CN114267796A - 一种基于准二维钙钛矿层的制备方法及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于准二维钙钛矿层的制备方法，钙钛矿层主要成分分子式为R2An‑ 1PbnI3n+1，其中n值为5，R为大分子CH3CH2CH2CH2NH3 +简称BA，A为CH3NH3 +简称MA+；S10将丁胺碘(BAI)，甲胺碘(MAI)和碘化铅(PbI2)按照2：4：5的摩尔比混合得到混合物；S20将N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)按1体积比9：1或3:1得到溶剂；S30将钙钛矿层混合物置于钙钛矿层溶剂中形成钙钛矿前驱体溶液；S40在钙钛矿层钙钛矿前驱体溶液中加入3mg/ml的MACl得到钙钛矿薄膜涂液；S50将钙钛矿层钙钛矿薄膜涂液旋涂于衬底上使其形成钙钛矿层。与现有的技术相比，本发明具有如下优点：成膜均匀致密，具有优异的稳定性，工艺方法简单易行。可有效的提高准二维钙钛矿薄膜质量，调控结晶取向，得到高性能太阳能电池器件。
Description
技术领域
本发明涉及电池材料技术领域，特别是涉及一种基于准二维钙钛矿层的制备方法及太阳能电池。
背景技术
有机-无机杂化钙钛矿材料作为一种新型的光电材料在近年来受到了广泛的关注，钙钛矿材料具有较高的光吸收、较大的载流子扩散长度以及合适的激子结合能。在太阳能电池领域基于钙钛矿材料的太阳能电池最高效率已经突破了25％。在钙钛矿材料发展过程中，由于钙钛矿材料对水分和氧气敏感，在氧气、水汽、光照或高温环境下容易降解，因此稳定性是制约钙钛矿材料发展的重要因素。
现有提高钙钛矿材料稳定性的方法主要从器件结构出发，对钙钛矿材料进行封装，然而封装的流程增加了制备器件的复杂程度和生产成本。近些年，越来越多的研究希望从钙钛矿材料的本身材料结构出发，来改善钙钛矿材料的稳定性。其中一个重要的解决方案就是将有机大分子加入到传统的钙钛矿材料中，将传统的三维钙钛矿转化为准二维钙钛矿。大分子的加入使准二维钙钛矿中出现了大分子隔离层，可以有效的隔绝水汽和氧气，大幅提高了水氧稳定性。但是与此同时有机大分子的导电性较差，会影响钙钛矿的光电性能。随着进一步的深入研究，研究者发现通过对准二维钙钛矿薄膜制备工艺进行优化，从而调节准二维钙钛矿薄膜中大分子的分布以及薄膜的结晶取向，常用的一些方法如添加剂方法，在准二维钙钛矿中加入NH4Cl、MACl等添加剂，另外使用多种溶液来改变结晶速率等方法，可以一定程度有效的控制结晶取向，实现高性能、高稳定性的准二维钙钛矿太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种基于准二维钙钛矿层的制备方法及太阳能电池。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种基于准二维钙钛矿层的制备方法，钙钛矿层主要成分分子式为R2An-1PbnI3n+1，其中n值为5，R为大分子CH3CH2CH2CH2NH3 +简称BA，A为CH3NH3 +简称MA+；
S10将丁胺碘(BAI)，甲胺碘(MAI)和碘化铅(PbI2)按照2：4：5的摩尔比混合得到混合物；
S20将N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)按1体积比9：1或3:1得到溶剂；
S30将所述混合物置于所述溶剂中形成钙钛矿前驱体溶液；
S40在所述钙钛矿前驱体溶液中加入3mg/ml的MACl得到钙钛矿薄膜涂液；
S50将所述钙钛矿薄膜涂液旋涂于衬底上使其形成钙钛矿层。
进一步的，所述S40步骤还包括所述钙钛矿前驱体加入3mg/ml的MACl后在手套箱中60℃恒温搅拌2h，形成钙钛矿薄膜涂液。
进一步的，所述S50步骤还包括：
将所述钙钛矿前驱体涂液加热至63℃；
将已经旋涂空穴传输层PTAA的衬底放置在热旋涂匀胶机的加热板上，所述加热板温度为60℃-70℃；
静置5分钟待所述衬底温度稳定后旋涂所述钙钛矿薄膜涂液形成均钙钛矿薄膜；
将所述均钙钛矿薄膜在70℃下退火40min，形成致密而稳定的钙钛矿层。
一种太阳能电池器件，从下至上依次设有：
ITO玻璃衬底；
PTAA空穴传输层；
如权利要求1所述的钙钛矿层；
C60电子传输层；
BCP隔离层；
银顶电极。
进一步的，所述ITO玻璃衬底厚度为180nm，所述PTAA空穴传输层厚度为10nm，所述钙钛矿层厚度为400nm，所述C60电子传输层厚度为36nm，所述BCP隔离层厚度为3nm，所述银顶电极厚度为100nm。
一种基于准二维钙钛矿层的太阳能电池，包括以下步骤：
S01，将ITO导电玻璃衬底依次用玻璃清洗液、丙酮和乙醇清洗，干燥后用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物；
S02将PTAA以2.5mg/ml的浓度，溶于氯苯中，利用旋涂法制备PTAA空穴传输层；
S03按权利要求1所述的制备方法制取钙钛矿层；
S04使用热蒸发蒸镀的方式，进行电子传输层C60和隔离层BCP的蒸镀；
S05通过热蒸发在隔绝层上蒸镀银顶电极，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
进一步的，所述S02步骤还包括将所述PTAA空穴传输层放置于100℃热台上，退火10分钟。
进一步的，所述S04步骤中电子传输层C60的蒸镀厚度为36nm，隔离层BCP的蒸镀厚度为3nm。
进一步的，所述银顶电极蒸镀厚度为100nm。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：通过该基于准二维钙钛矿层的制备方法所制取的钙钛矿层，成膜均匀致密，具有优异的稳定性，工艺方法简单易行。可有效的提高准二维钙钛矿薄膜质量，调控结晶取向，从而得到运行效率高的高性能太阳能电池器件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
图1是本发明的实施例一中的太阳能电池器件结构示意图。
图2是本发明的实施例二和对比例一、对比例二、对比例三中的钙钛矿太阳能电池在实际工作中的J-V曲线图。
图3是本发明的实施例二和比例一、对比例二、对比例三、对比例四的钙钛矿太阳能电池在实际工作中的效率对比图。
图4为本发明实施例二的稳定性测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明在前人的研究基础上，提出了使用恒温热旋涂匀胶机对衬底的温度进行精准的控制，同时在前驱体中加入DMSO和MACl进行辅助结晶，实现了高质量的钙钛矿薄膜制备。采用本发明的有机无机杂化钙钛矿材料制备的太阳能电池器件的结构如图2所示，太阳能电池器件的结构从下到上包括透明衬底及第一电极层6、空穴传输层5、钙钛矿层4、电子传输层3、隔绝层2、顶电极层1。
实施例一
如图1所示，本实施例制备了准二维有机无机杂化钙钛矿材料并利用该材料制备了钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池的透明衬底为石英玻璃；第一透明电极层为ITO，厚度为180nm；空穴传输层为PTAA，厚度为10nm；钙钛矿层主要成分为BA2MA4Pb5I16，厚度为400nm；电子传输层为C602，厚度为36nm；隔离层为BCP，厚度为3nm；顶电极层为银，厚度为100nm。
实施例二
钙钛矿太阳能电池的制备步骤如下：
ITO导电玻璃依次用玻璃清洗液、丙酮、乙醇清洗，干燥后用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物。
将PTAA以2.5mg/ml的浓度，溶于氯苯中，利用旋涂法制备PTAA空穴传输层，旋涂完毕后，将样品放置于100℃热台上，退火10分钟。
钙钛矿材料即钙钛矿层的制备：在体积比为9:1或3:1的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)的混合溶液(在本实施例中混合溶液总量2ml)中按照2：4：5的摩尔比加入丁胺碘(BAI)，甲胺碘(MAI)和碘化铅(PbI2)形成钙钛矿前驱体溶液，在本实施例中丁胺碘、甲胺碘、碘化铅的质量分别为128.67mg、203.48mg和737.61mg。另加入3mg MACl作为添加剂，在手套箱中60℃恒温搅拌2h，形成黄色均匀的钙钛矿薄膜涂液。将所得的钙钛矿薄膜涂液加热至63度，并将已经旋涂空穴传输层PTAA的ITO导电玻璃衬底放置在热旋涂匀胶机的加热板上，加热板设置为63℃，等待5分钟，待ITO导电玻璃衬底温度稳定后，开始旋涂，形成均钙钛矿薄膜。在70℃下退火40min，获得致密而稳定的钙钛矿层。
使用热蒸发蒸镀的方式，进行电子传输层C60的蒸镀，厚度设置为36nm。蒸镀完成后，继续进行隔离层BCP的蒸镀，厚度设置为3nm。
最后通过热蒸发在隔绝层上蒸镀顶部银电极，厚度为100nm，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
对比例一
对比例一与实施例二区别仅在于，除前驱体中的二甲基亚砜(DMSO)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的体积比例为0，且未添加MACl。其余步骤完全相同。
对比例二
对比例二与实施例二区别仅在于，除前驱体中的二甲基亚砜(DMSO)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的体积比例为0.03，且未添加MACl。
其余步骤完全相同。
对比例三
对比例三与实施例三区别仅在于，除前驱体中的二甲基亚砜(DMSO)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的体积比例为0.10，且未添加MACl。其余步骤完全相同。
对比例四
对比例四与实施例二区别仅在于，除前驱体中的二甲基亚砜(DMSO)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的体积比例为0.25，且未添加MACl。其余步骤完全相同。
对比例五
对比例五与实施例二区别仅在于，除前驱体中的二甲基亚砜(DMSO)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的体积比例为0.50，且未添加MACl。其余步骤完全相同。
实施例与对比例对比结果：将实施例二以及对比例一至五所得的钙钛矿薄膜以及太阳能电池器件进行测试。工作条件为：AM1.5G太阳光照(100mW/cm2)，温度45℃，氮气测试环境。图2为实施例二和对比例一、二、四进行的太阳能电池J-V曲线测试，可以看到实施例相对于对比例有明显性能增加。图3为实施例二和对比例一至五的效率对比，实施例二的最高器件效率达到17.66％。图4为实施例二在氮气环境下的稳定性测试，可以看到经过1000个小时的放置，其效率依然保持初始效率的95％以上。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于准二维钙钛矿层的制备方法，其特征在于，钙钛矿层主要成分分子式为R2An-1PbnI3n+1，其中n值为5，R为大分子CH3CH2CH2CH2NH3 +简称BA，A为CH3NH3 +简称MA+；
S10将丁胺碘(BAI)，甲胺碘(MAI)和碘化铅(PbI2)按照2：4：5的摩尔比混合得到混合物；
S20将N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)按1体积比9：1或3:1得到溶剂；
S30将所述混合物置于所述溶剂中形成钙钛矿前驱体溶液；
S40在所述钙钛矿前驱体溶液中加入3mg/ml的MACl得到钙钛矿薄膜涂液；
S50将所述钙钛矿薄膜涂液旋涂于衬底上使其形成钙钛矿层。
2.根据权利要求1所述的一种基于准二维钙钛矿层的制备方法，其特征在于，所述S40步骤还包括所述钙钛矿前驱体加入3mg/ml的MACl后在手套箱中60℃恒温搅拌2h形成钙钛矿薄膜涂液。
3.根据权利要求1所述的一种基于准二维钙钛矿层的制备方法，其特征在于，所述S50步骤还包括：
将所述钙钛矿前驱体涂液加热至63℃；
将已经旋涂空穴传输层PTAA的衬底放置在热旋涂匀胶机的加热板上，所述加热板温度为60℃-70℃；
静置5分钟待所述衬底温度稳定后旋涂所述钙钛矿薄膜涂液形成均钙钛矿薄膜；
将所述均钙钛矿薄膜在70℃下退火40min，形成致密而稳定的钙钛矿层。
4.一种太阳能电池器件，其特征在于，从下至上依次设有：
ITO玻璃衬底；
PTAA空穴传输层；
如权利要求1所述的钙钛矿层；
C60电子传输层；
BCP隔离层；
银顶电极。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能电池器件，其特征在于，所述ITO玻璃衬底厚度为180nm，所述PTAA空穴传输层厚度为10nm，所述钙钛矿层厚度为400nm，所述C60电子传输层厚度为36nm，所述BCP隔离层厚度为3nm，所述银顶电极厚度为100nm。
6.一种基于准二维钙钛矿层的太阳能电池，其特征在于，包括以下步骤：
S01，将ITO导电玻璃衬底依次用玻璃清洗液、丙酮和乙醇清洗；
S02将PTAA以2.5mg/ml的浓度，溶于氯苯中，利用旋涂法制备PTAA空穴传输层；
S03按权利要求1所述的制备方法制取钙钛矿层；
S04使用热蒸发蒸镀的方式，进行电子传输层C60和隔离层BCP的蒸镀；
S05通过热蒸发在隔绝层上蒸镀银顶电极，完成钙钛矿太阳能电池的制备。
7.根据权利要求6所述的一种基于准二维钙钛矿层的太阳能电池，其特征在于，所述S02步骤还包括将所述PTAA空穴传输层放置于100℃热台上，退火10分钟。
8.根据权利要求6所述的一种基于准二维钙钛矿层的太阳能电池，其特征在于，所述S04步骤中电子传输层C60的蒸镀厚度为36nm，隔离层BCP的蒸镀厚度为3nm。
9.根据权利要求6所述的一种基于准二维钙钛矿层的太阳能电池，其特征在于，所述银顶电极蒸镀厚度为100nm。
10.根据权利要求6所述的一种基于准二维钙钛矿层的太阳能电池，其特征在于，所述S01步骤还包括将干燥后的ITO导电玻璃衬底用紫外臭氧清洗机除去残留的有机物。
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| CN115249772A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-10-28 | 暨南大学 | 一种基于醋酸铅制备准二维钙钛矿薄膜的方法、其所得薄膜和应用 |
| CN115568264A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-01-03 | 浙江科鼐尔机电制造有限公司 | 一种优化反式钙钛矿太阳能电池性能的方法 |
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| CN115249772B (zh) * | 2022-06-21 | 2023-04-28 | 暨南大学 | 一种基于醋酸铅制备准二维钙钛矿薄膜的方法、其所得薄膜和应用 |
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| CN115568264B (zh) * | 2022-10-12 | 2023-08-15 | 浙江科鼐尔机电制造有限公司 | 一种优化反式钙钛矿太阳能电池性能的方法 |
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