CN114824095A - 一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法 - Google Patents

一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,包括以下步骤:步骤S1:基于水热合成法制备锐钛矿相TiO2纳米晶,并将其分散于乙醇溶剂中;步骤S2:将步骤S1获得的混有TiO2纳米晶的乙醇溶剂掺入以MAAc为溶剂的有机/无机杂化钙钛矿前驱体中;步骤S3:基于步骤S2得到的有机/无机杂化钙钛矿前驱体,采用一步旋涂法制备钙钛矿薄膜;步骤S4:根据步骤S3得到的钙钛矿薄膜,进一步制备太阳电池。本发明可以得到结晶性强、缺陷得到有效抑制的钙钛矿薄膜,并简化了钙钛矿薄膜制备工艺。

Description

一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法
技术领域
本发明涉及一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法。
背景技术
太阳能,作为清洁可再生能源,每年为地球表面输送相当于燃烧130万亿吨煤释放的能量,是现今研究人员开发的重要可再生能源之一。太阳电池,即利用半导体的光生伏打效应,直接将太阳能转换为电能。其中,以有机/无机杂化钙钛矿为活性层材料的太阳电池,具有低成本、高光学吸收系数、低激子结合能、高载流子迁移率、长载流子寿命等优异的光电性质,短短十余年时间,其光电转换效率就已经突破25%,并已实现从实验室小试阶段迈向了中试阶段,潜力无限。尽管如此,在有机/无机杂化钙钛矿薄膜形成过程中由于晶体生长速度较快以及薄膜退火的需要,不同结构的缺陷就会形成:如点缺陷、杂质原子/离子等均会造成钙钛矿薄膜中不完美的晶格排列,上述缺陷的产生被认为是有机/无机杂化钙钛矿太阳电池性能损耗及迟滞效应产生的一大因素,在器件性能与稳定性中起着重要作用。因此,为了改善由于在有机/无机杂化钙钛矿薄膜形成过程中,产生的过多缺陷所导致的太阳电池性能较低及稳定性不足等问题,通过引入不同钝化剂制备结晶性更强、缺陷更少的有机/无机杂化钙钛矿薄膜研究引起了研究人员的广泛关注。结晶性更强、缺陷更少的有机/无机杂化钙钛矿太阳电池往往具有更高的器件效率和更好的湿热稳定性,是有机/无机杂化钙钛矿太阳电池产业化应用的重要研究方向。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,可以得到结晶性强、缺陷得到有效抑制的钙钛矿薄膜,并简化了钙钛矿薄膜制备工艺。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,包括以下步骤:
步骤S1:基于水热合成法制备锐钛矿相TiO2纳米晶,并将其分散于乙醇溶剂中;
步骤S2:将步骤S1获得的混有TiO2纳米晶的乙醇溶剂掺入以MAAc为溶剂的有机/无机杂化钙钛矿前驱体中;
步骤S3:基于步骤S2得到的有机/无机杂化钙钛矿前驱体,采用一步旋涂法制备钙钛矿薄膜;
步骤S4:根据步骤S3得到的钙钛矿薄膜,进一步制备太阳电池。进一步的,所述步骤S1具体为:
步骤S11:将预设体积比的TiCl3、HCl的水溶液、以及无水乙醇在三口烧瓶中混合,随后用封口胶将烧瓶封住,进行加热,并将多余的乙醇倒出;
步骤S12:将多余的乙醇倒出,并将沉积的样品置于离心机中,离心得到分层的下层白色与上层无色溶液,将含有HCl的无色溶液倒掉,并加入乙醇分散TiO2纳米晶材料,循环N次,得到TiO2纳米晶材料;
步骤S13:使用超纯水洗样后,将TiO2纳米晶材料分散于乙醇中,并过滤掉多余杂质。
进一步的,,所述步骤S2具体为:
步骤S21:在惰性氛围中称取预设摩尔比的PbI2,MAI,FABr,依次加入到离子液体乙酸甲胺MAAc溶剂中,加热搅拌至前驱体溶质完全溶解;
步骤S22:通过控制锐钛矿相TiO2纳米晶的质量比掺入有机/无机杂化钙钛矿前驱体内,并将其放置在加热台上搅拌至TiO2纳米晶分散完全。
进一步的,所述步骤S3具体为:
步骤S31:依次在碱液、活性洗涤剂、去离子水和乙醇中超声波清洗ITO涂层玻璃,然后在紫外线臭氧环境暴露处理;
步骤S32:在处理后的ITO涂层玻璃基底上制备空穴传输层;
步骤S33:将制备有空穴传输层的ITO玻璃放置于加热型匀胶机上,将有机/无机杂化钙钛矿前驱体溶液滴满ITO基底上进行旋涂,然后将旋涂好的薄膜转移到加热台上退火形成钙钛矿薄膜。
进一步的,所述空穴传输层材料为聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
本发明可以得到结晶性强、缺陷得到有效抑制的钙钛矿薄膜,并简化了钙钛矿薄膜制备工艺。
附图说明
图1是本发明一实施例中样品示意图;
图2是本发明一实施例中样品结晶示意图;
图3是本发明一实施例中太阳能电池器件结构示意图;
图4是本发明一实施例中钙钛矿薄膜表面XRD结果;
图5是本发明一实施例中截面SEM测试结果;
图6是本发明一实施例中太阳电池的JV特性曲线;
图7是本发明一实施例中稳定性曲线图;
图8是本发明一实施例中截面SEM测试结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1,本发明提供一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,包括以下步骤:
步骤S1:将体积比为1:1:60的TiCl3(浓度为20%)、HCl(6M)的水溶液、以及无水乙醇在三口烧瓶中混合,随后用封口胶将烧瓶封住,置于75℃的水浴中加热;六小时之后,所产生的TiO2纳米晶材料会在烧瓶的底部沉积,将多余的乙醇倒出,并将样品置于离心机中,离心得到分层的下层白色与上层无色溶液,将含有HCl的无色溶液倒掉,并加入一定的乙醇分散TiO2纳米晶材料,以此3次循环,就会得到TiO2纳米晶材料;使用超纯水经过3次洗样后,将TiO2纳米晶材料分散于乙醇中,并过滤掉多余杂质,之后称取样品质量以确定样品的浓度,最后得到一定浓度的TiO2纳米晶的乙醇溶液,样品如图1所示,相应结晶相如图2所示;
步骤S2:在惰性氛围中分别称取摩尔比为1:0.85:0.15的PbI2,MAI,FABr,依次加入到一定体积的离子液体乙酸甲胺MAAc溶剂中,惰性氛围内加热60℃搅拌6-9小时,至前驱体溶质完全溶解;之后通过控制锐钛矿相TiO2纳米晶的质量比掺入有机/无机杂化钙钛矿前驱体内,即每毫升MAAc控制TiO2质量为1.0mg,然后将其放置在加热台上60℃下搅拌2h至TiO2纳米晶分散完全,用于一步旋涂制备钙钛矿薄膜;
步骤S3:首先,依次在碱液、活性洗涤剂、去离子水和乙醇中超声波清洗ITO涂层玻璃各15分钟,然后在紫外线臭氧环境中暴露15分钟。在ITO涂层玻璃基底上制备空穴传输层,材料为聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)。
将旋涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃放置于加热型匀胶机上,100℃预热5min后,将有机/无机杂化钙钛矿前驱体溶液滴满ITO基底上,以4000rpm/min的速率旋转20s,然后将旋涂好的薄膜转移到加热台上100℃退火5min形成钙钛矿薄膜。
步骤S4:根据步骤S3得到的钙钛矿薄膜,进一步制备太阳电池。
实施例1:
本实施例提供了一种掺入TiO2纳米晶钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,器件结构如图3所示,具体步骤如下:
步骤一:摩尔比为1:0.85:0.15的PbI2,MAI,FABr,依次加入到一定体积的离子液体乙酸甲胺MAAc溶剂中,惰性氛围内加热60℃搅拌6-9小时,至前驱体溶质完全溶解;
步骤二:通过控制锐钛矿相TiO2纳米晶的质量比掺入有机/无机杂化钙钛矿前驱体内,即每毫升MAAc控制TiO2质量为1.0mg,然后将其放置在加热台上60℃下搅拌2h至TiO2纳米晶分散完全,用于一步旋涂制备钙钛矿薄膜;
步骤三:将旋涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃放置于加热型匀胶机上,100℃预热5min后,将掺入不同浓度TiO2纳米晶的有机/无机杂化钙钛矿前驱体溶液滴满ITO基底上,以4000rpm/min的速率旋转20s,然后将旋涂好的薄膜转移到加热台上100℃退火5min形成钙钛矿薄膜。
步骤四:将制备的钙钛矿薄膜进行XRD结晶性表征以及截面SEM测试,钙钛矿薄膜表面XRD结果如图4所示,截面SEM测试结果如图5所示,从图4中可以看出掺入TiO2钝化材料制备的钙钛矿薄膜结晶性较强,从图5中可以看出掺入TiO2钝化材料制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸较大,且分布明显。
步骤五:将上述制备好的薄膜转移至真空蒸镀舱中的掩模版上。通过分子泵将舱体抽真空至10-4Pa以下,然后以
Figure BDA0003617574040000061
的蒸发速率蒸镀C60,厚度为20nm;之后以
Figure BDA0003617574040000062
的蒸发速率蒸镀Al电极,厚度为100nm,如图6所示,为太阳电池的JV特性曲线,相关性能参数:开路电压1.02V,短路电流密度23.04mA/cm2,填充因子77.33%,光电转换效率18.10%。稳定性如图7所示,可知TiO2钝化后的太阳电池稳定性较好。
对比例1:
本实施例提供了一种掺入乙醇的有机/无机杂化钙钛矿薄膜太阳电池的制备方法,具体步骤如下:
步骤一:摩尔比为1:0.85:0.15的PbI2,MAI,FABr,依次加入到一定体积的离子液体乙酸甲胺MAAc溶剂中,惰性氛围内加热60℃搅拌6-9小时,至前驱体溶质完全溶解;
步骤二:通过控制乙醇的体积掺入有机/无机杂化钙钛矿前驱体内,即每毫升MAAc控制乙醇量为25ml,然后将其放置加热台上60℃下搅拌2h,用于一步旋涂制备钙钛矿薄膜;
步骤三:将旋涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃放置于加热型匀胶机上,100℃预热5min后,将有机/无机杂化钙钛矿前驱体溶液滴满ITO基底上,以4000rpm/min的速率旋转20s,然后将旋涂好的薄膜转移到加热台上100℃退火5min形成钙钛矿薄膜。
步骤四:将制备的钙钛矿薄膜进行XRD结晶性表征,钙钛矿薄膜表面XRD结果如图4所示,从图4中可以看出掺入乙醇制备的钙钛矿薄膜结晶性较TiO2钝化薄膜的结晶性弱,说明乙醇并不能改善钙钛矿的结晶性。
步骤五:将上述制备好的薄膜转移至真空蒸镀舱中的掩模版上。通过分子泵将舱体抽真空至10-4Pa以下,然后以
Figure BDA0003617574040000071
的蒸发速率蒸镀C60,厚度为20nm;之后以
Figure BDA0003617574040000072
的蒸发速率蒸镀Al电极,厚度为100nm,如图6所示,为太阳电池的JV特性曲线,相关性能参数:开路电压1.00V,短路电流密度22.16mA/cm2,填充因子74.73%,光电转换效率16.64%。
对比例2:
本实施例提供了一种一步旋涂制备有机/无机杂化钙钛矿薄膜的方法,具体步骤如下:
步骤一:摩尔比为1:0.85:0.15的PbI2,MAI,FABr,依次加入到一定体积的离子液体乙酸甲胺MAAc溶剂中,惰性氛围内加热60℃搅拌6-9小时,至前驱体溶质完全溶解;
步骤二:将旋涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃放置于加热型匀胶机上,100℃预热5min后,以4000rpm/min的速率旋转20s,然后将旋涂好的薄膜转移到加热台上100℃退火5min形成钙钛矿薄膜。
步骤四:将制备的钙钛矿薄膜进行XRD结晶性表征以及截面SEM测试,钙钛矿薄膜表面XRD结果如图4所示,截面SEM测试结果如图8所示,与实施例1相比,对比例2的结晶性较低且晶粒不明显,说明锐钛矿相TiO2钝化后的有机/无机杂化钙钛矿薄膜的结晶性得到了明显改善。
步骤五:将上述制备好的薄膜转移至真空蒸镀舱中的掩模版上。通过分子泵将舱体抽真空至10-4Pa以下,然后以
Figure BDA0003617574040000081
的蒸发速率蒸镀C60,厚度为20nm;之后以
Figure BDA0003617574040000082
的蒸发速率蒸镀Al电极,厚度为100nm,如图6所示,为太阳电池的JV特性曲线,相关性能参数:开路电压1.01V,短路电流密度22.26mA/cm2,填充因子73.86%,光电转换效率16.53%。稳定性如图7所示,可知未钝化的太阳电池稳定性较差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:基于水热合成法制备锐钛矿相TiO2纳米晶,并将其分散于乙醇溶剂中;
步骤S2:将步骤S1获得的混有TiO2纳米晶的乙醇溶剂掺入以MAAc为溶剂的有机/无机杂化钙钛矿前驱体中;
步骤S3:基于步骤S2得到的有机/无机杂化钙钛矿前驱体,采用一步旋涂法制备钙钛矿薄膜;
步骤S4:根据步骤S3得到的钙钛矿薄膜,进一步制备太阳电池。
2.根据权利要求1所述的一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,其特征在于,所述步骤S1具体为:
步骤S11:将预设体积比的TiCl3、HCl的水溶液、以及无水乙醇在三口烧瓶中混合,随后用封口胶将烧瓶封住,进行加热,并将多余的乙醇倒出;
步骤S12:将多余的乙醇倒出,并将沉积的样品置于离心机中,离心得到分层的下层白色与上层无色溶液,将含有HCl的无色溶液倒掉,并加入乙醇分散TiO2纳米晶材料,循环N次,得到TiO2纳米晶材料;
步骤S13:使用超纯水洗样后,将TiO2纳米晶材料分散于乙醇中,并过滤掉多余杂质。
3.根据权利要求1所述的一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,其特征在于,所述步骤S2具体为:
步骤S21:在惰性氛围中称取预设摩尔比的PbI2,MAI,FABr,依次加入到离子液体乙酸甲胺MAAc溶剂中,加热搅拌至前驱体溶质完全溶解;
步骤S22:通过控制锐钛矿相TiO2纳米晶的质量比掺入有机/无机杂化钙钛矿前驱体内,并将其放置在加热台上搅拌至TiO2纳米晶分散完全。
4.根据权利要求1所述的一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,其特征在于,所述步骤S3具体为:
步骤S31:依次在碱液、活性洗涤剂、去离子水和乙醇中超声波清洗ITO涂层玻璃,然后在紫外线臭氧环境暴露处理;
步骤S32:在处理后的ITO涂层玻璃基底上制备空穴传输层;
步骤S33:将制备有空穴传输层的ITO玻璃放置于加热型匀胶机上,将有机/无机杂化钙钛矿前驱体溶液滴满ITO基底上进行旋涂,然后将旋涂好的薄膜转移到加热台上退火形成钙钛矿薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种钝化有机/无机杂化钙钛矿薄膜的太阳电池制备方法,其特征在于,所述空穴传输层材料为聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)。
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