱液在3000rpm条件下旋转30s，并且在150℃条件下退火15min；取40uLSpiro-OMeTAD前驱液在3000rpm条件下旋转30s；最后蒸镀150nm的银电极。下图为旋涂与热处理的示意图。
实施例2
(1)Spiro-OMeTAD前驱液配方：
Spiro-OMeTAD：72.5mg；
tBP：30uL；
LiTFSI：18uL(520mg LiTFSI溶于1mL氯苯)；
氯苯：1mL。
(2)下转换材料溶液配方：
Eu(BA)3(TPPO)2：45mg；
氯苯：1mL。
(3)按上述配方配制溶液，将所配溶液置于60℃的条件下搅拌3小时后用有机系0.22um滤芯过滤，即可使用。
(4)取55uL下转换材料前驱液在衬底上，在3500rpm条件下旋转30s；用移液枪取50uL SnO2前驱液在5000rpm条件下旋转30s，并且在180℃条件下热处理30min；用移液枪取60uL钙钛矿前驱液在3000rpm条件下旋转30s，并且在150℃条件下热退火15min；取40uLSpiro-OMeTAD前驱液在3000rpm条件下旋转30s；最后蒸镀150nm的银电极。
实施例3
(1)Spiro-OMeTAD前驱液配方：
Spiro-OMeTAD：72.5mg；
tBP：30uL；
LiTFSI：17.5uL(520mg LiTFSI溶于1mL氯苯)；
氯苯：1mL。
(2)下转换材料溶液配方：
Eu(BA)3(TPPO)2：50mg；
氯苯：1mL。
(3)按上述配方配制溶液，将所配溶液置于60℃的条件下搅拌3小时后用有机系0.22um滤芯过滤，即可使用。
(4)取55uL下转换材料前驱液在衬底上，在3500rpm条件下旋转30s；用移液枪取50uL SnO2前驱液在5000rpm条件下旋转30s，并且在180℃条件下热处理30min；用移液枪取60uL钙钛矿前驱液在3000rpm条件下旋转30s，并且在150℃条件下热退火15min；取40uLSpiro-OMeTAD前驱液在3000rpm条件下旋转30s；最后蒸镀150nm的银电极。
Claims (8)
1.一种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，包括：银电极(1)、顶层ITO(2)、下转换材料薄膜(3)、空穴传输层(4)、钙钛矿薄膜(5)、SnO2薄膜(6)和底层ITO(7)；所述银电极(1)位于钙钛矿太阳电池顶部，银电极(1)位于顶层ITO(2)上，顶层ITO(2)位于下转换材料薄膜(3)上，下转换材料薄膜(3)位于空穴传输层(4)上，空穴传输层(4)位于钙钛矿薄膜(5)上，钙钛矿薄膜(5)位于SnO2薄膜(6)上，SnO2薄膜(6)位于底层ITO(7)上。
2.根据权利要求1所述基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述空穴传输层(4)的材料为Spiro-OMeTAD。
3.一种基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用旋涂、刮涂或喷涂的方式在底层ITO(7)表面制备SnO2薄膜(6)：
旋涂时取30～70uL SnO2溶液旋涂在底层ITO(7)表面，在1000～5000rpm的转速下旋转30～60s，得到SnO2薄膜(6)；刮涂时取30～70uL SnO2溶液以0.01～0.2m/s的速度匀速刮涂在底层ITO(7)表面，刮涂5～30秒，得到SnO2薄膜(6)；喷涂时取30～70uL SnO2溶液，在底层ITO(7)正上方10～20cm处连续喷3～6次，得到SnO2薄膜(6)；
步骤2、采用旋涂、刮涂或喷涂的方式在SnO2薄膜(6)表面制备钙钛矿薄膜(5)：旋涂时取30～80uL钙钛矿前驱液旋涂于SnO2薄膜(6)表面，在1000～5000rpm的转速下旋转30～60s，得到钙钛矿薄膜(5)；刮涂时取30～80uL钙钛矿前驱液，以0.01～0.5m/s的速度匀速刮涂在SnO2薄膜(6)表面，刮涂5～30秒，得到钙钛矿薄膜(5)；喷涂时取30～80uL钙钛矿前驱液在SnO2薄膜(6)正上方15～30cm处连续喷2～8次，得到钙钛矿薄膜(5)；
步骤3、在钙钛矿薄膜(5)表面制备空穴传输层(4)；
步骤4、在空穴传输层(4)表面制备下转换材料薄膜(3)；
步骤5、在下转换材料薄膜(3)表面增加顶层ITO(2)；
步骤6、在顶层ITO(2)上制备银电极(1)：采用热蒸镀的方式，每次以0.01～0.1A/s的速率将银预蒸3～5nm，待预蒸结束后以0.05～5A/s的速率蒸至100～200nm；得到银电极(1)。
4.根据权利要求3所述基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3具体包括如下步骤：
步骤3.1、制备空穴传输层(4)的前驱液：将50～90mg Spiro-OMeTAD、20～40uL tBP和400～900mg LiTFSI溶于1～5mL氯苯溶液；将制得的混合溶液在30～60℃温度内以500～1500rpm的转速搅拌1～6小时；使用有机系滤芯过滤后，静置2～4小时后得到Spiro-OMeTAD前驱液；
步骤3.2、采用旋涂、刮涂或喷涂的方式在钙钛矿薄膜(5)表面制备空穴传输层(4)：旋涂时取20～70uL的Spiro-OMeTAD前驱液旋涂于钙钛矿薄膜(5)表面，在2000～6000rpm的转速下旋转40～60s，得到空穴传输层(4)；刮涂时取20～70uL的Spiro-OMeTAD前驱液，以0.01～0.1m/s的速度在钙钛矿薄膜(5)表面匀速刮涂5～30秒，得到空穴传输层(4)；喷涂时取20～70uL的Spiro-OMeTAD前驱液，在钙钛矿薄膜(5)正上方10～30cm处连续喷3～6次，喷出剂量10～100um/s，得到空穴传输层(4)。
5.根据权利要求3所述基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1、制备下转换材料溶液：取0.5～50mg下转换材料溶于1～5mL溶剂中，得到混合溶液；将所得混合溶液在40～80℃下以500～5000rpm的转速下搅拌1～6小时，使用有机系滤芯过滤后，静置2～4小时，得到下转换材料溶液；
步骤4.2、采用旋涂、刮涂或喷涂方式制备下转换材料薄膜(3)：旋涂时取20～70uL下转换材料溶液旋涂于空穴传输层(4)表面，以1000～5000rpm的转速旋转30～60s，得到下转换材料薄膜(3)；刮涂时取20～70uL转换材料溶液以0.01～0.1m/s的速度匀速刮涂5～30秒，得到下转换材料薄膜(3)；喷涂时取20～70uL下转换材料溶液在空穴传输层(4)正上方10～30cm处连续喷3～6次，得到下转换材料薄膜(3)。
6.根据权利要求4所述基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3.2中有机系滤芯的孔径为0.22um。
7.根据权利要求5所述基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤4.1中溶剂包括氯苯、甲苯、乙醚和乙酸乙酯，有机系滤芯的孔径为0.22um。
8.根据权利要求5所述基于光下转换材料的半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4.1中下转换材料为稀土配合物，包括：Eu(NO3)3(Phen)2、Eu(DBM)3Phen、Eu(TFC)3、Eu(SAL)3Phen、Eu(BA)3(TPPO)2、Eu(BA)3(TPPO)2、Tb(DBM)3Phen、Eu(DSACAC)3Phen、Sm(BA)2Phen、Sm(MAA)3Phen、Sm(SAL)3Phen和Sm(CA)3Phen；下转换材料溶液中下转换材料的含量在10～100mg/mL范围内。
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