CN113363387B - 一种钙钛矿太阳能电池电子传输层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，所述钙钛矿太阳能电池电子传输层由以下原材料组成：FTO导电玻璃层、电子传输层、介孔薄膜层、钙钛矿薄膜层、空穴传输层、金属电极，本发明通过Co3+对TiO2材料掺杂可以很好的提升钙钛矿太阳能电池的光学性能和效率，电子传输层的掺杂，优化了电池的稳定性和光学性能如：开路电压、光电转化率，其具体采用二异丙氧基双乙酰丙酮钛、无水正丁醇、FK209Co(Ⅲ)为原料，制备掺杂Co3+的电子传输层，并通过掺杂金属离子和一步旋涂法，提高了电子传输层的导电率和电子迁移率，进而提升了钙钛矿太阳能电池的光电性能及效率。
Description
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池性能优化的技术领域，具体为一种钙钛矿太阳能电池电子传输层及其制备方法。
背景技术
近年来，由于钙钛矿材料具有载流子扩散长度长、带隙可调、低温处理和优异的光电性能等优点，卤化钙钛矿太阳能电池引起了广泛关注，并被认为是下一代太阳能电池，作为第一代的钙钛矿太阳能电池，铅基钙钛矿太阳能电池的效率已从开始的3.8％提升到了25.5％。
通常的钙钛矿太阳能电池结构分为正置结构和反置结构两种。无论是正置还是反置结构都是需要电子传输层和空穴传输层。电子传输层可以降低电极和钙钛矿之间的势垒，促进载流子的迁移，也可以有效的阻挡空穴，从而抑制电子和空穴在界面处的复合。随着钙钛矿薄膜的生长制备工艺的改善，钙钛矿太阳能电池逐渐趋近于它的理论效率。
要使效能进一步提升，必须精细控制电荷传输层的载流子动力学过程。目前为止，钙钛矿太阳能电池的电子传输材料主要有TiO2、ZnO等金属氧化物以及富勒烯等有机电子传输材料。TiO2是目前最常用的电子传输层材料，但纯TiO2存在禁带宽度较大，且电子迁移率较低等问题。因此为了得到比纯TiO2更好的光学特性，如电导率、电子迁移率、载流子浓度的提高等，很多学者选择使用其他元素来对纯TiO2材料进行掺杂改性。本发明发现Co3+对TiO2材料掺杂可以很好的提升钙钛矿太阳能电池的光学性能和效率；为此，提出一种钙钛矿太阳能电池电子传输层及其制备方法。
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及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，所述钙钛矿太阳能电池电子传输层由以下原材料组成：FTO导电玻璃层、电子传输层、介孔薄膜层、钙钛矿薄膜层、空穴传输层、金属电极。
本发明还提供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：
S1、工作人员先将FTO导电玻璃进行玻璃清理剂进行预处理；
S2、再将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入到无水正丁醇中，并在溶液中加入FK209Co(Ⅲ)，进行充分摇匀溶解后，将其旋涂到FTO导电玻璃上进行干燥处理，使其形成致密层薄膜；
S3、用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成的溶液旋涂于形成的致密层薄膜上，并进行退火处理，使其形成介孔薄膜层；
S4、再将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶解于二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)的形成的混合液中，并进行充分的搅拌，以此得到所需的钙钛矿前驱体溶液，再将获取的钙钛矿前驱体溶液旋涂到形成的介孔薄膜层上，并滴加乙醚反溶剂及进行退火处理使其形成钙钛矿薄膜层；
S5、在形成的钙钛矿薄膜层上，工作人员旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并利用GBL刮蹭出FTO电极。
S6、最后利用真空蒸镀装置将Au沉积于空穴传输层基底上，使其形成电池器件。
作为优选，上述在所述S1中，玻璃清洗剂与去离子水的体积比是1：3。
作为优选，上述在所述S2中，二异丙氧基双乙酰丙酮钛和无水正丁醇的体积比是1：16。
作为优选，上述在所述S1中，先清洗FTO导电玻璃，依次分别采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇和去离子水超声清洗FTO导电玻璃。
作为优选，上述在所述S1中，在清洗干净的FTO导电玻璃上，旋涂制备好的电子传输层材料，旋涂结束后，放入鼓风干燥箱干燥。
作为优选，上述鼓风干燥箱干燥温度为120℃，时间为10min。
作为优选，上述烘箱完成烘干后，工作人员通过紫外臭氧装置处理后待用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过Co3+对TiO2材料掺杂可以很好的提升钙钛矿太阳能电池的光学性能和效率，电子传输层的掺杂，优化了电池的稳定性和光学性能如：开路电压、光电转化率，其具体采用二异丙氧基双乙酰丙酮钛、无水正丁醇、FK209Co(Ⅲ)为原料，制备掺杂Co3+的电子传输层，并通过掺杂金属离子和一步旋涂法，提高了电子传输层的导电率和电子迁移率，进而提升了钙钛矿太阳能电池的光电性能及效率。
附图说明
图1是本发明实施例2、3、4制备得到的钙钛矿太阳能电池的性能参数；
图2是本发明实施例2、3、4制备得到的钙钛矿太阳能电池的瞬态光致发光光谱；
图3是本发明实施例2、3、4制备得到的钙钛矿太阳能电池的稳态光致发光光谱；
图4为本发明的钙钛矿太阳能电池电子传输层制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，钙钛矿太阳能电池电子传输层由以下原材料组成：FTO导电玻璃层、电子传输层、介孔薄膜层、钙钛矿薄膜层、空穴传输层、金属电极。
本发明还提供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：
S1、工作人员先将FTO导电玻璃进行玻璃清理剂进行预处理；
S2、再将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入到无水正丁醇中，并在溶液中加入FK209Co(Ⅲ)，进行充分摇匀溶解后，将其旋涂到FTO导电玻璃上进行干燥处理，使其形成致密层薄膜；
S3、用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成的溶液旋涂于形成的致密层薄膜上，并进行退火处理，使其形成介孔薄膜层；
S4、再将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶解于二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)的形成的混合液中，并进行充分的搅拌，以此得到所需的钙钛矿前驱体溶液，再将获取的钙钛矿前驱体溶液旋涂到形成的介孔薄膜层上，并滴加乙醚反溶剂及进行退火处理使其形成钙钛矿薄膜层；
S5、在形成的钙钛矿薄膜层上，工作人员旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并利用GBL刮蹭出FTO电极。
S6、最后利用真空蒸镀装置将Au沉积于空穴传输层基底上，使其形成电池器件。
本实施例中，具体的：在S1中，玻璃清洗剂与去离子水的体积比是1：3。
本实施例中，具体的：在S2中，二异丙氧基双乙酰丙酮钛和无水正丁醇的体积比是1：16。
本实施例中，具体的：在S1中，先清洗FTO导电玻璃，依次分别采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇和去离子水超声清洗FTO导电玻璃。
本实施例中，具体的：在S1中，在清洗干净的FTO导电玻璃上，旋涂制备好的电子传输层材料，旋涂结束后，放入鼓风干燥箱干燥。
本实施例中，具体的：鼓风干燥箱干燥温度为120℃，时间为10min。
本实施例中，具体的：烘箱完成烘干后，工作人员通过紫外臭氧装置处理后待用。
实施例2
(1)、FTO导电玻璃的清洗：将FTO导电玻璃依次用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗25min，然后再120℃的烘箱中干燥去除表面的水分，将干燥后的FTO导电玻璃用紫外-臭氧装置处理25min，等待备用；
(2)、致密薄膜层的制备：(FK209Co(Ⅲ)与二异丙氧基双乙酰丙酮钛摩尔比是1：100)，按摩尔比取定量的二异丙氧基双乙酰丙酮钛和定量的FK209Co(Ⅲ)，加入到无水正丁醇，溶解摇匀后将溶液旋涂到FTO导电玻璃上，100℃左右退火8min；
(3)、介孔薄膜层的制备：将二氧化钛浆料和无水乙醇按照一定质量比配制成溶液，搅拌15h待用，将上述溶液旋涂于已沉积致密薄膜的FTO导电玻璃上，500℃退火50min；
(4)、钙钛矿吸光层的制备：将碘甲脒、碘化铅、氯甲胺溶于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中混合溶液中，搅拌6h，得到钙钛矿前驱体溶液并通过4000rpm旋涂到步骤三处理后的FTO导电玻璃上，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后120℃阶梯退火5min。
实施例3
(1)、FTO导电玻璃的清洗：将FTO导电玻璃依次用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗28min，然后再120℃的烘箱中干燥去除表面的水分，将干燥后的FTO导电玻璃用紫外-臭氧装置处理28min，等待备用；
(2)、致密薄膜层的制备：(FK209Co(Ⅲ)与二异丙氧基双乙酰丙酮钛摩尔比是1：500)，按摩尔比取定量的二异丙氧基双乙酰丙酮钛和定量的FK209Co(Ⅲ)，加入到无水正丁醇，溶解摇匀后将溶液旋涂到FTO导电玻璃上，100℃左右退火10min；
(3)、介孔薄膜层的制备：将二氧化钛浆料和无水乙醇按照一定质量比配制成溶液，搅拌18h待用，将上述溶液旋涂于已沉积致密薄膜的FTO导电玻璃上，550℃退火50min；
(4)、钙钛矿吸光层的制备：将碘甲脒、碘化铅、氯甲胺溶于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中混合溶液中，搅拌8h，得到钙钛矿前驱体溶液并通过5000rpm旋涂到步骤三处理后的FTO导电玻璃上，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后130℃阶梯退火8min。
实施例4
(1)、FTO导电玻璃的清洗：将FTO导电玻璃依次用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇、去离子水超声清洗30min，然后再120℃的烘箱中干燥去除表面的水分，将干燥后的FTO导电玻璃用紫外-臭氧装置处理30min，等待备用；
(2)、致密薄膜层的制备：(FK209Co(Ⅲ)与二异丙氧基双乙酰丙酮钛摩尔比是1：1000)，按摩尔比取定量的二异丙氧基双乙酰丙酮钛和定量的FK209Co(Ⅲ)，加入到无水正丁醇，溶解摇匀后将溶液旋涂到FTO导电玻璃上，100℃左右退火15min；
(3)、介孔薄膜层的制备：将二氧化钛浆料和无水乙醇按照一定质量比配制成溶液，搅拌22h待用，将上述溶液旋涂于已沉积致密薄膜的FTO导电玻璃上，600℃退火50min；
(4)、钙钛矿吸光层的制备：将碘甲脒、碘化铅、氯甲胺溶于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺中混合溶液中，搅拌12h，得到钙钛矿前驱体溶液并通过6000rpm旋涂到步骤三处理后的FTO导电玻璃上，在旋涂停止前20s滴加乙醚作为反溶剂，旋涂完成后150℃阶梯退火10min。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池由以下原材料组成：FTO导电玻璃层、电子传输层、介孔薄膜层、钙钛矿薄膜层、空穴传输层、金属电极；其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
S1、工作人员先将FTO导电玻璃进入玻璃清理剂进行预处理，先清洗FTO导电玻璃，依次分别采用去离子水、玻璃清洗剂、异丙醇、乙醇和去离子水超声清洗FTO导电玻璃，玻璃清洗剂与去离子水的体积比是1：3；
S2、再将二异丙氧基双乙酰丙酮钛加入到无水正丁醇中，并在溶液中加入FK209Co(Ⅲ)，进行充分摇匀溶解后，将其旋涂到FTO导电玻璃上进行干燥处理，使其形成致密层薄膜，FK209Co(Ⅲ)与二异丙氧基双乙酰丙酮钛摩尔比是1：1000；
S3、用二氧化钛浆料和无水乙醇配制成的溶液旋涂于形成的致密层薄膜上，并进行退火处理，使其形成介孔薄膜层；
S4、再将碘甲脒、碘化铅和氯甲胺溶解于二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)的形成的混合液中，并进行充分的搅拌，以此得到所需的钙钛矿前驱体溶液，再将获取的钙钛矿前驱体溶液旋涂到形成的介孔薄膜层上，并滴加乙醚反溶剂及进行退火处理使其形成钙钛矿薄膜层；
S5、在形成的钙钛矿薄膜层上，工作人员旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD，并利用GBL刮蹭出FTO电极；
S6、最后利用真空蒸镀装置将Au沉积于空穴传输层基底上，使其形成电池器件。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，在所述S2中，二异丙氧基双乙酰丙酮钛和无水正丁醇的体积比是1：16。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，在所述S1中，在清洗干净的FTO导电玻璃上，旋涂制备好的电子传输层材料，旋涂结束后，放入鼓风干燥箱干燥。
4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，鼓风干燥箱干燥温度为120℃，时间为10min。
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