具体实施方式
鉴于现有技术的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案,其主要是提供一种钙钛矿太阳能电池以及制备方法,所述的电池自下往上依次包括:透明导电薄膜、空穴传输层、钙钛矿层、富勒烯电子传输层、金属氧化物电极修饰层以及金属顶电极层,所述的金属氧化物是结合了表面硅烷偶联剂和酰氯化合物修饰获得。
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例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。
本发明实施例的一个方面提供了一种钙钛矿太阳能电池,其包括沿设定方向依次设置的底电极、空穴传输层、钙钛矿层、富勒烯电子传输层、金属氧化物电极修饰层及顶电极,所述金属氧化物电极修饰层是金属氧化物纳米颗粒经由硅烷偶联剂、具有酰氯基团的化合物两步化学修饰而获得;
其中,所述硅烷偶联剂的结构通式为(R1O)3-Si-R2-R3,其中,R1包括取代或未取代的C1~C4的烷基,R2包括具有取代或未取代的C1~C18的烷基的直链或带支链烷基、具有取代或未取代的C2-C18的且至少一个双键的直链或带支链烯基、具有取代或未取代的C2-C18的且至少一个三键的直链或带支链炔基、具有取代或未取代的C3-C18的饱和的或至少部分不饱和的环烷基或者不含或至少含有一个-NH-,R3包括-OH、-NH2、乙烯基、丙烯酸酯基团、环氧基团、卤素基团或碱金属基团;
所述具有酰氯基团的化合物的结构通式为R-(COCl)x,其中,R包括烷基、苯基、氟代苯基或氯代苯基,x为1~5中的任一整数。
在一些优选实施例中,所述的金属氧化物电极修饰层是结合硅烷偶联剂修饰以及酰氯化合物二步修饰获得的。
在一些优选实施例中,所述R1可以优选包括甲基、乙基、异丙基或丁基等,但不限于此。
在一些优选实施例中,R2为具有C1-C18的直链或带支链烷基、具有C2-C18的一个或多个双健的直链或带支链烯基、具有C2-C18的一个或多个三健的直链或带支链炔基、具有C3-C18的饱和的、部分或全部不饱和的环烷基,不含或含有一个或多个-NH-。
进一步地,所述R3为-OH,-NH2,-乙烯基,-丙烯酸酯,-环氧基团,-卤素元素,-碱金属等,优选为-NH2。
在一些更为具体的优选实施例中,所述硅烷偶联剂为具有氨基封端官能团的硅烷偶联剂,例如可以包括3-氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane,APTMS)、N-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane,APTES)、3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷(3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]propyl-trimethoxysilane,AETPE)等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
在一些优选实施例中,所述金属氧化物电极修饰层的制备方法包括:
先使金属氧化物纳米颗粒与长烷基链有机配体结合,再以具有亲水性官能团的硅烷偶联剂进行表面修饰,形成硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒;所述硅烷偶联剂的结构通式为(R1O)3-Si-R2-R3,其中,R1包括取代或未取代的C1~C4的烷基,R2包括具有取代或未取代的C1~C18的烷基的直链或带支链烷基、具有取代或未取代的C2-C18的且至少一个双键的直链或带支链烯基、具有取代或未取代的C2-C18的且至少一个三键的直链或带支链炔基、具有取代或未取代的C3-C18的饱和的或至少部分不饱和的环烷基或者不含或至少含有一个-NH-,R3包括-OH、-NH2、乙烯基、丙烯酸酯基团、环氧基团、卤素基团或碱金属基团;
使所述硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒与具有酰氯基团的化合物反应,获得两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒;
将所述两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒均匀分散于溶剂中,获得基于化学修饰的金属氧化物墨水;
使所述基于化学修饰的金属氧化物墨水形成金属氧化物薄膜,获得金属氧化物电极修饰层。
在一些优选实施例中,所述金属氧化物纳米颗粒的材质可以选自氧化锌、氧化锡、氧化钛等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。这些氧化物都具有良好的电子传输性能,适用于阴极界面修饰。除此之外,一些其他元素掺杂的氧化锌或氧化钛或氧化锡,如Al、Cs、Mg掺杂ZnO,In掺杂SnO2等,也可以用于光电子器件阴极的修饰,这些元素的掺杂能够改善金属氧化物的功函、载流子浓度以及载流子迁移率,从而有效改性器件阴极修饰效果。
进一步地,所述金属氧化物纳米颗粒的材质包括氧化锌、氧化锡、氧化钛、铝掺杂氧化锌、铯掺杂氧化锌、镁掺杂氧化锌、铟掺杂氧化锌、铟掺杂氧化锡等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,为了保证金属氧化物纳米颗粒在有机溶剂中的良好分散性能,所述金属氧化物纳米颗粒的粒径大小通常为3~50nm,优选为5~15nm。
在一些优选实施例中,所述具有酰氯基团的化合物的结构通式为R-(COCl)x,其中,R可以是烷基、苯基、氟代苯基或氯代苯基等,x可以为1~5中的任一整数,如1、2、3、4、5等。
进一步地,所述具有酰氯基团的化合物可以选自苯甲酰氯、苯二甲酰氯、对苯三甲酰氯、五氟苯酰氯、乙酰氯、丙烯酰、环戊基乙酰氯等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
在一些优选实施例中,所述钙钛矿层包括钙钛矿材料,所述钙钛矿材料的结构通式为ABX3,其中,A为一价(I价)阳离子,B为二价(II价)阳离子,X为卤素阴离子。
进一步地,所述A包括甲基铵阳离子、甲醚阳离子、金属铯离子等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述B包括Pb2+、Sn2+等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述X包括氯离子、溴离子、碘离子等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
在一些优选实施例中,所述底电极包括金属氧化物电极、金属栅电极、金属纳米线电极等中的任意一种或两种以上的组合,例如ITO(氧化铟锡)透明电极,但不限于此。
进一步地,所述空穴传输层的材质包括PEDOT:PSS、PTAA、NiO等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述富勒烯电子传输层的材质包括富勒烯衍生物,但不限于此。
进一步地,所述顶电极包括金属Al、Ag、金属纳米银线、铜线等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述底电极的厚度为100~300nm。
进一步地,所述空穴传输层的厚度为10~100nm。
进一步地,所述钙钛矿层的厚度为180~500nm。
进一步地,所述富勒烯电子传输层的厚度为20~60nm。
进一步地,所述金属氧化物电极修饰层的厚度为10~120nm。
进一步地,所述顶电极的厚度在70nm以上,顶电极的厚度一般超过70nm左右,满足导电性即可。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法,其包括在底电极上依次沉积形成所述的空穴传输层、钙钛矿层、富勒烯电子传输层、金属氧化物电极修饰层以及顶电极的步骤,并且,制作所述金属氧化物电极修饰层的步骤包括:
先使金属氧化物纳米颗粒与长烷基链有机配体结合,再以具有亲水性官能团的硅烷偶联剂进行表面修饰,形成硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒;所述硅烷偶联剂的结构通式为(R1O)3-Si-R2-R3,其中,R1包括取代或未取代的C1~C4的烷基,R2包括具有取代或未取代的C1~C18的烷基的直链或带支链烷基、具有取代或未取代的C2-C18的且至少一个双键的直链或带支链烯基、具有取代或未取代的C2-C18的且至少一个三键的直链或带支链炔基、具有取代或未取代的C3-C18的饱和的或至少部分不饱和的环烷基或者不含或至少含有一个-NH-,R3包括-OH、-NH2、乙烯基、丙烯酸酯基团、环氧基团、卤素基团或碱金属基团;
使所述硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒与具有酰氯基团的化合物反应,获得两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒;
将所述两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒均匀分散于溶剂中,获得基于化学修饰的金属氧化物墨水;
使所述基于化学修饰的金属氧化物墨水形成金属氧化物薄膜,获得金属氧化物电极修饰层。
在一些优选实施例中,所述R1可以优选包括甲基、乙基、异丙基或丁基等,但不限于此。
在一些优选实施例中,R2为具有C1-C18的直链或带支链烷基、具有C2-C18的一个或多个双健的直链或带支链烯基、具有C2-C18的一个或多个三健的直链或带支链炔基、具有C3-C18的饱和的、部分或全部不饱和的环烷基,不含或含有一个或多个-NH-。
进一步地,所述R3为-OH,-NH2,-乙烯基,-丙烯酸酯,-环氧基团,-卤素元素,-碱金属等,优选为-NH2。
在一些更为具体的优选实施例中,所述硅烷偶联剂为具有氨基封端官能团的硅烷偶联剂,例如可以包括3-氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane,APTMS)、N-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷(N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane,APTES)、3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷(3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]propyl-trimethoxysilane,AETPE)等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
在一些优选实施例中,所述制备方法具体包括:将金属氧化物纳米颗粒与长烷基链有机配体均匀混合,并于60~110℃反应2~30min,并将反应物分散于第一有机溶剂中,形成长烷基链有机配体包覆的金属氧化物纳米颗粒的溶液,之后加入硅烷偶联剂和有机碱,并加热至80~100℃反应10~60min,并将反应物分散于第二有机溶剂中,获得硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒的溶液。
在一些优选实施例中,所述金属氧化物纳米颗粒的材质可以选自氧化锌、氧化锡、氧化钛等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。这些氧化物都具有良好的电子传输性能,适用于阴极界面修饰。除此之外,一些其他元素掺杂的氧化锌或氧化钛或氧化锡,如Al、Cs、Mg掺杂ZnO,In掺杂SnO2等,也可以用于光电子器件阴极的修饰,这些元素的掺杂能够改善金属氧化物的功函、载流子浓度以及载流子迁移率,从而有效改性器件阴极修饰效果。
进一步地,所述金属氧化物纳米颗粒的材质包括氧化锌、氧化锡、氧化钛、铝掺杂氧化锌、铯掺杂氧化锌、镁掺杂氧化锌、铟掺杂氧化锌、铟掺杂氧化锡等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,为了保证金属氧化物纳米颗粒在有机溶剂中的良好分散性能,所述金属氧化物纳米颗粒的粒径大小通常为3~50nm,优选为5~15nm。
在一些优选实施例中,所述长烷基链有机配体的封端基团为羧基或氨基,优选包括油酸、油胺和十六胺等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。使金属氧化物纳米粒子进行长烷基链有机配体结合,可以有效的降低金属氧化物纳米颗粒之间发生团聚,同时也有助于金属氧化物纳米颗粒很好的分散在有机溶剂中。其中,所述的有机溶剂为氯仿、甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、二氯苯等中的任一种或两种以上的组合。
进一步地,所述长烷基链有机配体与金属氧化物纳米颗粒和第一溶剂的组合的体积比为0.5~10∶100。
在一些优选实施例中,所述金属氧化物纳米颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1∶0.1~1∶0.5,优选为1∶0.1~1∶0.3。进一步地,在本发明的金属氧化物墨水中,过高的硅烷偶联剂将极大的降低金属氧化物纳米颗粒的电学性能,过低的硅烷偶联剂比例则难以实现金属氧化物纳米颗粒生成澄清稳定的墨水,导致无法形成致密的复合薄膜。
进一步地,所述第一有机溶剂包括氯仿、甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、二氯苯等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述第二有机溶剂包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙二醇、乙二醇单甲醚等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述有机碱包括四甲基氢氧化铵,但不限于此。
进一步地,所述有机碱与金属氧化物纳米颗粒的摩尔比为0.05∶1~0.3∶1。
在一些优选实施例中,所述制备方法具体包括:使所述硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒的溶液、具有酰氯基团的化合物和第三有机溶剂均匀混合,并于50~80℃搅拌反应1~4h,获得所述两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒。
在一些优选实施例中,所述具有酰氯基团的化合物的结构通式为R-(COCl)x,其中,R可以是烷基、苯基、氟代苯基或氯代苯基等,x可以为1~5中的任一整数,如1、2、3、4、5等。
进一步地,所述具有酰氯基团的化合物可以选自苯甲酰氯、苯二甲酰氯、对苯三甲酰氯、五氟苯酰氯、乙酰氯、丙烯酰、环戊基乙酰氯等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述具有酰氯基团的化合物与金属氧化物纳米颗粒之间的质量比为1∶2~1∶20之间。
进一步地,所述第三有机溶剂包括二甲基亚砜,但不限于此。
进一步地,所述制备方法具体包括:将所述两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒均匀分散于溶剂中,获得基于化学修饰的金属氧化物墨水。
在一些优选实施例中,所述溶剂可以选自有机醇、丙酮、氯仿、甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、二氯苯等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述有机醇可以选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙二醇、乙二醇单甲醚等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
其中,在一些较为具体的实施例中,制备所述基于化学修饰的纳米金属氧化物墨水的合成方法包括:将金属氧化物纳米颗粒与长烷基链有机配体结合,分散于有机溶剂中,在通过配体交换,使用一定量的硅烷偶联剂进行表面修饰;然后通过酰氯基团与氨基之间的化学反应,实现在硅烷偶联剂包覆的氧化锌表面进行第二步的化学修饰。基于上述化学修饰的金属氧化物纳米颗粒可以通过干燥,和再分散的方法,最后分散在有机醇、甲苯、氯仿等溶剂中,形成墨水。
其中,在一些更为具体的实施方案中,所述基于化学修饰的金属氧化物墨水的制备方法可以包括如下步骤:
(a)将所述金属氧化物纳米颗粒与长烷基链有机配体均匀混合,加热搅拌反应,离心清洗后溶解于第一有机溶剂中,形成澄清溶液(即长烷基链有机配体包覆的金属氧化物纳米颗粒的溶液);
(b)将澄清溶液中加入一定量的硅烷偶联剂,加热反应,离心清洗后超声分散于第二有机溶剂中,形成硅烷偶联剂包覆的金属氧化物纳米颗粒;
其中,所述第一有机溶剂为氯仿、甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、二氯苯等中的任一种或两种以上的组合,所述第二有机溶剂至少选自于甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙二醇、乙二醇单甲醚等中的任一种或两种以上的组合;
(c)将硅烷偶联剂修饰的金属氧化物纳米颗粒分散于DMSO中,记为溶液A,将酰氯化合物溶解在DMSO中,记为溶液B;将溶液A和溶液B两者混合,在50~80℃搅拌反应1~4小时,最终获得基于两步化学修饰的金属氧化物纳米材料。
所述基于化学修饰的金属氧化物墨水包括两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒以及溶剂,所述两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒包括金属氧化物纳米颗粒、修饰于所述金属氧化物纳米颗粒表面的硅烷偶联剂基团,以及与所述硅烷偶联剂基团的氨基相键合的、具有酰氯基团的化合物配体基团。
在一些优选实施例中,所述基于化学修饰的金属氧化物墨水中两步化学修饰的金属氧化物纳米颗粒的浓度(重量/体积浓度)为0.5~60mg/ml。更低的固含量使得复合墨水加工制备薄膜过程中复合物沉积量不足,更高的固含量浓度容易导致固体析出。
本发明的基于化学修饰的金属氧化物墨水具有较好的稳定性,在空气环境下放置12个月后,制备的太阳能电池器件性能并没有明显衰减。
在一些优选实施例中,所述制备方法包括:至少采用涂布、印刷中的任一种方式形成所述金属氧化物薄膜。
在一些实施例中,采用的成膜方式包括涂布或印刷方式,所述涂布方式可以包括但不限于旋转涂膜、刮刀涂布、狭缝涂布等方法中的至少任一种,所述印刷方式可以包括但不限于喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、柔版转印等方法中的至少任一种。
本发明的金属氧化物薄膜可以通过旋转涂布、刮刀涂布、喷墨打印等多种常见方式沉积,具有加工工艺简单等优势。
进一步地,所述钙钛矿太阳能电池包括沿设定方向依次设置的底电极(如ITO透明电极)、空穴传输层(如PEDOT:PSS)、钙钛矿光活性层、电子传输层(富勒烯电子传输层)、金属氧化物电极修饰层及金属顶电极。
其中,进一步地,在本发明的一典型实施方案之中,请参见图2所示,本发明的技术路线可以概括为:
1.金属氧化物纳米颗粒合成(以氧化锌为例):
以ZnO纳米颗粒的合成为例:以锌盐作为原料,溶解于无水甲醇中,加热至60~65℃,加以搅拌,逐滴加入KOH的甲醇溶液,60℃恒温加热搅拌2h,得到ZnO纳米颗粒。
2.金属氧化物纳米颗粒第一步修饰:
反应所得到的金属氧化物纳米颗粒经过静置沉淀、溶剂清洗、离心分离、以及超声分散于乙醇后,加入油酸70μl/100mg,加热至60~110℃保持搅拌2~30min后,停止反应,冷却至室温,离心后溶解在甲苯中,得到油酸包覆的ZnO纳米颗粒。之后,加入硅烷偶联剂和有机碱,加热至80~100℃保持搅拌10~60min后,停止反应,冷却至室温,离心后超声分散在乙醇中,获得硅烷修饰的氧化锌纳米颗粒ZnO@APTMS。
3.金属氧化物纳米颗粒的第二步修饰
使用步骤2所得乙醇分散的ZnO@APTMS为原料,将酰氯苯以及五氟酰氯苯溶解至DMSO,与ZnO@APTMS溶液进行混合,在50~80℃加热搅拌1~4小时,停止反应。将获得产物进行离心清洗,干燥成粉末。
4.基于化学修饰的纳米金属氧化物阴极修饰层的制备:
利用化学修饰的纳米颗粒墨水,可以通过旋涂、喷涂、刮刀涂布等工艺来制备薄膜。首先化学修饰的氧化锌颗粒分散在有机溶剂中,随后使用上述溶液加工方法进行制备。
5.基于化学修饰的纳米颗粒在钙钛矿太阳能电池中的应用,该复合墨水可以通过旋涂、刮涂等方法在富勒烯电子传输层上;
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括:
提供一种底电极;
从下往上依次沉积所述的空穴传输层、钙钛矿活性层、富勒烯电子传输层、金属氧化物电极修饰层以及顶电极。
所述的金属氧化物电极修饰层的制备方法为:将硅烷偶联剂和酰氯化合物两步修饰的纳米材料,分散于多种有机溶解中,形成墨水;利用墨水经过旋涂制备获得该金属氧化物薄膜。
综上所述,本发明提供的金属氧化物电极修饰层在富勒烯衍生物的电子传输层上具有良好的成膜性,同时可以有效的阻止钙钛矿电池中的离子迁移问题,获得长时间以及加热条件下的热稳定性,能够提供稳定性更高的钙钛矿太阳能电池。
下为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及若干优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,但其中的实验条件和设定参数不应视为对本发明基本技术方案的局限。并且本发明的保护范围不限于下述的实施例。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1,以下实施例提供的钙钛矿太阳能电池包括底电极、从下而上依次包括空穴传输层、钙钛矿光活性层、富勒烯电子传输层、金属氧化物电极修饰层以及顶电极层。以下实施例中的金属氧化物是结合了表面硅烷偶联剂和酰氯化合物修饰获得的。
对照例1
1.ZnO纳米颗粒的制备:取2.950g二水合醋酸锌,溶于125ml无水甲醇中,加热搅拌至60℃。取1.480g氢氧化钾,溶于65ml无水甲醇,超声溶解,将氢氧化钾的甲醇溶液逐滴快速加入醋酸锌溶液中,在60~65℃加热条件下,600rpm磁力搅拌2h。反应过程中,溶液先是由无色,然后出现白色沉淀至沉淀逐渐消失,溶液变为浅蓝色,约2h后出现白色沉淀,继续加热0.5h,停止加热,反应完成。
2.ZnO乙醇分散液的制备:ZnO纳米颗粒制备完成后,反应液静置3h,移去上层清液,加入50ml无水甲醇,600rpm搅拌10min后静置过夜;上层清液和白色沉淀完全分层后移去上层清液,加入50mL无水甲醇,600rpm搅拌10min,然后4000rpm离心10min,保留沉淀即为ZnO纳米颗粒。在白色沉淀中加入无水乙醇,超声分散获得浅蓝色透明的ZnO纳米颗粒的分散液,稀释后配制得到浓度为10mg/ml。
3.ZnO@油酸复合墨水的制备:得到ZnO乙醇分散液后,基于ZnO的质量,以70μl/100mg的比例加入油酸,超声10min后,加热至70℃保持搅拌10min后,停止反应,冷却至室温,离心后溶解在甲苯中,配制得到浓度为10mg/ml,得到油酸包覆的ZnO纳米颗粒。
4.ZnO@APTMS复合墨水的制备:取浓度为10mg/ml的ZnO@油酸墨水15ml,加入2ml浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,加热至85℃产生大量白色沉淀,保持搅拌15min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至85℃,保持搅拌30min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/ml的ZnO@APTMS复合墨水。
将该ZnO@APTMS复合墨水用于钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积PEDOT:PSS、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积ZnO@APTMS层,最后利用热蒸发方法制备Al电极,实现完整器件的制备。所获器件的光照稳定性、空气稳定性以及热稳定性可参见图4-图6。
实施例1:结构为ITO/PEDOT:PSS/PVSC/PCBM/ZnO@APTMS@PFBC/Al的电池
其中ZnO@APTMS@PFBC为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯甲酰氯两步修饰的氧化锌
基于ZnO@APTMS@PFBC为修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积PEDOT:PSS、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积ZnO@APTMS@PFBC层,最后利用热蒸发方法制备Al电极,实现完整器件的制备,所得器件结构如图1所示。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的PEDOT:PSS为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:在富勒烯电子传输层上采用旋涂的方法,利用浓度为10mg/mL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯酰氯两步修饰ZnO墨水,在3000rpm条件下制备获得厚度为30nm的金属氧化物电极修饰层。
其中,3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯酰氯两步修饰ZnO墨水的方法具体包括:
1.ZnO纳米颗粒的制备:取2.950g二水合醋酸锌,溶于125ml无水甲醇中,加热搅拌至60℃。取1.480g氢氧化钾,溶于65ml无水甲醇,超声溶解,将氢氧化钾的甲醇溶液逐滴快速加入醋酸锌溶液中,在60~65℃加热条件下,600rpm磁力搅拌2h。反应过程中,溶液先是由无色,然后出现白色沉淀至沉淀逐渐消失,溶液变为浅蓝色,约2h后出现白色沉淀,继续加热0.5h,停止加热,反应完成。
2.ZnO乙醇分散液的制备:ZnO纳米颗粒制备完成后,反应液静置3h,移去上层清液,加入50ml无水甲醇,600rpm搅拌10min后静置过夜;上层清液和白色沉淀完全分层后移去上层清液,加入50mL无水甲醇,600rpm搅拌10min,然后4000rpm离心10min,保留沉淀即为ZnO纳米颗粒。在白色沉淀中加入无水乙醇,超声分散获得浅蓝色透明的ZnO纳米颗粒的分散液,稀释后配制得到浓度为10mg/ml。
3.ZnO@油酸复合墨水的制备:得到ZnO乙醇分散液后,基于ZnO的质量,以70μl/100mg的比例加入油酸,超声10min后,加热至70℃保持搅拌10min后,停止反应,冷却至室温,离心后溶解在甲苯中,配制得到浓度为10mg/ml,得到油酸包覆的ZnO纳米颗粒。
4.ZnO@APTMS复合墨水的制备:取浓度为10mg/ml的ZnO@油酸墨水15ml,加入2ml浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,ZnO纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.1,四甲基氢氧化铵与ZnO纳米颗粒的摩尔比为0.05∶1,加热至85℃产生大量白色沉淀,保持搅拌15min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至85℃,保持搅拌30min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/ml的ZnO@APTMS复合墨水。
5.ZnO@APTMS@PFBC墨水的制备:将ZnO@APTMS在乙醇中的分散液与五氟苯酰氯的乙醇溶液混合,其中,五氟苯酰氯与ZnO纳米颗粒的质量比为1∶2,于70℃加热搅拌2个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得ZnO@ZnO@APTMS@PFBC可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
金属顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备Al电极为电池的顶电极。
在常规不含有金属氧化物修饰层的器件中,由于PCBM层在钙钛矿上杂乱分布,而且由于PCBM为小分子层,不够致密。钙钛矿为离子晶体,其中的卤素离子,甲胺离子等都容易在各层间迁移。当钙钛矿中的卤素离子或者甲胺离子迁移到金属顶电极处或者PCBM层中时,会造成钙钛矿电池性能的下降。所以常规不含有只含有PCBM电子传输层的器件,在持续光照条件,在空气中保存以及在持续加热条件下都表现出快速衰减的现象。
N型金属氧化可以很好的修饰富勒烯材料,形成界面能级匹配。但是在钙钛矿太阳能电池中,使用氧化锌依然存在热稳定性差的问题。这是由于溶液法制备的氧化锌表面基团容易与钙钛矿层发生反应,从而加入钙钛矿层的分解和器件老化。
本发明中,由于PFBC在氧化锌表面形成良好的修饰效果,而PFBC具有疏水特性,使得钙钛矿与ZnO之间反应的问题得到抑制。请参阅图3-图6所示,利用ZnO@APTMS@PFBC修饰PCBM之后,所得钙钛矿薄膜表现出优异的热稳定性,所得钙钛矿薄膜相比于使用PCBM为界面层,组装得到的完整器件相比于使用PCBM为界面层以及以PCBM/ZnO为界面层的器件,具有更优异的持续光照稳定性、空气稳定性以及热稳定性。
实施例2:结构为ITO/PEDOT:PSS/PVSC/PCBM/TiO2@APTMS@PFBC/Ag的电池
其中TiO2@APTMS@PFBC为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯甲酰氯两步修饰的氧化钛
基于TiO2@APTMS@PFBC为修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积PEDOT:PSS、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积TiO2@APTMS@PFBC层,最后利用热蒸发方法制备Ag电极,实现完整器件的制备,所得器件结构如图1所示。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的PEDOT:PSS为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:在富勒烯电子传输层上采用旋涂的方法,利用浓度为10mg/mL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯酰氯两步修饰TiO2墨水,在3000rpm条件下制备获得厚度为30nm的金属氧化物电极修饰层。
其中,3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯酰氯两步修饰TiO2墨水的方法具体包括:
1.TiO2纳米颗粒的制备:首先,水解(Ti(OCH(CH3)2)4获得TiO2溶胶;然后,将0.4mL浓度为0.2mol/L的盐酸稀释到18mL乙醇中;随后,将TiO2和盐酸溶液混合,在冰浴中搅拌5小时,获得透明的TiO2溶胶。然后将溶胶稀释十倍,在高压釜中160℃条件下处理16小时,获得TiO2纳米颗粒。
2.TiO2@APTMS的制备:取一定浓度的TiO2乙醇分散液与油酸混合,加入2ml浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,TiO2纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.3,四甲基氢氧化铵与TiO2纳米颗粒的摩尔比为0.1∶1,加热至60℃产生大量白色沉淀,保持搅拌30min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至85℃,保持搅拌20min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/ml的TiO2@APTMS复合墨水。
3.TiO2@APTMS@PFBC的制备:将TiO2@APTMS在乙醇中的分散液与五氟苯酰氯的乙醇溶液混合,其中,五氟苯酰氯与TiO2纳米颗粒的质量比为1∶3,于50℃加热搅拌4个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得TiO2@APTMS@PFBC可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
金属顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备Ag电极为电池的顶电极。
实施例3:结构为ITO/PEDOT:PSS/PVSC/PCBM/SnO2@APTMS@BC2/Al的电池
其中SnO2@APTMS@BC2为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡
基于3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡(SnO2@APTMS@BC2)为修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积PEDOT:PSS、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积SnO2@APTMS@BC2层,最后利用热蒸发方法制备Al电极,实现完整器件的制备,所得器件结构可参考图1所示。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的PEDOT:PSS为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:在富勒烯电子传输层上采用旋涂的方法,利用浓度为10mg/mL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰SnO2墨水,在3000rpm条件下制备获得厚度为30nm的金属氧化物电极修饰层。
其中,3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰SnO2墨水的方法具体包括:
1.SnO2纳米颗粒的制备:采用水热法合成SnO2纳米颗粒,具体如下:将0.35gSnCl4·5H2O与8mL四羟基基氢氧化铵(TMAH)依次加入到3mL乙醇中,持续超声搅拌10分钟溶解,然后加热至100℃,保持12小时,获得SnO2的溶胶;随后将获得溶胶转移至混水热反应釜中,在200℃保持12小时。所得的产物经过高速离心,用去离子水清洗数次之后,便获得所得的纳米颗粒。
2.SnO2@APTMS的制备:将步骤1制备的SnO2纳米颗粒分散于乙醇中,取一定浓度的SnO2乙醇分散液与油酸混合,加入2mL浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1ol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,SnO2纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.5,四甲基氢氧化铵与SnO2纳米颗粒的摩尔比为0.2∶1,加热至80℃产生大量白色沉淀,保持搅拌20min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至80℃,保持搅拌60min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/mL的SnO2@APTMS复合墨水。
3.SnO2@APTMS@BC2的制备:将SnO2@APTMS在乙醇中的分散液与联苯四酰氯的乙醇溶液混合,其中,联苯四酰氯与SnO2纳米颗粒的质量比为1∶5,于60℃加热搅拌2个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得SnO2@APTMS@BC2可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
4.SnO2@APTMS@BC2薄膜的制备:使用浓度为10mg/mL的SnO2@APTMS@BC2墨水,在2000rpm转速下旋涂1分钟,便可以获得薄膜。
金属顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备Al电极为电池的顶电极。
实施例4:结构为ITO/PTAA/PVSC/PCBM/SnO2@APTMS@BC2/Al的电池
其中SnO2@APTMS@BC2为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡
基于3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡(SnO2@APTMS@BC2)为修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积PTAA、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积SnO2@APTMS@BC2层,最后利用热蒸发方法制备Al电极,实现完整器件的制备,所得器件结构可参考图1所示。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的PTAA为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:在富勒烯电子传输层上采用旋涂的方法,利用浓度为10mg/mL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰SnO2墨水,在3000rpm条件下制备获得厚度为30nm的金属氧化物电极修饰层。
其中,3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰SnO2墨水的制备按照实施例3的步骤进行。
金属顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备Al电极为电池的顶电极。
实施例5:结构为ITO/NiO/PVSC/PCBM/SnO2@APTMS@BC2/Al的电池
其中SnO2@APTMS@BC2为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡纳米材料
基于3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡(SnO2@APTMS@BC2)为修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积NiO、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积SnO2@APTMS@BC2层,最后利用热蒸发方法制备Al电极,实现完整器件的制备,所得器件结构可参考图1所示。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的NiO为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:在富勒烯电子传输层上采用旋涂的方法,利用浓度为10mg/mL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰SnO2墨水,在3000rpm条件下制备获得厚度为30nm的金属氧化物电极修饰层,后经过130℃退火10分钟。
其中,3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰SnO2墨水的制备按照实施例3的步骤进行。
金属顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备A1电极为电池的顶电极。
实施例6:结构为ITO/NiO/PVSC/PCBM/SnO2@APTMS@BC2/Ag纳米线的半透明电池
其中SnO2@APTMS@BC2为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡纳米材料
基于3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的氧化锡(SnO2@APTMS@BC2)为修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备:以ITO为电极,依次沉积NiO、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积SnO2@APTMS@BC2层,最后利用喷涂法制备纳米银线顶电极,实现完整器件的制备,所得器件结构可参考图1所示。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的NiO为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
SnO2@APTMS@BC2层的制备:使用浓度为10mg/mL的SnO2@APTMS@BC2的乙醇分散的墨水,采用2000rpm的速度在PCBM上旋涂制备获得金属氧化物层。
其中,SnO2@APTMS@BC2的乙醇分散的墨水的制备按照实施例3的步骤进行。
Ag纳米线顶电极的制备:使用浓度为1mg/mL的纳米银线墨水,基底温度控制在40℃,喷涂速度为3mm/s在金属氧化物电极修饰层上制备半透明顶电极,完成整个电池的制备。
实施例7:结构为AgNWs/NiO/PVSC/PCBM/ZnO@APTMS@BC2/Al纳米线的柔性电池
其中ZnO@APTMS@PFBC为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯甲酰氯两步修饰的氧化锌
钙钛矿太阳能电池的制备:以PET塑料为基底,在上面使用喷涂法印刷制备纳米银线作为底电极,然后在银线电极上依次沉积NiO、钙钛矿薄膜、PCBM薄膜。在PCBM上,利用旋涂方法沉积ZnO@APTMS@PFBC层,最后利用热蒸发方法制备Al电极,实现完整器件的制备。
柔性底电极的制备:使用厚度为125微米的PET作为基底,以浓度为1mg/mL的银纳米线为墨水,控制基板温度为30-80℃,在喷涂速度为5-50mm/s下制备透明底电极。
空穴传输层的制备:在洁净ITO玻璃上沉积一层厚度为30-40nm的NiO为空穴传输层,并在130℃下退火10min。
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH3NH3PbI3作为光活性层,并在130℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:使用浓度为10mg/mL的ZnO@APTMS@PFBC的乙醇分散的墨水,采用2000rpm的速度在PCBM上旋涂制备获得金属氧化物电极修饰层。
其中,ZnO@APTMS@PFBC的乙醇分散的墨水的制备按照实施例1的步骤进行。
顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备Al电极为电池的顶电极。
实施例8:3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的铝掺杂氧化锌纳米颗粒AZO@APTMS@BC2墨水的制备及在钙钛矿太阳能电池中的应用
AZO纳米颗粒的制备:将2g硝酸铝(Al(NO3)3-9H2O,16g醋酸锌(ZnOAc2-2H2O)溶解于甲醇中搅拌15分钟,随后干燥,在400℃下烧结2小时,获得AZO纳米颗粒。
1.AZO@APTMS纳米颗粒的制备:将步骤1制备的AZO纳米颗粒分散于乙醇中,取一定浓度的AZO乙醇分散液与油酸混合,加入2mL浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,AZO纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.4,四甲基氢氧化铵与AZO纳米颗粒的摩尔比为0.3∶1,加热至90℃产生大量白色沉淀,保持搅拌10min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至90℃,保持搅拌30min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/mL的AZO@APTMS复合墨水。
2.AZO@APTMS@BC2墨水的制备及在钙钛矿太阳能电池中的应用:将AZO@APTMS纳米颗粒在乙醇中的分散液与联苯四酰氯的乙醇溶液混合,其中,联苯四酰氯与AZO纳米颗粒的质量比为1∶8,并于60℃加热搅拌2个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得AZO@APTMS@PFBC可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
AZO@APTMS@BC2墨水可以作为钙钛矿太阳能电池的金属电极的修饰层。器件的制备步骤与实施例1基本一致。
实施例9:3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及联苯四酰氯两步修饰的铝掺杂氧化铟锡纳米颗粒ITO@APTMS@BC2墨水的制备及在钙钛矿太阳能电池中的应用
1.ITO纳米颗粒的制备:首先,水解(Ti(OCH(CH3)2)4获得TiO2溶胶;然后,将0.4mL浓度为0.2mol/L的盐酸稀释到18mL乙醇中;随后,将TiO2和盐酸溶液混合,在冰浴中搅拌5小时,获得透明的TiO2溶胶。然后将溶胶稀释十倍,在高压釜中160℃条件下处理16小时,获得TiO2纳米颗粒。
2.ITO@APTMS纳米颗粒的制备:将步骤1制备的ITO纳米颗粒分散于乙醇中,取一定浓度的ITO醇分散液与油酸混合,加入2mL浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,TiO2纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.2,四甲基氢氧化铵与TiO2纳米颗粒的摩尔比为0.2∶1,加热至100℃产生大量白色沉淀,保持搅拌10min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至95℃,保持搅拌20min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/mL的ITO@APTMS复合墨水。
3.ITO@APTMS@BC2纳米颗粒的制备及在钙钛矿太阳能电池中的应用
将ITO@APTMS在乙醇中的分散液与BC2的乙醇溶液混合,其中,BC2与ITO纳米颗粒的质量比为1∶18,于80℃加热搅拌2个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得ITO@APTMS@BC2可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
ITO@APTMS@BC2墨水可以作为钙钛矿太阳能电池的金属电极的修饰层。器件的制备步骤与实施例1基本一致。
实施例10:乙炔基三甲氧基硅烷(VTMS)以及苯酰氯(BC)修饰的氧化锌纳米墨水在钙钛矿太阳能电池中的应用
ZnO@VTMS复合墨水的制备:取浓度为10mg/ml的ZnO@油酸墨水15ml,加入2ml浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,ZnO纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.1,四甲基氢氧化铵与ZnO纳米颗粒的摩尔比为0.08∶1,加热至110℃产生大量白色沉淀,保持搅拌5min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至95℃,保持搅拌20min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/ml的ZnO@VTMS复合墨水。
ZnO@VTMS@BC墨水的制备:将ZnO@VTMS在乙醇中的分散液与苯酰氯的乙醇溶液混合,其中,苯酰氯与ZnO纳米颗粒的质量比为1∶10,于80℃加热搅拌1个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得ZnO@VTMS@BC可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
ZnO@VTMS@BC墨水可以作为钙钛矿太阳能电池的金属电极的修饰层。器件的制备步骤与实施例1基本一致。
实施例11:巯丙基三甲氧硅烷偶联剂(MTSE)以及五氟苯甲酰氯(PFBC)修饰的氧化锌纳米粒子复合墨水在钙钛矿太阳能电池中的应用
ZnO纳米粒子的制备如实施例1。
ZnO@MTSE复合墨水的制备:取浓度为10mg/ml的ZnO@油酸墨水15ml,加入2ml浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,其中,ZnO纳米颗粒与APTMS的质量比为1∶0.3,四甲基氢氧化铵与ZnO纳米颗粒的摩尔比为0.15∶1,加热至110℃产生大量白色沉淀,保持搅拌2min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至100℃,保持搅拌10min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/ml的ZnO@MTSE复合墨水。
ZnO@MTSE@PFBC墨水的制备:将ZnO@MTSE在乙醇中的分散液与PFBC的乙醇溶液混合,其中,PFBC与ZnO纳米颗粒的质量比为1∶15,于70℃加热搅拌3个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得ZnO@MTSE@PFBC可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
ZnO@MTSE@PFBC墨水可以作为钙钛矿太阳能电池的金属电极的修饰层。器件的制备步骤与实施例1基本一致。
实施例12:环氧硅烷偶联剂(ESCA)以及苯酰氯(BC)修饰的氧化锡纳米粒子复合墨水在钙钛矿太阳能电池中的应用
SnO2纳米粒子的制备如实施例3。
SnO2@ESCA复合墨水的制备:取浓度为10mg/ml的SnO2@油酸墨水15ml,加入2ml浓度为0.1mol/L的APTMS甲苯溶液,以及2ml浓度为0.1mol/L的四甲基氢氧化铵(TMAH)乙醇溶液,加热至85℃产生大量白色沉淀,保持搅拌15min后停止反应,冷却至室温,用甲苯溶液清洗2-3次,去除多余的油酸后,再次溶解于15ml甲苯中,并加入2ml浓度为0.1mol/L的TMAH乙醇溶液,加热至85℃,保持搅拌30min后停止反应,冷却至室温,离心去除溶剂后,加入15ml乙醇,超声处理后得到浓度约为10mg/ml的SnO2@ESCA复合墨水。
SnO2@ESCA@BC墨水的制备:将SnO2@ESCA在乙醇中的分散液与苯酰氯的乙醇溶液混合,其中,BC与SnO2纳米颗粒的质量比为1∶20,于80℃加热搅拌2个小时。加入一定量的溶剂,产物便沉淀出来,通过离心清洗,获得产物纳米颗粒。由该方法获得SnO2@ESCA@BC可以通过真空干燥的方法获得干燥粉末,使用前用甲苯、异丙醇、正丁醇等溶剂进行分散,获得可以长时间稳定的墨水。
SnO2@ESCA@BC墨水可以作为钙钛矿太阳能电池的金属电极的修饰层。器件的制备步骤与实施例3基本一致。
实施例13:结构为ITO/PEDOT:PSS/PVSC(FAI)/PCBM/ZnO@APTMS@PFBC/Al的电池
其中ZnO@APTMS@PFBC为3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯甲酰氯两步修饰的氧化锌
ZnO@APTMS@PFBC的合成如实施例1
钙钛矿光活性层的制备:将前驱体溶液的浓度设置为1.35mol/L,采用反溶剂方法在空穴传输层上制备厚度约为300nm的CH(NH2)2PbI3作为光活性层,并在100℃退火处理10min。
富勒烯电子传输层的制备:采用旋涂的方法在钙钛矿光活性层上制备一层厚度为40-60nm的PCBM作为电子传输层。
金属氧化物电极修饰层的制备:在富勒烯电子传输层上采用旋涂的方法,利用浓度为10mg/mL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷一步修饰以及五氟苯酰氯两步修饰ZnO墨水,在3000rpm条件下制备获得厚度为30nm的金属氧化物电极修饰层。
金属顶电极的制备:在金属氧化物电极修饰层上利用热蒸发蒸镀的方法制备Al电极为电池的顶电极。
经测试,本实施例所获器件的性能与实施例1基本一致。
此外,本案发明人还参照前述实施例,以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验,并均获得了较为理想的结果。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明,本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下,所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明;每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中,在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处,预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成,且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解,各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要,只要本发明教示保持可操作即可。此外,可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明,但所属领域的技术人员将理解,在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外,可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此,本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例,而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外,除非具体陈述,否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性,而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。