CN112687805B - 一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，是以金红石相二氧化钛量子点为电子传输材料，基本无光催化活性，可以消除电子传输层在紫外光照射下诱发的钙钛矿层分解作用，大幅提高钙钛矿光吸收层的长期稳定性；同时具有优异的光生电子提取和传输性能。本发明还公开了一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，是以二维薄层Ti3C2为原料，经过球磨粉碎、氧化分解和超声细化制备出金红石相二氧化钛量子点，最后以金红石相二氧化钛量子点构建该钙钛矿太阳能电池电子传输层。

Description

一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及的是一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池，以有机-无机杂化或全无机钙钛矿为光吸收材料，与宽禁带半导体氧化物电子传输材料和有机小分子、导电聚合物或无机空穴传输材料构成太阳能电池。钙钛矿太阳能电池具有低成本、制备工艺简单、光电转换效率高等特点，因此具有良好的应用前景，有望替代现有的高成本太阳能电池。电子传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，对光生电子的提取和传输、钙钛矿层的稳定性均有重要影响。
传统的高性能电子传输层一般采用锐钛矿相二氧化钛纳米材料制备而成，然而，由于锐钛矿相二氧化钛纳米材料具有非常高的光催化活性，在紫外光照射下会诱发钙钛矿光吸收层分解，导致太阳能电池的稳定性大幅下降。因此，开发一种光催化活性低甚至无光催化活性且具有优异电子提取和传输性能的新型电子传输层是制备稳定高效钙钛矿太阳能电池及其走向实用化的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，能够大幅降低甚至消除电子传输层材料对钙钛矿光吸收层的紫外光诱发分解作用，同时具有优异的光生电子提取和传输性能，从而最终制备出稳定高效的钙钛矿太阳能电池。
本发明的目的还在于提供一种上述钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、先将浓度为10wt％～50wt％的二维薄层Ti3C2水分散液置于行星式球磨机中，在7000～8000转/分钟的转速下球磨4～8小时，使得二维薄层Ti3C2水分散液中的二维薄层Ti3C2粉碎成大小为0.1～0.5μm2的Ti3C2碎片；
步骤2、然后将经过球磨后的含有Ti3C2碎片的二维薄层Ti3C2水分散液加入到1～2mol/L碱性溶液中，获得混合悬浮液，在氧气气氛中、7000～8000转/分钟的转速下搅拌120～144小时，使混合悬浮液中的Ti3C2碎片氧化分解成金红石相二氧化钛碎片；
步骤3、然后将步骤2得到的混合悬浮液在600～1000W的功率下超声36～48小时，使得混合悬浮液中的金红石相二氧化钛碎片坍塌成粒径为1～5nm的金红石相二氧化钛量子点；
步骤4、然后将步骤3得到的混合悬浮液在8000～12000转/分钟的转速下离心5～15分钟，收集下层的固体分离物，并用去离子水清洗后再在8000～12000转/分钟的转速下离心5～15分钟，重复操作3～5次至离心后上清液的pH值为7，收集得到金红石相二氧化钛量子点固体分离物；
步骤5、最后将步骤4得到的金红石相二氧化钛量子点固体分离物配成浓度为10～20mg/ml的水分散液，在7000～8000转/分钟的转速下旋涂在导电玻璃的导电面上，在100～120℃下热处理20～30分钟，从而在所述导电玻璃上获得厚度为10～30nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层。
步骤2中，所述碱性溶液为氨水、四乙基氢氧化铵溶液或四丁基氢氧化铵溶液，所述二维薄层Ti3C2水分散液与碱性溶液的体积用量比为1/1～1/4。
所述钙钛矿太阳能电池电子传输层，包括粒径为1～5nm的金红石相二氧化钛量子点，所述金红石相二氧化钛量子点涂覆在导电玻璃的导电面上，从而在所述导电玻璃上形成厚度为10～30nm的电子传输层，所述金红石相二氧化钛量子点由二维薄层Ti3C2氧化分解得到。
所述二维薄层Ti3C2的层数为1～5层。
采用上述技术方案后，本发明一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，是以金红石相二氧化钛量子点为电子传输层材料，基本无光催化活性，可以消除电子传输层在紫外光照射下诱发的钙钛矿层分解作用，大幅提高钙钛矿光吸收层的长期稳定性；同时具有优异的光生电子提取和传输性能。
本发明一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，是以二维薄层Ti3C2为原料，经过球磨粉碎、氧化分解和超声细化制备出金红石相二氧化钛量子点，最后以金红石相二氧化钛量子点构建电子传输层。与传统水热法或溶剂热法相比，该制备方法易于提高产量，更适合大规模工业生产要求，超细(粒径在1～5nm)的量子点颗粒有利于制备出超薄(厚度为10～30nm)、低缺陷的电子传输层，克服了传统锐钛矿相二氧化钛电子传输层材料的缺陷。
附图说明
图1为实施例1得到的金红石相二氧化钛量子点的透射电镜图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、先将浓度为10wt％～50wt％的二维薄层Ti3C2水分散液置于行星式球磨机中，在7000～8000转/分钟的转速下球磨4～8小时，使得二维薄层Ti3C2水分散液中的二维薄层Ti3C2粉碎成大小为0.1～0.5μm2的Ti3C2碎片；
步骤2、然后将经过球磨后的含有Ti3C2碎片的二维薄层Ti3C2水分散液加入到1～2mol/L碱性溶液中，获得混合悬浮液，在氧气气氛中、7000～8000转/分钟的转速下搅拌120～144小时，使混合悬浮液中的Ti3C2碎片氧化分解成金红石相二氧化钛碎片；
步骤3、然后将步骤2得到的混合悬浮液在600～1000W的功率下超声36～48小时，使得混合悬浮液中的金红石相二氧化钛碎片坍塌成粒径为1～5nm的金红石相二氧化钛量子点；
步骤4、然后将步骤3得到的混合悬浮液在8000～12000转/分钟的转速下离心5～15分钟，收集下层的固体分离物，并用去离子水清洗后再在8000～12000转/分钟的转速下离心5～15分钟，重复操作3～5次至离心后上清液的pH值为7，收集得到金红石相二氧化钛量子点固体分离物；
步骤5、最后将步骤4得到的金红石相二氧化钛量子点固体分离物配成浓度为10～20mg/ml的水分散液，在7000～8000转/分钟的转速下旋涂在导电玻璃的导电面上，在100～120℃下热处理20～30分钟，从而在所述导电玻璃上获得厚度为10～30nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层。
步骤2中，所述碱性溶液为氨水、四乙基氢氧化铵溶液或四丁基氢氧化铵溶液，所述二维薄层Ti3C2水分散液与碱性溶液的体积用量比为1/1～1/4。
本发明中，二维薄层Ti3C2水分散液为市售产品。
一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，包括粒径为1～5nm的金红石相二氧化钛量子点，所述金红石相二氧化钛量子点涂覆在导电玻璃的导电面上，从而在所述导电玻璃上形成厚度为10～30nm的电子传输层，所述金红石相二氧化钛量子点由二维薄层Ti3C2氧化分解得到。
所述二维薄层Ti3C2的层数为1～5层。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、先将100mL、浓度为10wt％的二维单层Ti3C2水分散液置于行星式球磨机中，在8000转/分钟的转速下球磨4小时，使得二维单层Ti3C2水分散液中的二维单层Ti3C2粉碎成大小为0.1～0.2μm2的Ti3C2碎片；
步骤2、然后将经过球磨后的二维单层Ti3C2碎片水分散液加入到400mL、2mol/L氨水中，获得混合悬浮液，在氧气气氛中、8000转/分钟的转速下搅拌120小时，使混合悬浮液中的Ti3C2碎片氧化分解成金红石相二氧化钛碎片；
步骤3、然后将步骤2得到的混合悬浮液在1000W的功率下超声48小时，使得混合悬浮液中的金红石相二氧化钛碎片坍塌成粒径为1～3nm的金红石相二氧化钛量子点，
步骤4、然后将步骤3得到的混合悬浮液在8000转/分钟的转速下离心10分钟，收集下层的固体分离物，并用去离子水清洗后再在8000转/分钟的转速下离心10分钟，重复操作3～5次至离心后上清液的pH值为7，收集得到金红石相二氧化钛量子点固体分离物；
步骤5、最后将步骤4得到的金红石相二氧化钛量子点固体分离物配成浓度为10mg/ml的水分散液，在7000转/分钟的转速下旋涂在导电玻璃的导电面上，在100℃下热处理30分钟，从而在导电玻璃上获得厚度为10nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层。
该钙钛矿太阳能电池电子传输层，包括粒径为1～3nm的金红石相二氧化钛量子点(如图1所示)，金红石相二氧化钛量子点涂覆在导电玻璃的导电面上，形成厚度为10nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层，金红石相二氧化钛量子点由二维薄层Ti3C2氧化分解得到。
性能测试：
在制备得到的钙钛矿太阳能电池电子传输层上用旋涂法依次制备400nm厚的钙钛矿光吸收层和100nm厚的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴空穴传输层，最后真空蒸镀金电极，获得钙钛矿太阳能电池。
由此制备获得的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率达到21％～22％，成品良率大于90％，与传统含锐钛矿相二氧化钛电子传输层组成的钙钛矿太阳能电池性能相当，且电池在标准模拟太阳光连续照射1000小时后效率依旧保持90％～92％的初始值。
实施例2
一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、先将100mL、浓度为50wt％的二维薄层(2～5层)Ti3C2水分散液置于行星式球磨机中，在7000转/分钟的转速下球磨8小时，使得二维薄层Ti3C2水分散液中的二维薄层Ti3C2粉碎成大小为0.3～0.5μm2的Ti3C2碎片；
步骤2、然后将球磨后的含有Ti3C2碎片的二维薄层Ti3C2水分散液加入到100mL、2mol/L四丁基氢氧化铵溶液中，获得混合悬浮液，在氧气气氛中、7000转/分钟的转速下搅拌144小时，使混合悬浮液中的Ti3C2碎片氧化分解成金红石相二氧化钛碎片；
步骤3、然后将步骤2得到的混合悬浮液在600W的功率下超声36小时，使得混合悬浮液中的金红石相二氧化钛碎片坍塌成粒径为3～5nm的金红石相二氧化钛量子点；
步骤4、然后将步骤3得到的混合悬浮液在12000转/分钟的转速下离心5分钟，收集下层的固体分离物，并用去离子水清洗后再在12000转/分钟的转速下离心5分钟，重复操作3～5次至离心后上清液的pH值为7，收集得到金红石相二氧化钛量子点固体分离物；
步骤5、最后将步骤4得到的金红石相二氧化钛量子点固体分离物配成浓度为20mg/ml的水分散液，在8000转/分钟的转速下旋涂在导电玻璃的导电面上，在120℃下热处理20分钟，从而在导电玻璃上获得厚度为30nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层。
该钙钛矿太阳能电池电子传输层，包括粒径为3～5nm的金红石相二氧化钛量子点，金红石相二氧化钛量子点涂覆在导电玻璃的导电面上，形成厚度为30nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层，金红石相二氧化钛量子点由二维薄层Ti3C2氧化分解得到。
性能测试：
在制备得到的钙钛矿太阳能电池电子传输层上用旋涂法依次制备400nm厚的钙钛矿光吸收层和100nm厚的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴空穴传输层，最后真空蒸镀金电极，获得钙钛矿太阳能电池。
由此制备获得的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率达到20.5％～21.5％，达到传统含锐钛矿相二氧化钛电子传输层组成的钙钛矿太阳能电池性能的93％～97％，成品良率大于95％，且电池在标准模拟太阳光连续照射1000小时后效率依旧保持88％～91％的初始值。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (4)

1.一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、先将浓度为10wt％～50wt％的二维薄层Ti3C2水分散液置于行星式球磨机中，在7000～8000转/分钟的转速下球磨4～8小时，使得二维薄层Ti3C2水分散液中的二维薄层Ti3C2粉碎成大小为0.1～0.5μm2的Ti3C2碎片；
步骤2、然后将经过球磨后的含有Ti3C2碎片的二维薄层Ti3C2水分散液加入到1～2mol/L碱性溶液中，获得混合悬浮液，在氧气气氛中、7000～8000转/分钟的转速下搅拌120～144小时，使混合悬浮液中的Ti3C2碎片氧化分解成金红石相二氧化钛碎片；
步骤3、然后将步骤2得到的混合悬浮液在600～1000W的功率下超声36～48小时，使得混合悬浮液中的金红石相二氧化钛碎片坍塌成粒径为1～5nm的金红石相二氧化钛量子点；
步骤4、然后将步骤3得到的混合悬浮液在8000～12000转/分钟的转速下离心5～15分钟，收集下层的固体分离物，并用去离子水清洗后再在8000～12000转/分钟的转速下离心5～15分钟，重复操作3～5次至离心后上清液的pH值为7，收集得到金红石相二氧化钛量子点固体分离物；
步骤5、最后将步骤4得到的金红石相二氧化钛量子点固体分离物配成浓度为10～20mg/ml的水分散液，在7000～8000转/分钟的转速下旋涂在导电玻璃的导电面上，在100～120℃下热处理20～30分钟，从而在所述导电玻璃上获得厚度为10～30nm的钙钛矿太阳能电池电子传输层。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述碱性溶液为氨水、四乙基氢氧化铵溶液或四丁基氢氧化铵溶液，所述二维薄层Ti3C2水分散液与碱性溶液的体积用量比为1/1～1/4。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，其特征在于：所述钙钛矿太阳能电池电子传输层包括粒径为1～5nm的金红石相二氧化钛量子点，所述金红石相二氧化钛量子点涂覆在导电玻璃的导电面上，从而在所述导电玻璃上形成厚度为10～30nm的电子传输层，所述金红石相二氧化钛量子点由二维薄层Ti3C2氧化分解得到。
4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，其特征在于：所述二维薄层Ti3C2的层数为1～5层。
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