CN112614947B - 一种含锡钙钛矿前驱液、光活性层、电池及制备方法 - Google Patents

一种含锡钙钛矿前驱液、光活性层、电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含锡钙钛矿前驱液、光活性层、电池及制备方法，本发明在含锡钙钛矿前驱液中加入一定比例的乙酰丙酮亚锡，通过螯合配位作用，避免了Sn2+被氧化成高价Sn4+，从而提高了含锡钙钛矿太阳能电池的光伏性能。

Description

一种含锡钙钛矿前驱液、光活性层、电池及制备方法
技术领域
本发明属于光电材料领域，具体涉及一种含锡钙钛矿前驱液、光活性层、电池及制备方法。
背景技术
有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料由于其优异的特性，例如，吸光系数大、载流子扩散长度长、带隙可调节、易于制备等，在光伏领域大放异彩。然而，铅的毒性成为其进一步商业化的障碍。含锡钙钛矿可以降低铅的含量，而且理论上，相比于纯铅钙钛矿，含锡钙钛矿可以获得更合适的带隙，也可以作为叠层电池的子电池的吸光层。但是Sn2+容易被氧化成为Sn4+的特点使含锡钙钛矿形成自掺杂，增加缺陷态密度，降低光伏器件性能，含锡钙钛矿的这种性质阻碍了其更加广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含锡钙钛矿前驱液、光活性层、电池及制备方法，以克服现有技术的问题，本发明在含锡钙钛矿前驱液中加入一定比例的乙酰丙酮亚锡，通过螯合配位作用，抑制了Sn2+被氧化成高价Sn4+，从而提高了含锡钙钛矿太阳能电池的光伏性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含锡钙钛矿前驱液，其制备原料包括溶质和溶剂，所述溶剂为DMF和DMSO的混合溶剂，所述溶质包括FAI、MAI、PbI2、SnI2、锡粉和乙酰丙酮亚锡，其中，DMF和DMSO的体积比为6:4，且每1mL混合溶剂中加入216.72mg FAI、85.86mg MAI、414.90mg PbI2、335.25mgSnI2、5mg锡粉和0.28mg-1.43mg乙酰丙酮亚锡。
一种含锡钙钛矿前驱液的制备方法，将FAI、MAI、PbI2、SnI2、锡粉和乙酰丙酮亚锡溶解于混合溶剂中，搅拌至完全溶解，即得到含锡钙钛矿前驱液。
一种光活性层的制备方法，将含锡钙钛矿前驱液滤去锡粉，采用一步法旋涂滤去锡粉的前驱液，旋涂完毕后，热板退火，即得到光活性层。
进一步地，旋涂时转速为4000r.p.m，旋涂时间为35s，旋涂程序结束前15s滴加抗溶剂乙酸乙酯。
进一步地，热板退火温度为100℃，时间为30min。
一种钙钛矿太阳能电池，包括从下至上依次设置的透明电极基底、第一电荷传输层、光活性层、第二电荷传输层和金属背电极。
一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取ITO玻璃基底，将ITO玻璃基底表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理，氮气流吹干，然后使用紫外光清洁，即得到透明电极基底；
步骤2：在透明电极基底上旋涂PEDOT:PSS前驱液，然后热板退火，得到第一电荷传输层；
步骤3：在第一电荷传输层上制备光活性层；
步骤4：采用蒸镀方式在光活性层上制备C60/BCP作为第二电荷传输层；
步骤5：采用蒸镀方式在第二电荷传输层上制备Ag层作为金属背电极。
进一步地，步骤2中热板退火温度为120℃，时间为30min。
进一步地，步骤2中第一电荷传输层厚度为35nm，步骤3中光活性层的厚度在800-1000nm。
进一步地，步骤4中C60厚度为45nm，BCP厚度为8nm，步骤5中金属背电极厚度为100nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在含锡钙钛矿前驱液中添加一定比例的乙酰丙酮亚锡作为添加剂，通过乙酰丙酮基团的双齿熬合配位作用，可以有效地抑制前驱液中低价Sn2+被氧化为高价Sn4+，因此提高了前驱液的稳定性。
含有该添加剂的前驱液制备的光活性层的优势在于：可以抑制Sn2+氧化为Sn4+，减少了光活性层的自掺杂程度，减少了光活性层的的缺陷密度。
由于降低了光活性层的自掺杂程度，从而减少了光活性层的缺陷密度，这样基于此光活性层制备的电池，一方面器件的光电性能得以提升，另一方面器件的稳定性也得以提升。
附图说明
图1为钙钛矿太阳能电池结构示意图；
图2为乙酰丙酮亚锡结构图。
其中，101、透明电极基底；102、第一电荷传输层；103、光活性层；104、第二电荷传输层；105、金属背电极。
具体实施方式
在描述本发明的实施方案时，为了清楚起见，使用了特定的术语。然而，本发明无意局限于所选择的特定术语。应了解每个特定元件包括类似的方法运行以实现类似目的的所有技术等同物。
本发明提供了一种添加剂策略，可以抑制含锡钙钛矿前驱液中低价Sn2+易被氧化为高价Sn4+，提高前驱液稳定性，本发明在含锡钙钛矿前驱液中加入一定比例的乙酰丙酮亚锡，通过螯合配位作用，抑制了Sn2+被氧化成高价Sn4+，从而提高了含锡钙钛矿太阳能电池的光伏性能。
具体地，一种含锡钙钛矿前驱液，其制备原料包括溶质和溶剂，所述溶剂为DMF和DMSO的混合溶剂，所述溶质包括FAI、MAI、PbI2、SnI2、锡粉和乙酰丙酮亚锡，其中，DMF和DMSO的体积比为6:4，且每1mL混合溶剂中加入216.72mg FAI、85.86mg MAI、414.90mg PbI2、335.25mg SnI2、5mg锡粉以及0.28mg-1.43mg乙酰丙酮亚锡。
制备时，将FAI、MAI、PbI2、SnI2、锡粉和乙酰丙酮亚锡溶解于混合溶剂中，搅拌至完全溶解，即得到含锡钙钛矿前驱液。
一种光活性层的制备方法，将含锡钙钛矿前驱液滤去锡粉，采用一步法旋涂滤去锡粉的前驱液，旋涂时转速为4000r.p.m，旋涂时间为35s，旋涂程序结束前15s滴加抗溶剂乙酸乙酯，旋涂完毕后，热板退火，退火温度为100℃，时间为30min，即得到光活性层。
本发明还提供一种如图1所示的钙钛矿太阳能电池，其结构由以下部分组成：
1、透明电极基底101：ITO玻璃基底，面积不限(本例为2×2cm2)，此类产品有规模化量产的商品化产品可以直接使用。使用前，应将ITO玻璃基底表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，氮气流吹干，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟；
2、第一电荷传输层102：在ITO基底上旋涂PEDOT:PSS(型号：PEDOT:PSS 4083A)前驱液，然后热板退火(120℃，30min)；厚度为35nm
3、光活性层103：采用锡铅混合有机无机杂化金属卤化物钙钛矿FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3作为吸光层，其前驱液配制方法为：将FAI(216.72mg)，MAI(85.86mg),PbI2(414.90mg)，SnI2(335.25mg)，锡粉5mg，乙酰丙酮亚锡0.1-0.5mol％(相对于SnI2)，溶解于1mL混合溶剂体积比(DMF:DMSO＝6:4)，搅拌至完全溶解，使用前滤去锡粉，采用一步法旋涂法在第一电荷传输层102上制备(4000r.p.m，35s，旋涂程序结束前15s滴加抗溶剂乙酸乙酯)；旋涂完毕，100℃，退火30min，即得到光活性层103，厚度为800-1000nm；
4、第二电荷传输层104：采用蒸镀方式在光活性层103上制备C60/BCP作为第二电荷传输层104，其中，C60厚度为45nm，BCP厚度为8nm；
5、金属背电极105：采用蒸镀的方式在第二电荷传输层104上制备Ag作为金属背电极105，厚度为100nm。

Claims (10)

1.一种含锡钙钛矿前驱液，其特征在于，其制备原料包括溶质和溶剂，所述溶剂为DMF和DMSO的混合溶剂，所述溶质包括FAI、MAI、PbI2、SnI2、锡粉和乙酰丙酮亚锡，其中，DMF和DMSO的体积比为6:4，且每1mL混合溶剂中加入216.72mg FAI、85.86mg MAI、414.90mgPbI2、335.25mg SnI2、5mg锡粉和0.28mg-1.43mg乙酰丙酮亚锡。
2.权利要求1所述的一种含锡钙钛矿前驱液的制备方法，其特征在于，将FAI、MAI、PbI2、SnI2、锡粉和乙酰丙酮亚锡溶解于混合溶剂中，搅拌至完全溶解，即得到含锡钙钛矿前驱液。
3.一种光活性层的制备方法，基于权利要求1所述的一种含锡钙钛矿前驱液，其特征在于，将含锡钙钛矿前驱液滤去锡粉，采用一步法旋涂滤去锡粉的前驱液，旋涂完毕后，热板退火，即得到光活性层。
4.根据权利要求3所述的一种光活性层的制备方法，其特征在于，旋涂时转速为4000r.p.m，旋涂时间为35s，旋涂程序结束前15s滴加抗溶剂乙酸乙酯。
5.根据权利要求3所述的一种光活性层的制备方法，其特征在于，热板退火温度为100℃，时间为30min。
6.一种钙钛矿太阳能电池，基于权利要求3-5任一项所述的一种光活性层的制备方法制得的光活性层，其特征在于，包括从下至上依次设置的透明电极基底(101)、第一电荷传输层(102)、光活性层(103)、第二电荷传输层(104)和金属背电极(105)。
7.权利要求6所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：取ITO玻璃基底，将ITO玻璃基底表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理，氮气流吹干，然后使用紫外光清洁，即得到透明电极基底(101)；
步骤2：在透明电极基底(101)上旋涂PEDOT:PSS前驱液，然后热板退火，得到第一电荷传输层(102)；
步骤3：在第一电荷传输层(102)上制备光活性层(103)；
步骤4：采用蒸镀方式在光活性层(103)上制备C60/BCP作为第二电荷传输层(104)；
步骤5：采用蒸镀方式在第二电荷传输层(104)上制备Ag层作为金属背电极(105)。
8.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2中热板退火温度为120℃，时间为30min。
9.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2中第一电荷传输层(102)厚度为35nm，步骤3中光活性层(103)的厚度在800-1000nm。
10.根据权利要求8所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤4中C60厚度为45nm，BCP厚度为8nm，步骤5中金属背电极(105)厚度为100nm。
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