CN114695669A - 引入pmma插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
引入pmma插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114695669A CN114695669A CN202210292495.4A CN202210292495A CN114695669A CN 114695669 A CN114695669 A CN 114695669A CN 202210292495 A CN202210292495 A CN 202210292495A CN 114695669 A CN114695669 A CN 114695669A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- perovskite
- spin
- coating
- solar cell
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 title claims abstract description 89
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 title claims abstract description 89
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 16
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims abstract description 66
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 claims abstract description 17
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims abstract description 9
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- UUIQMZJEGPQKFD-UHFFFAOYSA-N Methyl butyrate Chemical compound CCCC(=O)OC UUIQMZJEGPQKFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- JRJUCFIOBFDDBP-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene 2-methylprop-2-enoic acid Chemical compound ClC1=CC=CC=C1.C(C(=C)C)(=O)O JRJUCFIOBFDDBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- DHDHJYNTEFLIHY-UHFFFAOYSA-N 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=CC=NC2=C1C=CC1=C(C=3C=CC=CC=3)C=CN=C21 DHDHJYNTEFLIHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012459 cleaning agent Substances 0.000 claims description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 6
- JGFBQFKZKSSODQ-UHFFFAOYSA-N Isothiocyanatocyclopropane Chemical compound S=C=NC1CC1 JGFBQFKZKSSODQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PWLNAUNEAKQYLH-UHFFFAOYSA-N butyric acid octyl ester Natural products CCCCCCCCOC(=O)CCC PWLNAUNEAKQYLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract description 35
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 77
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 46
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N [60]pcbm Chemical compound C123C(C4=C5C6=C7C8=C9C%10=C%11C%12=C%13C%14=C%15C%16=C%17C%18=C(C=%19C=%20C%18=C%18C%16=C%13C%13=C%11C9=C9C7=C(C=%20C9=C%13%18)C(C7=%19)=C96)C6=C%11C%17=C%15C%13=C%15C%14=C%12C%12=C%10C%10=C85)=C9C7=C6C2=C%11C%13=C2C%15=C%12C%10=C4C23C1(CCCC(=O)OC)C1=CC=CC=C1 MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 239000012296 anti-solvent Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 238000005202 decontamination Methods 0.000 description 4
- 230000003588 decontaminative effect Effects 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 4
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 4
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 4
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229920000172 poly(styrenesulfonic acid) Polymers 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 229940005642 polystyrene sulfonic acid Drugs 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 3
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 N, N-di (4-methoxyphenyl) amino Chemical group 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000004768 lowest unoccupied molecular orbital Methods 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- PNKUSGQVOMIXLU-UHFFFAOYSA-N Formamidine Chemical compound NC=N PNKUSGQVOMIXLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- XQPRBTXUXXVTKB-UHFFFAOYSA-M caesium iodide Chemical compound [I-].[Cs+] XQPRBTXUXXVTKB-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- ZASWJUOMEGBQCQ-UHFFFAOYSA-L dibromolead Chemical compound Br[Pb]Br ZASWJUOMEGBQCQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000001883 metal evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- ISWNAMNOYHCTSB-UHFFFAOYSA-N methanamine;hydrobromide Chemical compound [Br-].[NH3+]C ISWNAMNOYHCTSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012430 stability testing Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
- H10K30/88—Passivation; Containers; Encapsulations
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
- H10K71/10—Deposition of organic active material
- H10K71/12—Deposition of organic active material using liquid deposition, e.g. spin coating
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，依次由导电基底层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、聚甲基丙烯酸甲酯钝化层、电子传输层、缓冲层和银电极组成，形成倒置结构；其中聚甲基丙烯酸甲酯钝化层由旋涂浓度为2～8mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯氯苯溶液，然后退火处理形成；制备方法为：选取ITO作为导电基底，分别旋涂PEDOT:PSS溶液、钙钛矿溶液、聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液、6,6‑苯基‑C61‑丁酸甲酯、Bphen溶液并进行退火处理，最后蒸镀金属银电极，得到倒置结构的钙钛矿太阳能电池；该电池为倒置结构，并在钙钛矿/电子传输层界面引入PMMA钝化层，改善了钙钛矿薄膜质量和电子提取效率，有利于增加电池效率、抑制迟滞效应和提高电池的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池，特别涉及一种引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在钙钛矿太阳能电池结构中，当光透过玻璃基底照射到钙钛矿层上时，钙钛矿薄膜会吸收光子分离出电子-空穴对，然后电荷会转移到对应的载流子收集层，当与外电路形成闭合回路时，产生电流。此时太阳能电池通过光电效应完成了光能到电能的转化。和传统的硅电池相比，钙钛矿太阳能电池具有简易的制备过程、较低的生产成本和较好的器件性能等优势，具有较大的商业发展潜力。有机无机混合铅卤素钙钛矿太阳能电池作为一类高效稳定的半导体太阳能器件，不仅制备过程简单，而且还具有较高的能量转换效率和良好的稳定性。
然而，电流-电压曲线中的开路电压，短路电流和填充因子都会限制钙钛矿太阳能电池能量转换效率的提高，同时高温高湿，强光和富氧的存储环境也极易导致此类器件的分解失效。因此，寻求一种有效手段来提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性显得极为迫切。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种提高电池效率和抑制迟滞效应的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池；本发明的另一目的是提供该电池的制备方法。
技术方案：本发明的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，依次由导电基底层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、聚甲基丙烯酸甲酯钝化层、电子传输层、缓冲层和银电极组成，形成倒置结构；其中聚甲基丙烯酸甲酯钝化层由旋涂浓度为2～8mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯氯苯溶液，然后退火处理形成。
优选的，所述聚甲基丙烯酸甲酯氯苯溶液的浓度为2～4mg/mL。
其中空穴传输层用来增加空穴数量和提取有效电荷；钙钛矿吸光层在光照条件下会产生电子空穴对并在钙钛矿的界表面发生分离；聚甲基丙烯酸甲酯钝化层主要用来修饰钙钛矿吸光层/电子传输层界面，加速载流子的提取和传输，优化器件性能；电子传输层用来传输电子和阻挡空穴，进而避免电荷积累对器件寿命的影响；缓冲层用来减少金属蒸镀过程中对钙钛矿薄膜的破坏或优化能级匹配；连接银电极与导电基底的外电路，形成闭合回路后会有电流通过。
本发明的电池为倒置结构，其工作机理是在钙钛矿材料吸收光子产生激子后，在电子传输层和空穴传输层的界面发生分离成为电子和空穴，之后电子从钙钛矿层的导带传输至电子传输层的LUMO能级，空穴从钙钛矿的价带传输至空穴传输层，最后被导电玻璃和金属电极收集。与正置结构相比，倒置结构电池中使用的电子传输层不再是需要高温退火的TiO2(退火温度为550℃)，而是替换为有机富勒烯衍生物([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯，PC61BM)，PC61BM薄膜的退火温度仅为60℃或无需退火；另外空穴传输层也由正置结构中的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)混合溶液转变为倒置结构的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)单一溶液，降低了生产的成本。倒置结构的钙钛矿太阳电池生产成本较低，成膜的低温旋涂技术简单且器件的稳定性较好，优势明显。
本发明的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取ITO作为导电基底；
(2)在ITO基底上，旋涂PEDOT:PSS溶液，退火处理，形成空穴传输层；
(3)旋涂钙钛矿溶液，退火处理，形成钙钛矿吸光层；
(4)旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液，退火处理，形成聚甲基丙烯酸甲酯钝化层；
(5)旋涂6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的氯苯溶液，退火处理，形成电子传输层；
(6)旋涂4,7-二苯基邻菲啰啉(Bphen)，形成缓冲层；
(7)蒸镀金属银电极；得到倒置结构的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池。
所述步骤(1)中，所述ITO基底还包括清洗过程，依次采用玻璃清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇进行清洗，目的是为了去除基底表面附着的有机无机杂质，有利于后期高质量薄膜的形成。
所述步骤(4)中，旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液的转速为4800～5000rpm，时间为25～30秒；旋涂结束，90～100℃下退火50～70分钟。
步骤(2)中，旋涂PEDOT:PSS溶液的转速为4200～4500rpm，旋涂时间45～50秒；旋涂结束，在140℃下退火30分钟后形成HTL。
所述步骤(3)中旋涂钙钛矿溶液过程，先以第一转速800～1000rpm旋涂5～10秒，再继续以第二转速3500～4000rpm旋涂30～35秒；在第二转速开始的第11秒开始滴加氯苯(CB)反溶剂；旋涂结束，在100℃下退火1小时，此时钙钛矿薄膜完全为暗黑色。
钙钛矿溶液的配置：用天平称量18.2mg CsI、26.7mg MABr、199.8mg FAI、573.9mgPbI2和87.4mg PbBr2粉末共混，滴加1ml的DMSO:DMF＝1:4的混合溶剂，将钙钛矿前驱体溶液放置在手套箱中加热搅拌直至完全溶解，然后用0.45μm有机滤头过滤。
发明机理：本发明的电池为倒置结构，其工作机理是在钙钛矿材料吸收光子产生激子后，在钙钛矿吸光层和电荷传输层界面发生分离成为电子和空穴，之后电子从钙钛矿层的导带传输至电子传输层的LUMO能级，空穴从钙钛矿的价带传输至空穴传输层，最后被导电玻璃和金属电极收集。与正置结构相比，倒置结构电池中使用的电子传输层不再是需要高温退火的TiO2(退火温度为550℃)，而是替换为有机富勒烯衍生物([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯，PC61BM)，PC61BM薄膜的退火温度仅为60℃或无需退火；另外空穴传输层也由正置结构中的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)混合溶液转变为倒置结构的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)单一溶液，降低了生产的成本。倒置结构的钙钛矿太阳电池生产成本较低，成膜的低温旋涂技术简单且器件的稳定性较好，优势明显。
本发明中，将绝缘聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)添加进入钙钛矿层与电子传输层界面。绝缘聚合物PMMA在可见光区域的透光率高达92％，它的添加几乎不会影响钙钛矿太阳能器件的透光度；而且，PMMA钝化层能够有效加快电荷载流子从钙钛矿层到电荷传输层的提取和收集速率，进而优化器件的光电特性。通过优化PMMA溶液的浓度，在最佳4mg/mlPMMA钝化下，钙钛矿薄膜的形貌更加致密光滑，加快了载流子的传输，这证实了荧光强度PL的猝灭效应和减少的载流子寿命现象。在PMMA钝化作用下，钙钛矿层在吸光后，加快的载流子提取和传输更有利于钙钛矿薄膜中电子空穴对的产生和分离，结果短路电流值明显增加以及迟滞效应有效抑制。另外，疏水的PMMA材料可以充当保护层，能够增加空气中水氧侵蚀过程的复杂性，进而有效改善了器件的稳定性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)该电池为倒置结构，并在钙钛矿/电子传输层界面引入PMMA钝化层，改善了钙钛矿薄膜质量和电子提取效率，有利于增加电池效率、抑制迟滞效应和提高电池的稳定性；(2)该制备方法简单、高效。
附图说明
图1为本发明电池的结构图；
图2为电池的电流密度-电压(J-V)曲线图；
图3为电池J-V曲线的的迟滞效应图；
图4为钙钛矿薄膜的稳态荧光测试PL谱图；
图5钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光谱图(TRPL)；
图6为钙钛矿薄膜的SEM图；
图7为电池热稳定测试图；
图8为电池环境稳定性测试图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，其制备方法包括以下步骤：
(1)选取ITO作为导电基底；
(2)在ITO基底上，旋涂PEDOT:PSS溶液，退火处理，形成空穴传输层；
(3)旋涂钙钛矿溶液，退火处理，形成钙钛矿吸光层；
(4)旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液，退火处理，形成聚甲基丙烯酸甲酯钝化层；
(5)旋涂6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的氯苯溶液，退火处理，形成电子传输层；
(6)旋涂4,7-二苯基邻菲啰啉(Bphen)溶液，形成缓冲层；
(7)蒸镀金属银电极；得到倒置结构的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池。
其中，步骤(4)中聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液浓度为2～8mg/mL。
所需化学材料包括：碘化铯(99.5％，CsI)、溴化甲胺(99.5％，MABr)、碘化甲脒(99.5％，FAI)、碘化铅(99.999％，PbI2)、溴化铅(99.999％，PbBr2),二甲基亚砜(99.9％，DMSO),N,N-二甲基甲酰胺(99.9％,DMF)，氯苯(99.999％,CB)聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，4,7-二苯基-1,10菲罗啉(Bphen)，6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，ITO基底，Ag金属颗粒。
钙钛矿溶液的配置：用天平称量18.2mgCsI、26.7mgMABr、199.8mgFAI、573.9mgPbI2和87.4mgPbBr2粉末共混，滴加1ml的DMSO:DMF＝1:4的混合溶剂，将钙钛矿前驱体溶液放置在手套箱中加热搅拌直至完全溶解，然后用0.45μm有机滤头过滤。
PMMA钝化剂的制备：将PMMA粉末溶于氯苯中，分别形成2mg/ml，4mg/ml，6mg/ml，8mg/ml和10mg/ml的钝化剂。
实施例1
本发明的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，其制备方法包括以下步骤：
(1)将ITO基底依次用玻璃清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声清洗，并用干燥箱和紫外线进行干燥除污处理；
(2)在清洁的ITO基底上，以4200rpm的转速旋涂PEDOT:PSS溶剂，旋涂时间50s，旋涂结束，在140℃加热台退火30min后形成HTL；
(3)在HTL上，将Cs0.05FA0.79MA0.16PbI2.52Br0.48钙钛矿溶剂先以800rpm旋涂10s，然后以3500rpm旋涂35s，在第二个转速开始的第11s滴加120μl CB反溶剂；旋涂结束在100℃下退火1小时,此时钙钛矿薄膜完全变为暗黑色；
(4)在钙钛矿薄膜表面，将2mg/ml的PMMA氯苯溶液以4800rpm旋涂30s，旋涂结束，在90℃下退火70min形成PMMA钝化层；
(5)在PMMA钝化层上，将20mg/ml的PC61BM/CB溶液以4000rpm旋涂40s，旋涂结束，在60℃下退火10min形成ETL层；
(6)在ETL层上，将20μl 4,7-二苯基邻菲啰啉(Bphen)溶液，以4000rpm旋涂60s，旋涂结束，在60℃加热台退火10min形成缓冲层；
(7)在缓冲层上，利用真空热蒸镀仪沉积大约100nm厚的Ag电极，整个倒置器件结构ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PMMA/PCBM/Bphen/Ag制备完成。
实施例2
本发明的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，其制备方法包括以下步骤：
(1)将ITO基底依次用玻璃清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声清洗，并用干燥箱和紫外线进行干燥除污处理；
(2)在清洁的ITO基底上，以4500rpm,45s的转速旋涂PEDOT:PSS溶剂，在140℃加热台退火30min后形成HTL；
(3)在HTL上，将Cs0.05FA0.79MA0.16PbI2.52Br0.48钙钛矿溶剂先以1000rpm旋涂5s，然后以4000rpm旋涂30s，在第二个转速开始的第11s滴加120μl CB反溶剂；旋涂结束，在100℃下退火1h，此时钙钛矿薄膜完全变为暗黑色；
(4)在钙钛矿薄膜表面，将4mg/ml的PMMA氯苯溶液以5000rpm旋涂25s，旋涂结束，在100℃下退火50min形成钝化层；
(5)在PMMA钝化层上，将20mg/ml的PC61BM/CB溶液以4000rpm旋涂40s，旋涂结束，在60℃下退火10min形成ETL层；
(6)在ETL层上，将20μl 4,7-二苯基邻菲啰啉(Bphen)，以4000rpm旋涂60s，旋涂结束，在60℃加热台退火10min形成缓冲层；
(7)在缓冲层上，利用真空热蒸镀仪沉积大约100nm厚的Ag电极，整个倒置器件结构ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PMMA/PCBM/Bphen/Ag制备完成。
实施例3
本发明的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，其制备方法包括以下步骤：
(1)将ITO基底依次用玻璃清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声清洗，并用干燥箱和紫外线进行干燥除污处理；
(2)在清洁的ITO基底上，以4500rpm，45s的转速旋涂PEDOT:PSS溶剂，在140℃加热台退火30min后形成HTL；
(3)在HTL上，将Cs0.05FA0.79MA0.16PbI2.52Br0.48钙钛矿溶剂先以1000rpm旋涂5s，然后以4000rpm旋涂30s，在第二个转速开始的第11s滴加120μl CB反溶剂；旋涂结束，在100℃下退火1h,此时钙钛矿薄膜完全变为暗黑色；
(4)在钙钛矿薄膜表面，将6mg/ml的PMMA氯苯溶液以5000rpm旋涂25s，旋涂结束，在100℃下退火50min形成钝化层；
(5)在PMMA钝化层上，将20mg/ml的PC61BM/CB溶液以4000rpm旋涂40s，旋涂结束，在60℃下退火10min形成ETL层；
(6)在ETL层上，将20μl 4,7-二苯基邻菲啰啉(Bphen)溶液，以4000rpm旋涂60s，旋涂结束，在60℃加热台退火10min形成缓冲层；
(7)在缓冲层上，利用真空热蒸镀仪沉积大约100nm厚的Ag电极，整个倒置器件结构ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PMMA/PCBM/Bphen/Ag制备完成。
实施例4
本发明的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，其制备方法包括以下步骤：
(1)将ITO基底依次用玻璃清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇进行超声清洗，并用干燥箱和紫外线进行干燥除污处理；
(2)在清洁的ITO基底上，以4500rpm,45s的转速旋涂PEDOT:PSS溶剂，在140℃加热台退火30min后形成HTL；
(3)在HTL上，将Cs0.05FA0.79MA0.16PbI2.52Br0.48钙钛矿溶剂先以1000rpm旋涂5s，然后以4000rpm旋涂30s，在第二个转速开始的第11s滴加120μl CB反溶剂；旋涂结束在100℃下退火1h，此时钙钛矿薄膜完全变为暗黑色；
(4)在钙钛矿薄膜表面，将8mg/ml的PMMA氯苯溶液以5000rpm旋涂25s，旋结束，在100℃下退火50min形成钝化层；
(5)在PMMA钝化层上，将20mg/ml的PC61BM/CB溶液以4000rpm旋涂40s，旋涂结束，在60℃下退火10min形成ETL层；
(6)在ETL层上，将20μl 4,7-二苯基邻菲啰啉(Bphen)溶液，以4000rpm旋涂60s，旋涂结束，在60℃加热台退火10min形成缓冲层；
(7)在缓冲层上，利用真空热蒸镀仪沉积大约100nm厚的Ag电极，整个倒置器件结构ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PMMA/PCBM/Bphen/Ag制备完成。
对比例1
在实施例2的基础上，不旋涂PMMA氯苯溶液。
对比例2
在实施例2的基础上，改变PMMA氯苯溶液的浓度为10mg/ml。
性能测试
(1)电池电流密度-电压(J-V)曲线测试
采用AAA级稳态太阳模拟设备(AM 1.5G,100mW/cm2)测试电池的J-V曲线(图2和3)。不同PMMA氯苯溶液浓度下的器件J-V曲线(图2)的光伏参数如表1。可以看出，随着PMMA氯苯溶液浓度的增加，器件的短路电流值先增加后减少，当PMMA氯苯溶液浓度为4mg/ml时，器件的短路电流值最大且开路电压也最大，此时器件性能最佳，实现了16.9％的效率。在PMMA氯苯溶液浓度2mg/ml～8mg/ml下形成钝化层，器件的性能均提高，这归因于PMMA钝化层加快了载流子提取和传输使短路电流值增加。当PMMA氯苯溶液浓度为10mg/ml时器件性能较差，这可能来自于PMMA分子的高度聚集。
表1不同PMMA氯苯溶液浓度下的电池J-V曲线的光伏参数
图3为同一测试条件下来自不同扫描方向的迟滞J-V曲线图，由图可得在2mg/ml～8mg/ml的PMMA的钝化下，器件J-V曲线的迟滞效应明显被抑制，4mg/ml PMMA钝化的器件在不同扫描方向下的J-V曲线几乎完全重合，迟滞现象可以忽略不计；在此范围内的其它PMMA浓度钝化的器件相比于对比例1和2来说，均有不同程度的迟滞抑制现象，10mg/ml PMMA钝化器件的迟滞效应最高，表明高浓度的PMMA钝化剂不利于器件性能的改善。
(2)钛矿薄光学特性测试
在无光照环境下对电池的钙钛矿薄膜进行稳态荧光测试。由图4可得，PMMA钝化的钙钛矿薄膜荧光强度PL均明显降低，表明在钙钛矿和电子传输层的接触界面发生了有效的电荷分离，抑制了辐射复合，加快了外电极的电荷转移和收集。并且经PMMA钝化的钙钛矿薄膜的荧光峰发生了略微的蓝移，表明钙钛矿薄膜的晶界缺陷经过PMMA修饰后被有效钝化。当PMMA的氯苯溶液浓度为2mg/ml，4mg/ml和8mg/ml时，钙钛矿薄膜的载流子提取和传输效率达到了最高。
(3)钙钛矿薄膜载流子寿命测试
在暗环境下，对对比例1和实施例2的钙钛矿薄膜进行时间分辨荧光测试。时间分辨荧光曲线(图5)满足如下三指数衰退方程：
f(t)＝A1exp(-t/τ1)+A2exp(-t/τ2)+A3exp(-t/τ3)+y0
公式中A1,A2和A3表示衰退幅度，τ1,τ2和τ3分别表示快衰退分量、中衰退分量和慢衰退分量，y0是常数。据文献报道，纯钙钛矿薄膜的衰退量主要来自于钙钛矿薄膜内部和表面，而PMMA钝化的钙钛矿薄膜的衰退量主要来自于钙钛矿薄膜表面与界面处载流子的快速提取和传输。相关的平均载流子寿命计算公式如下：
计算结果见表2。由表2数据可得，采用浓度4mg/ml PPMA氯苯溶液钝化修饰过的钙钛矿薄膜的平均载流子寿命85.6ns，未经PMMA修饰的钙钛矿薄膜的平均载流子寿命304.2ns，这证实增加了电荷的提取和转移效率以及有效的晶界缺陷钝化，表明利用PMMA钝化钙钛矿薄膜，能明显的改变器件的光学特性。
表2TRPL曲线的载流子衰退寿命参数表
(4)钙钛矿薄膜SEM测试
对实施例1、2和对比例1的电池的钙钛矿薄膜进行场发射扫描电子显微镜测试(SEM)，结果如图6所示。在PMMA的钝化作用下，钙钛矿薄膜表面变得更加致密光滑，优化了钙钛矿的界表面，这有利于电荷载流子的提取和传输。
(5)电池稳定性测试
对实施例1、2和对比例1的电池稳定性进行测试。图7为100℃下加热基底6h的热稳定性测试(RH 50％)结果。该结果表明，将钙钛矿太阳能器件在相对湿度50％，100℃下加热6小时后，4mg/ml PMMA氯苯溶液钝化的钙钛矿太阳能电池仍可维持原始效率的91％，与未经PMMA钝化器件只能维持原始效率的78％相比，热稳定性能得到了较大的改善。
图8为长期稳定性的效率变化曲线图。在相对湿度40％的室温条件下放置电池30天，可以发现，在PMMA氯苯溶液浓度为4mg/ml时，电池可维持原始效率的81％，相比于无PMMA钝化的器件，该稳定性提高了大约1.2倍。由这些稳定性测试数据可以看出，PMMA钝化钙钛矿薄膜表面有利于改善器件的稳定性，这可能归因于PMMA材料的疏水特性增加了空气中水氧侵蚀钙钛矿电池过程的复杂性。
Claims (8)
1.一种引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，依次由导电基底层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、聚甲基丙烯酸甲酯钝化层、电子传输层、缓冲层和银电极组成，形成倒置结构；其中聚甲基丙烯酸甲酯钝化层由旋涂浓度为2～8mg/mL的聚甲基丙烯酸甲酯氯苯溶液，然后退火处理形成。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液浓度为2～4mg/mL。
3.一种权利要求1或2所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取ITO作为导电基底；
(2)在ITO基底上旋涂PEDOT:PSS溶液，退火处理，形成空穴传输层；
(3)旋涂钙钛矿溶液，退火处理，形成钙钛矿吸光层；
(4)旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液，退火处理，形成聚甲基丙烯酸甲酯钝化层；
(5)旋涂6,6-苯基-C61-丁酸甲酯的氯苯溶液，退火处理，形成电子传输层；
(6)旋涂4,7-二苯基邻菲啰啉溶液，形成缓冲层；
(7)蒸镀金属银电极；得到倒置结构的引入PMMA插层的钙钛矿太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液的转速为4800～5000rpm，时间为25～30秒。
5.根据权利要求3所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述退火温度为90～100℃，时间50～70分钟。
6.根据权利要求3所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，旋涂PEDOT:PSS溶液的转速为4200～4500rpm，旋涂时间45～50秒。
7.根据权利要求3所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中旋涂钙钛矿溶液过程，先以800～1000rpm旋涂5～10秒，再继续以转速3500～4000rpm旋涂30～35秒。
8.根据权利要求3所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述ITO基底还包括清洗过程，依次采用玻璃清洗剂、去离子水、丙酮和无水乙醇进行清洗。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210292495.4A CN114695669A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 引入pmma插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210292495.4A CN114695669A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 引入pmma插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114695669A true CN114695669A (zh) | 2022-07-01 |
Family
ID=82138231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210292495.4A Pending CN114695669A (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 引入pmma插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114695669A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150249170A1 (en) * | 2012-09-18 | 2015-09-03 | Isis Innovation Limited | Optoelectronic device |
| CN209947876U (zh) * | 2019-04-24 | 2020-01-14 | 苏州协鑫纳米科技有限公司 | 钙钛矿太阳能电池及组件 |
| KR20200027714A (ko) * | 2018-09-05 | 2020-03-13 | 광운대학교 산학협력단 | 전기 소자의 안정성 향상을 위한 용액 공정 기반의 보호층 및 그 제조 방법 |
| KR102286258B1 (ko) * | 2020-05-29 | 2021-08-04 | 광운대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 구조의 물질층의 상부 및 하부 양면에 형성된 초박막 폴리머 박막층을 구비하는 태양 전지, 정구조의 태양전지, 역구조의 태양전지, 반도체 소자 및 이의 제조방법 |
-
2022
- 2022-03-24 CN CN202210292495.4A patent/CN114695669A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150249170A1 (en) * | 2012-09-18 | 2015-09-03 | Isis Innovation Limited | Optoelectronic device |
| KR20200027714A (ko) * | 2018-09-05 | 2020-03-13 | 광운대학교 산학협력단 | 전기 소자의 안정성 향상을 위한 용액 공정 기반의 보호층 및 그 제조 방법 |
| CN209947876U (zh) * | 2019-04-24 | 2020-01-14 | 苏州协鑫纳米科技有限公司 | 钙钛矿太阳能电池及组件 |
| KR102286258B1 (ko) * | 2020-05-29 | 2021-08-04 | 광운대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 구조의 물질층의 상부 및 하부 양면에 형성된 초박막 폴리머 박막층을 구비하는 태양 전지, 정구조의 태양전지, 역구조의 태양전지, 반도체 소자 및 이의 제조방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 赵锡柱: "介孔TiO2/CsPbI3 QDs/Cu12Sb4S13QDs 全无机结构的太阳能电池光电性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, 15 August 2021 (2021-08-15), pages 24 - 25 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Graphene oxide as an efficient hole-transporting material for high-performance perovskite solar cells with enhanced stability | |
| Wang et al. | Low temperature solution processed planar heterojunction perovskite solar cells with a CdSe nanocrystal as an electron transport/extraction layer | |
| Cheng et al. | Phenoxazine-Based Small Molecule Material for Efficient Perovskite Solar Cells and Bulk Heterojunction Organic Solar Cells. | |
| Seo et al. | Benefits of very thin PCBM and LiF layers for solution-processed p–i–n perovskite solar cells | |
| CN110518127B (zh) | 一种基于表面活性剂钝化的钙钛矿太阳能电池及制备方法 | |
| CN110335945B (zh) | 一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用 | |
| Haider et al. | Nickel phthalocyanine as an excellent hole-transport material in inverted planar perovskite solar cells | |
| Luo et al. | Enhanced efficiency and stability of nonfullerene ternary polymer solar cells based on a spontaneously assembled active layer: the role of a high mobility small molecular electron acceptor | |
| Chen et al. | Mixed antisolvents assisted treatment of perovskite for photovoltaic device efficiency enhancement | |
| CN108767112B (zh) | 具有不同空穴传输层的BiI3太阳能电池及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Passivation of perovskite surfaces using 2-hydroxyacetophenone to fabricate solar cells with over 20.7% efficiency under air environment | |
| CN110544743B (zh) | 一种高效基于卟啉材料的三元有机太阳电池及其制备方法 | |
| CN106410038B (zh) | 萘四甲酸二酐衍生物在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用 | |
| KR20170000422A (ko) | 1,8 디아이오도옥탄이 도핑된 페로브스카이트 태양전지 제조방법 | |
| Aatif et al. | Futuristic electron transport layer based on multifunctional interactions of ZnO/TCNE for stable inverted organic solar cells | |
| Zhang et al. | Polymer passivation of defects in inorganic perovskite solar cells | |
| CN109378388B (zh) | 高效三元有机太阳能电池及其制备方法 | |
| CN109216563B (zh) | 一种Cs2SnI6掺杂有机太阳能电池及其制备方法 | |
| KR102254332B1 (ko) | 표면 개질된 정공 전달층을 구비한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 | |
| CN114695669A (zh) | 引入pmma插层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 | |
| CN109935698B (zh) | 一种以In2Se3为空穴传输层的有机太阳能电池及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Enhancing the light-harvesting and charge transport properties of polymer solar cells by embedding NaLuF 4: Yb, Tm nanorods | |
| CN110931643A (zh) | 一种Ti3C2Tx掺杂ZnO为阴极修饰层材料的有机太阳能电池及其制备方法 | |
| Lin et al. | Pyrene-imidazole based aggregation modifier leads to enhancement in efficiency and environmental stability for ternary organic solar cells | |
| Yang et al. | A non-fullerene acceptor as an interfacial modified layer for enhancing efficiency and stability of inverted perovskite solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |