CN113054112A - 一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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谭晓冉
于京华
高超民
张彦
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Abstract

本发明公开了一种纸基柔性双钙钛矿太阳能电池的制备方法，属于能源领域。本方法包括以下内容：以金纳米颗粒修饰纤维素纸，制备导电纸基底‑使用真空气相沉积法制备空穴传输层‑使用连续真空气相沉积技术制备Cs2AgBiCl6双钙钛矿吸光层‑使用镀膜仪制备C60电子传输层、浴铜铃空穴阻挡层以及Cu/Au透明顶部电极。本方法的特点在于选用成本低、原料丰富、环境友好、生物相容性好、柔性高以及易于化学修饰的纸材料作为基底，以无毒、带隙窄、载流子寿命长以及稳定性好的Cs2AgBiCl6双钙钛矿材料为吸光层，采用空穴传输层‑双钙钛矿吸光层‑电子传输层夹心结构成功构建纸基柔性双钙钛矿太阳能电池。本方法具有操作简单，成本较低，无毒环保等优点。

Description

一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及能源领域，更具体的说是关于一种纸基柔性可穿戴双钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
太阳能是一种近乎取之不尽用之不竭的清洁能源，通过光伏电池实现对太阳能的高效利用被认为是解决人类能源危机的重要途径。目前，硅基太阳能电池技术较为成熟，已被广泛商业化。然而，相对较高的制造成本以及复杂、高能耗、高污染的制备工艺限制了该类太阳能电池的进一步发展。因此，开发成本低廉、绿色环保、转化率高的新型太阳能电池具有重要意义。
得益于钙钛矿材料吸光系数高、载流子扩散距离长、带隙可调节等独特光学和电学特性，利用钙钛矿材料作为吸光层制备高性能太阳能电池逐渐成为光伏领域研究热点。随着其能量转化效率迅速提升（现已达到25.5%），钙钛矿太阳能电池已然改变了光伏性能竞赛的游戏规则，成为替代当前在光伏市场上占主导地位的普通硅基太阳能电池的绝佳选择。目前，FTO、硅片、金属箔片以及PET塑料等材料被广泛用于制备钙钛矿太阳能电池，上述基底材料虽具有良好性能，但它们普遍存在价格昂贵以及与活性物质附着力差的弊端，限制了钙钛矿太阳能电池进一步商业化应用。因此，寻求新型基底材料是一项重要的课题。
纸是中国古代的一项伟大发明，它作为包装、书写、印刷、绘画与装饰的重要材料在我们的日常生活中随处可见。同时，由于具有成本低、原料丰富、环境友好、生物相容性好、柔性高以及易于化学修饰等优势，纸作为基底材料被广泛用于能源器件、传感器件以及柔性电子器件等领域。因此，以纸替代传统钙钛矿太阳能电池的基底材料有望制备具有高光电转换效率、低成本、轻薄、以及环境友好等优点的柔性可穿戴太阳能电池。然而，传统的纸基钙钛矿太阳能电池以铅基卤化物材料作为吸光层，这使得该类电池具有一定的毒性且稳定性较差。同时，由于采用无空穴传输层结构，传统纸基钙钛矿太阳能电池的载流子分离效率还有较大的提升空间。
作为一种新型无铅钙钛矿材料，Cs2AgBiBr6以一对异价金属离子（Ag+与Bi3+）替代两个Pb2+形成Cs2ABX6双钙钛矿结构。凭借其无毒、带隙窄、载流子寿命长以及稳定性好的特点，Cs2AgBiBr6受到了研究人员的广泛关注，被认为是具有良好应用潜力的光电材料。然而，截至目前，双钙钛矿材料还未被应用于纸基钙钛矿太阳能电池的制备。因此，我们选用Cs2AgBiBr6为吸光层首次构建了纸基双钙钛矿太阳能电池。同时，我们采用空穴传输层-双钙钛矿吸光层-电子传输层夹心结构以提升该太阳能电池的载流子分离效率，从而进一步提升其光电转换效率。制备的纸基双钙钛矿太阳能电池具有稳定性好、无毒、柔性可穿戴、光电转换效率高、工艺简单、生物相容性好以及成本低的优点，具有良好的应用潜力。
发明内容
针对目前存在的问题，本发明提供一种在纤维素纸基底上简单有效制备双钙钛矿太阳能电池的方法。
一种纸基钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于该方法包含以下步骤：
（1）制备导电纸基底：选用剪裁成3 cm×3 cm的纤维素色谱纸作为基底材料，制备过程中将该基底材料分为三个不同区域，其中，一条长边与基底上边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为a区域，一条长边与基底下边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为c区域，纸基底其余部分为b区域；通过金种子辅助生长策略在纸基底a与b区域修饰金纳米颗粒以赋予其良好导电性。此过程c区域不做任何修饰。
（2）制备空穴传输层：利用模板将步骤（1）中所得导电纸基底的a区域遮住，随后以N4,N4,N4'N4'-四([1,1'-联苯]-4-基)-[1,1'-联苯]-4,4'-二胺（TaTm）、4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺]（TAPC）以及铜酞菁三种材料中的一种为原料，通过真空气相沉积技术沉积在b与c区域表面，作为空穴传输层。
（3）制备钙钛矿吸光层：采用连续真空气相沉积技术制备高结晶度的Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层。先后以CsBr粉末、BiBr3粉末和AgBr粉末为原料，在步骤（2）中所得样品表面依次沉积一定厚度的CsBr、BiBr3以及AgBr层，随后将样品在充满氮气的手套箱中退火处理以制备Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层。沉积过程中使用模板遮住纸基底a区域。
（4）制备电子传输层与空穴阻挡层：使用镀膜仪以C60为原料在步骤（3）所得样品表面沉积一定厚度的C60材料作为电子传输层，随后以同样的方法沉积一层一定厚度的浴铜铃作为空穴阻挡层。上述过程均使用模板将纸基底a区域遮住。
（5）制备透明顶部电极：将（4）中得到的样品放入掩模版中，使用镀膜仪先后在其表面蒸镀一定厚度的Cu纳米层和Au纳米层以制得透明顶部电极。
步骤（1）中金种子辅助生长策略：先配制金种子溶液，在50 mL二次水中加入1 mL0.01 M氯金酸溶液和1 mL 0.01 M柠檬酸三钠溶液，水浴加热至90 ℃，在此温度下搅拌10min后自然冷却至室温，放入冰箱中4 ℃下保存待用。使用蜡打印机在纸基底b与c区域的交界处打印一层蜡，随后将其在160 ℃下加热50 s以在b与c区域之间构筑疏水屏障，防止后续修饰过程中滴加在a与b区域的溶液扩散至c区域。将100 µL上述金种子溶液滴加至纸基底a与b区域，室温晾干，重复5次。随后，称取0.0174 g盐酸羟胺溶于1 mL二次水中，加入500µL 0.01 M氯金酸溶液并充分混合，取100 µL上述溶液滴加至纸基底a与b区域，孵化40 min后用二次水冲洗3次。
步骤（2）中空穴传输层的厚度为50~200 nm，真空气相沉积过程中真空腔内压力为5×10-6~9×10-6 mbar，蒸发电流为10~50 A，沉积速率为0.1~1.8 Å/s。
步骤（3）真空腔内压力为3×10-5 mbar；CsBr的沉积速率为4.2 Å/s，厚度为150~200 nm；BiBr3的沉积速率为3.8 Å/s，厚度为100~250 nm；AgBr的沉积速率为0.85 Å/s，厚度为50~120 nm。
步骤（4）中C60层的厚度为100~300 nm；浴铜铃层的厚度为10~200 nm，真空腔内压力为1×10-6~6×10-6 mbar，蒸发电流为10~50 A，沉积速率为0.1~0.8 Å/s。
步骤（5）中Cu纳米层的厚度为1~50 nm；Au纳米层的厚度为1~50 nm。
本发明的有益效果
（1）采用纤维素纸作为基底材料制备柔性可穿戴钙钛矿太阳能电池，具有成本低、质轻、柔性高、生物相容性好以及环保的优点。
（2）选用无毒、带隙窄、载流子寿命长以及稳定性好的Cs2AgBiBr6双钙钛矿材料作为吸光层，利于制备具有高光电转换效率、环保、使用寿命长等优点的纸基柔性可穿戴钙钛矿太阳能电池。
（3）利用金纳米颗粒修饰纸基底，极大程度提升基底导电性。
（4）采用空穴传输层-双钙钛矿吸光层-电子传输层夹心结构，有利于进一步提升纸基柔性可穿戴钙钛矿太阳能电池的载流子分离效率，从而提升其光电转换效率。
附图说明
图1为本发明中纸基双钙钛矿太阳能电池所用的纸基底布局图。
图2为本发明中纸基双钙钛矿太阳能电池的实物图。
图3为本发明中纸基双钙钛矿太阳能电池的扫描电子显微镜图。
图4为实施例1所制备的基于TaTm空穴传输层的双钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线（左图）与稳定性测试结果（右图）。
图5为实施例2所制备的基于TAPC空穴传输层的双钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线（左图）与稳定性测试结果（右图）。
图6为实施例3所制备的基于铜酞菁空穴传输层的双钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线（左图）与稳定性测试结果（右图）。
具体实施方式
为进一步说明制备纸基双钙钛矿太阳能电池的方法，按照上述技术方案进行实施，但本发明内容不局限于下面的实施。
实施例1
（1）选用剪裁成3 cm×3 cm的纤维素色谱纸作为基底材料，制备过程中将该基底材料分为三个不同区域：一条长边与基底上边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为a区域，一条长边与基底下边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为c区域，其余部分为b区域；通过金种子辅助生长策略在纸基底a与b区域修饰金纳米颗粒以赋予其良好导电性。此过程c区域不做任何修饰。
（2）利用模板将所得导电纸基底的a部分遮住，随后以TaTm为原料，使用真空气相沉积法在导电纸基底表面未被遮住的部分沉积一层厚度为170 nm的TaTm作为空穴传输层，真空气相沉积过程中真空腔内压力为8×10-6 mbar，蒸发电流为15 A，沉积速率为0.8 Å/s。
（3）采用连续真空气相沉积技术先后以CsBr粉末、BiBr3粉末和AgBr粉末为原料，在TaTm修饰的导电纸基底表面依次沉积厚度分别为150 nm、200 nm以及60 nm的CsBr、BiBr3以及AgBr层，真空腔内压力为3×10-5 mbar，蒸发电流为5~20 A，沉积速率为0.45~5Å/s。随后，将样品在充满氮气的手套箱中150 ℃下退火处理10 min以制备高结晶度的Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层。沉积过程中仍使用模板遮住纸基底a部分。
（4）使用镀膜仪以C60为原料在所得样品表面沉积厚度为200 nm的C60材料作为电子传输层，随后以同样的方法沉积一层厚度为150 nm的浴铜铃作为空穴阻挡层，真空腔内压力为6×10-6 mbar，蒸发电流为15~25 A，沉积速率为0.5 Å/s。上述过程均使用模板将纸基底a部分遮住。
（5）将所得样品放入掩模版中，使用镀膜仪先后在其表面蒸镀厚度均为1~10 nm的Cu纳米层和Au纳米层以制得透明顶部电极。
（6）对本实施例所制得的纸基双钙钛矿太阳能电池进行性能测试。
图4为本实施例所制备的纸基双钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线（左图）与稳定性测试结果（右图）。可以看出，该太阳能电池在未封装的状态下放置15天后，光电转换效率的降低值较小，这表明使用本方法制备的基于TaTm空穴传输层的纸基双钙钛矿太阳能电池具有良好的稳定性。
实施例2
（1）选用剪裁成3 cm×3 cm的纤维素色谱纸作为基底材料，制备过程中将该基底材料分为三个不同区域：一条长边与基底上边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为a区域，一条长边与基底下边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为c区域，其余部分为b区域；通过金种子辅助生长策略在纸基底a与b区域修饰金纳米颗粒以赋予其良好导电性。此过程c区域不做任何修饰。
（2）利用模板将所得导电纸基底的a部分遮住，随后以TAPC为原料，使用真空气相沉积法在导电纸基底表面未被遮住的部分沉积一层厚度为170 nm的TAPC作为空穴传输层，真空气相沉积过程中真空腔内压力为8×10-6 mbar，蒸发电流为20 A，沉积速率为1.1 Å/s。
（3）采用连续真空气相沉积技术先后以CsBr粉末、BiBr3粉末和AgBr粉末为原料，在TAPC修饰的导电纸基底表面依次沉积厚度分别为150 nm、200 nm以及60 nm的CsBr、BiBr3以及AgBr层，真空腔内压力为3×10-5 mbar，蒸发电流为5~20 A，沉积速率为0.45~5Å/s。随后，将样品在充满氮气的手套箱中150 ℃下退火处理10 min以制备高结晶度的Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层。沉积过程中仍使用模板遮住纸基底a部分。
（4）使用镀膜仪以C60为原料在所得样品表面沉积厚度为200 nm的C60材料作为电子传输层，随后以同样的方法沉积一层厚度为150 nm的浴铜铃作为空穴阻挡层，真空腔内压力为6×10-6 mbar，蒸发电流为25 A，沉积速率为0.5 Å/s。上述过程均使用模板将纸基底a部分遮住。
（5）将得到的样品放入掩模版中，使用镀膜仪先后在其表面蒸镀厚度均为1~10 nm的Cu纳米层和Au纳米层以制得透明顶部电极。
（6）对本实施例所制得的纸基双钙钛矿太阳能电池进行性能测试。
图5为本实施例所制备的基于TAPC空穴传输层的双钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线（左图）与稳定性测试结果（右图）。可以看出，该太阳能电池在未封装的状态下放置15天后，光电转换效率的降低值较小，这表明使用本方法制备的基于TAPC空穴传输层的纸基双钙钛矿太阳能电池具有良好的稳定性。
实施例3
（1）选用剪裁成3 cm×3 cm的纤维素色谱纸作为基底材料，制备过程中将该基底材料分为三个不同区域：一条长边与基底上边缘重合，长与宽分别为3 cm、0.5 cm的长方形区域为a区域，一条长边与基底下边缘重合，长与宽分别为3 cm、0.5 cm的长方形区域为c区域，其余部分为b区域；通过金种子辅助生长策略在纸基底a与b区域修饰金纳米颗粒以赋予其良好导电性。此过程c区域不做任何修饰。
（2）利用模板将所得导电纸基底的a部分遮住，随后以铜酞菁为原料，使用真空气相沉积法在导电纸基底表面未被遮住的部分沉积一层厚度为170 nm的铜酞菁作为空穴传输层，真空气相沉积过程中真空腔内压力为8×10-6 mbar，蒸发电流为18 A，沉积速率为1Å/s。
（3）采用连续真空气相沉积技术先后以CsBr粉末、BiBr3粉末和AgBr粉末为原料，在铜酞菁修饰的导电纸基底表面依次沉积厚度分别为150 nm、200 nm以及60 nm的CsBr、BiBr3以及AgBr层，真空腔内压力为3×10-5 mbar，蒸发电流为5~20 A，沉积速率为0.45~5Å/s。随后，将样品在充满氮气的手套箱中150 ℃下退火处理10 min以制备高结晶度的Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层。沉积过程中仍使用模板遮住纸基底a部分。
（4）使用镀膜仪以C60为原料在所得样品表面沉积厚度为200 nm的C60材料作为电子传输层，随后以同样的方法沉积一层厚度为150 nm的浴铜铃作为空穴阻挡层，真空腔内压力为6×10-6 mbar，蒸发电流为25 A，沉积速率为0.5 Å/s。上述过程均使用模板将纸基底a部分遮住。
（5）将得到的样品放入掩模版中，使用镀膜仪先后在其表面蒸镀厚度均为1~10 nm的Cu纳米层和Au纳米层以制得透明顶部电极。
（6）对本实施例所制得的纸基双钙钛矿太阳能电池进行性能测试。
图6为本实施例所制备的基于铜酞菁空穴传输层的双钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线（左图）与稳定性测试结果（右图）。可以看出，该太阳能电池在未封装的状态下放置15天后，光电转换效率的降低值较小，这表明使用本方法制备的基于铜酞菁空穴传输层的纸基双钙钛矿太阳能电池具有良好的稳定性。

Claims (6)

1.一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下内容：
（1）制备导电纸基底：选用剪裁成3 cm×3 cm的纤维素色谱纸作为基底材料，制备过程中将该基底材料分为三个不同区域，其中，一条长边与基底上边缘重合，长为3 cm，宽为0.5cm的长方形区域为a区域，一条长边与基底下边缘重合，长为3 cm，宽为0.5 cm的长方形区域为c区域，纸基底其余部分为b区域；通过金种子辅助生长策略在纸基底a与b区域修饰金纳米颗粒以赋予其良好导电性，此过程c区域不做任何修饰；
（2）制备空穴传输层：利用模板将步骤（1）中所得导电纸基底a区域遮住，随后使用真空气相沉积法在b与c区域沉积一定厚度的空穴传输层；
（3）制备钙钛矿吸光层：采用连续真空气相沉积技术制备纸基Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层，先后以CsBr粉末、BiBr3粉末和AgBr粉末为原料，在步骤（2）中所得修饰有空穴传输层的纸基底表面依次沉积一定厚度的CsBr、BiBr3以及AgBr层，随后将样品在充满氮气的手套箱中退火处理以制备Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层；在真空气相沉积CsBr、BiBr3以及AgBr的过程中使用模板遮住纸基底a区域，真空腔内压力为1×10-5~5×10-5 mbar，蒸发电流为5~25A，沉积速率为0.25~5 Å/s；
（4）制备电子传输层：使用真空气相沉积技术以C60为原料在步骤（3）所得样品表面沉积一定厚度的C60材料作为电子传输层，随后以同样的方法沉积一层一定厚度的浴铜铃作为空穴阻挡层，上述过程均使用模板将纸基底a区域遮住；
（5）制备透明顶部电极：将（4）中得到的样品放入掩模版中，使用镀膜仪先后在其表面蒸镀一定厚度的Cu纳米层和Au纳米层以制得透明顶部电极。
2.根据权利要求1所述一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述通过金种子辅助生长策略在纸基底a与b区域修饰金纳米颗粒：先配制金种子溶液，在50 mL二次水中加入1 mL 0.01 M氯金酸溶液和1 mL 0.01 M柠檬酸三钠溶液，水浴加热至90 ℃，在此温度下搅拌10 min后自然冷却至室温，放入冰箱中4 ℃下保存待用；使用蜡打印机在纸基底b与c区域的交界处打印一层蜡，随后将其在160 ℃下加热50 s以在b与c区域之间构筑疏水屏障，防止后续修饰过程中滴加在a与b区域的溶液扩散至c区域；将100 µL上述金种子溶液滴加至纸基底a与b区域，室温晾干，重复5次；随后，称取0.0174 g盐酸羟胺溶于1 mL二次水中，加入500 µL 0.01 M氯金酸溶液并充分混合，取100 µL上述溶液滴加至纸基底a与b区域，孵化40 min后用二次水冲洗3次。
3.根据权利要求1所述一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（2）中使用真空气相沉积法在导电纸基底表面沉积一定厚度的空穴传输层：空穴传输层的材料选自N4,N4,N4'N4'-四([1,1'-联苯]-4-基)-[1,1'-联苯]-4,4'-二胺、4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺]以及铜酞菁中的一种；真空气相沉积过程中真空腔内压力为5×10-6~9×10-6 mbar，导电纸基底与蒸发源之间的垂直距离为15~25 cm，蒸发电流为10~50A，沉积速率为0.1~1.8 Å/s，空穴传输层的厚度为50~200 nm。
4.根据权利要求1所述一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述采用连续真空气相沉积技术制备纸基Cs2AgBiBr6双钙钛矿吸光层：真空气相沉积过程中真空腔内压力为3×10-5 mbar，修饰有空穴传输层的纸基底与蒸发源之间的垂直距离为20~25 cm；CsBr的沉积速率为4.2 Å/s，CsBr层厚度为150~200 nm；BiBr3的沉积速率为3.8 Å/s，BiBr3层厚度为100~250 nm；AgBr的沉积速率为0.85 Å/s，AgBr层厚度为50~120nm。
5.根据权利要求1所述一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（4）中所述真空气相沉积过程，真空腔内压力为1×10-6~6×10-6 mbar，蒸发电流为10~50 A，沉积速率为0.1~0.8 Å/s，C60层的厚度为100~300 nm；浴铜铃层的厚度为10~200 nm。
6.根据权利要求1所述一种纸基双钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（5）中Cu纳米层的厚度为1~50 nm，Au纳米层的厚度为1~50 nm；Cu纳米层与Au纳米层的厚度比为8:1。
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