CN113035994B

CN113035994B - 一种修饰CsPbI3量子点钙钛矿太阳能电池的方法

Info

Publication number: CN113035994B
Application number: CN201911250031.1A
Authority: CN
Inventors: 刘生忠; 刘璐; 王开; 杜敏永; 姜箫; 段连杰
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: CN113035994A

Abstract

本发明涉及一种修饰CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的方法，属于太阳能电池领域。本发明以CsPbI₃量子点制备钙钛矿太阳能电池,并采用导电高分子聚合物，如聚吡咯、聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯撑乙炔、聚对苯撑、聚噻吩、聚苯胺等进行界面修饰。此方法利用聚合物共轭导电的特点,提高电池内部载流子迁移率，同时降低光生载流子复合率。导电高分子聚合物与CsPbI₃量子点协同作用，提高CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池开路电压和短路电流，增强光电转换效果。导电聚合物的修饰也可以钝化CsPbI₃量子点表面，减少电子在传输过程中的损失,加强量子点的耦合。此方法可增大电池的吸收光谱范围，提高其稳定性，可明显提高器件质量。

Description

一种修饰CsPbI3量子点钙钛矿太阳能电池的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及导电高分子聚合物作为修饰材料对CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的量子点钙钛矿层进行修饰的方法。

背景技术

随着现代工业的发展，人口的增多，能源问题成为需要迫切解决的问题。而我们现在的能源来源还主要是化石燃料，其储量有限，且会带来环境污染。所以，寻找开发利用清洁能源刻不容缓。太阳能作为新能源之一，可源源不断取用，而利用太阳能的有效方法之一就是通过太阳能电池将光能转化为电能。

目前市场上的太阳能电池主要是由单晶硅组成的器件，但制备高纯硅吸收层需要高温，制备技术复杂且成本高。而钙钛矿太阳能电池相对成本低，且被预测最终达到的效率较高，可实现工业化大规模生产。近年来，钙钛矿太阳能电池发展迅速，其光电转化效率已增长到25.2％，将其产业化指日可待。钙钛矿太阳能电池按钙钛矿层组成主要分为有机、有机-无机杂化、全无机钙钛矿太阳能电池三类。其中，全无机钙钛矿太阳能电池具有高温稳定的特性。铅卤钙钛矿材料因具有优异的光电性能、溶液处理特性而受到广泛关注。立方结构的CsPbI3的带隙为1.73eV，在全无机铅卤钙钛矿电池中最窄，最适合作为光伏器件的材料。而室温下，薄膜状的CsPbI₃易转变为斜方晶系结构，这种结构的半导体的带隙为2.82eV，无法吸收太阳光作为光伏器件。所以，保持CsPbI₃的立方结构至关重要。

CsPbI₃量子点就可稳定其钙钛矿结构的的立方相。Swarnkar等人第一次合成了α-CsPbI3量子点，其在室温下，可在数月内保持相稳定。他们也制备了太阳能电池，其开路电压为1.23V，效率为10.77％。

之后，科研工作者开始研究提高CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的方法，也取得了一定进展。然而器件性能仍较低，处于初始发展阶段，效率依然无法达到商业化的要求，还有很大的提升空间。因此，开发提高CsPbI₃量子点太阳能电池性能的方法意义重大。

发明内容

为弥补现有方法的不足之处，本发明旨在提供一种使用导电高分子聚合物作为修饰材料对CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的量子点钙钛矿层进行修饰的方法，以简单的操作和较低的成本提升钙钛矿太阳能电池的性能。

本发明利用了导电高分子聚合物共轭导电的特点,可提高电池内部载流子的迁移率，同时降低光生载流子的复合率。因此，导电高分子聚合物与CsPbI₃量子点协同作用，可提高钙钛矿量子点太阳能电池的开路电压和短路电流，增强光电转换效果。导电聚合物的修饰也可以钝化量子点表面，减少电子在传输过程中的损失，加强量子点的耦合。该修饰方法还可增大电池的吸收光谱范围,提高其稳定性,可明显提高器件质量。

本发明的一种修饰量子点钙钛矿太阳能电池的方法，为使用导电高分子聚合物作为修饰材料对量子点钙钛矿太阳能电池的量子点钙钛矿层进行修饰的方法，具体修饰步骤如下：

(1)在导电高分子聚合物中加入有机溶剂，加热下搅拌，直至溶解；

(2)将步骤(1)中溶解的导电高分子聚合物，进行过滤，保留滤液待用；

(3)使用步骤(2)中的滤液制备CsPbI₃量子点钙钛矿层的导电高分子聚合物修饰层薄膜；

(4)将步骤(3)中制备得到的修饰层薄膜进行加热退火，之后冷却至室温，即得到导电高分子聚合物修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的量子点钙钛矿层。

所述导电高分子聚合物包括但不局限于聚吡咯、聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯撑乙炔、聚对苯撑、聚噻吩、聚苯胺等。

步骤(1)中,所述有机溶剂包括但不局限于氯仿、N-N二甲基甲酰胺、聚甲基吡咯烷酮等。

步骤(1)中，溶解于有机溶剂中的导电高分子聚合物的浓度为1mmol/ml-100mmol/ml。

步骤(1)中，溶解导电高分子聚合物的温度为30℃-100℃。

步骤(3)中，制备量子点钙钛矿层的导电高分子聚合物修饰层薄膜的方法为：先使量子点钙钛矿层成膜，再将导电高分子聚合物溶液旋涂在量子点钙钛矿膜层上。

或者，先使量子点钙钛矿层成膜，再将量子点钙钛矿层浸入导电高分子聚合物溶液中。

或者，将导电高分子聚合物溶液与量子点钙钛矿溶液混合，再旋涂到基底上。

量子点钙钛矿膜层上的导电高分子聚合物修饰层的厚度为1nm-100nm；导电高分子聚合物溶液与量子点钙钛矿溶液混合旋涂的厚度为200nm-600nm。

旋涂导电高分子聚合物溶液或者导电高分子聚合物溶液与量子点钙钛矿混合溶液的速度为100-9000rpm/min，时间为5-300s。

浸渍导电高分子聚合物溶液的时间为1s-720min。

步骤(3)中,制备的环境为空气、惰性气体氛围中；惰性气体包括但不局限于氮气、氩气等。

步骤(4)中，退火温度为25℃-350℃，退火时间为2s-3600s。本发明与现有方法相比有以下优点：

(1)本方法以导电高分子聚合物为修饰材料，修饰CsPbI₃量子点钙钛矿层，制备太阳能电池，而现有修饰CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的研究较少。该方法不仅可提升器件性能，且操作简单，易于实现。

(2)与其他铅盐材料修饰量子点钙钛矿太阳能电池相比，导电高分子聚合物毒性更小，对环境污染小，更为环保。基于该方法修饰的太阳能电池，应用范围更广，在提高太阳能电池效率的同时，更加环境友好，符合绿色化学的发展理念。

附图说明

图1导电高分子聚合物修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池示意图；

图2直接旋涂的方式制备导电高分子聚合物修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿层的示意图；

图3浸渍的方式制备导电高分子聚合物修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿层的示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的方法，现给出本发明的较佳实施例，并附以附图详细说明如下。

实施例1：

将臭氧处理20min后的导电玻璃FTO放入培养皿中，导电面朝上，倒入40ml TiCl₄水溶液，在70℃恒温箱中保持1h，即用液相沉积的方法沉积TiO₂。之后，用去离子水和无水乙醇分别清洗一次。氮气吹扫表面杂质后，放在加热板上200℃下退火30min。在氮气气氛中，在处理后的TiO₂表面以1000rpm/min,20s和2000rpm/min，20s旋涂50mg/ml的CsPbI₃量子点溶液。滴入200μl的MeOAc，5s后以2000rpm/min的转速旋涂20s。旋涂CsPbI₃量子点溶液的步骤重复3-5次，即得CsPbI₃量子点钙钛矿层。以聚甲基吡咯烷酮溶解聚吡咯，加热搅拌直至溶解，过滤，制成50mmol/ml的聚吡咯溶液。在CsPbI₃量子点钙钛矿层表面滴40μl的聚吡咯溶液，以3000rpm/min的速度旋涂30s。放在加热板上，120℃退火1min，取下冷却至室温，即得导电高分子聚合物聚吡咯修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿层。配制以17.5μl的520mg/ml的LiTFSI乙腈溶液、28.8μl的4-TBP为添加剂的72.3mg/ml的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，室温下搅拌12h，即得Spiro-OMeTAD溶液。在氮气气氛中，以4000rpm/min的速度旋涂30s，将Spiro-OMeTAD溶液旋涂到导电高分子聚合物修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿层上制备空穴传输层。最后，放入真空蒸镀仪中，将金沉积到空穴传输层表面，厚度为100nm，即制备得到导电高分子聚合物修饰的CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池。

实施例2：

如实施例1所述的修饰方法，将CsPbI₃量子点溶液与聚吡咯溶液以100:1的量混合，再进行旋涂，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例3：

如实施例1所述的修饰方法，将制备CsPbI₃量子点钙钛矿层后的电池浸入聚吡咯溶液中，空气流吹干，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例4：

如实施例1所述制备方法，将聚吡咯溶液换成聚乙炔溶液，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例5：

如实施例1所述制备方法，将聚溶液换成聚苯乙炔溶液，可也得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例6：

如实施例1所述制备方法，将聚吡咯溶液换成聚苯撑乙炔溶液，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例5：

如实施例1所述制备方法，将聚吡咯溶液换成聚对苯撑溶液，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例7：

如实施例1所述制备方法，将聚吡咯溶液换成聚噻吩溶液，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例8：

如实施例1所述制备方法，将聚吡咯溶液换成聚苯胺溶液，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例9：

如实施例1所述制备方法，将Spiro-OMeTAD溶液改为PTAA溶液也可以得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例10：

如实施例1所述制备方法，将导电玻璃改为ITO，电子传输层TiO₂改为SnO₂也可以得到，也可得到修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

实施例11：

如实施例1所述制备方法，将金电极改为银电极，也可以得到高修饰后的高效的量子点钙钛矿电池。

以上内容是对本发明的详细说明，在不脱离本发明的方法下做出的类似实施，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种修饰CsPbI₃量子点钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，该方法为使用导电高分子聚合物作为修饰材料对钙钛矿太阳能电池的量子点钙钛矿层进行修饰的方法，具体修饰步骤如下：

（1）在导电高分子聚合物中加入有机溶剂，加热下搅拌，直至溶解；

（2）将步骤（1）中溶解的导电高分子聚合物，进行过滤，保留滤液待用；

（3）使用步骤（2）中的滤液制备CsPbI₃量子点钙钛矿层的导电高分子聚合物修饰层薄膜；

（4）将步骤（3）中制备得到的修饰层薄膜进行加热退火，之后冷却至室温，即得到导电高分子聚合物修饰层；

步骤（1）中，所述有机溶剂为氯仿、N-N二甲基甲酰胺、聚甲基吡咯烷酮，溶解于有机溶剂中的导电高分子聚合物的浓度为1 mmol/ml-100 mmol/ml；

步骤（3）中，制备CsPbI₃量子点钙钛矿层的导电高分子聚合物修饰层薄膜的方法为：先使CsPbI₃量子点钙钛矿层成膜，再将导电高分子聚合物溶液旋涂在CsPbI₃量子点钙钛矿膜层上；

或者，先使CsPbI₃量子点钙钛矿层成膜，再将CsPbI₃量子点钙钛矿层浸入导电高分子聚合物溶液中；

或者，将导电高分子聚合物溶液与CsPbI₃量子点钙钛矿溶液混合，再旋涂到基底上；

CsPbI₃量子点钙钛矿膜层上的导电高分子聚合物修饰层的厚度为1nm-100nm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电高分子聚合物为聚乙炔、聚苯乙炔、聚苯撑乙炔、聚对苯撑、聚噻吩、聚苯胺。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，溶解导电高分子聚合物的温度为30℃-100℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

浸渍导电高分子聚合物溶液的时间为1s-720min；导电高分子聚合物溶液与量子点钙钛矿溶液混合旋涂的厚度为200nm-600nm；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中,制备的环境为空气、惰性气体氛围中；惰性气体包括氮气、氩气。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，退火温度为25℃-350℃。

7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，退火时间为2s-3600 s。