CN115132926B - 一种空穴传输层及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空穴传输层及其应用，属于钙钛矿太阳能电池技术领域，包括：基底；设置在基底表面的第一介质层；设置在所述第一介质层表面的第二介质层；设置在所述第二介质层表面的第三介质层；设置在所述第三介质层表面的第四介质层；所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层独立的选自CuI、CuSCN、Cu2O、CuO、MoS2、MoOx、WO3或NiOx中的一种，相邻两层介质层的成分不同。本发明通过构建具有二维光子晶体结构的空穴传输层，实现钙钛矿电池的色彩化，二维光子晶体结构包括两种介质层，可通过介质层的种类，单层介质层的厚度及介质层的层数调控颜色。本发明还提供了一种钙钛矿电池。

Description

一种空穴传输层及其应用
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，尤其涉及一种空穴传输层及其应用。
背景技术
钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏电池，具有理论效率高、质量轻、可色彩化、半透明化等特点，可应用于建筑幕墙、太阳能汽车、便携式设备等。除了满足发电需求外，钙钛矿太阳能电池应满足审美需求，因此钙钛矿电池的色彩化技术是使其获得广泛应用的核心技术之一。可以通过颜料来赋予钙钛矿电池特定的颜色，但有机颜料会吸收大部分入射光，影响电池发电效率，且有机颜料存在老化褪色的问题，影响美观。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空穴传输层及其制备方法和应用，本发明提供的空穴传输层用于钙钛矿电池能够实现钙钛矿电池的色彩化。
本发明提供了一种空穴传输层，包括：
基底；
设置在基底表面的第一介质层；
设置在所述第一介质层表面的第二介质层；
设置在所述第二介质层表面的第三介质层；
设置在所述第三介质层表面的第四介质层；
所述第一介质层的成分、第二介质层的成分、第三介质层的成分和第四介质层的成分独立的选自CuI、CuSCN、Cu2O、CuO、MoS2、MoOx、WO3或NiOx中的一种；
相邻两层介质层的成分不同。
优选的，所述第四介质层表面还包括：
设置在所述第四介质层表面的第五介质层，
设置在所述第五介质层表面的第六介质层，
依次类推，设置在第n-1介质层表面的第n介质层。
优选的，所述n为6~18。
优选的，所述介质层的厚度独立的选自10~500nm。
优选的，所述基底选自FTO、ITO、AZO。
本发明提供了一种钙钛矿电池，包括：
空穴传输层，所述空穴传输层为上述技术方案所述的空穴传输层；
设置在所述空穴传输层表面的钙钛矿层；
设置在所述钙钛矿层表面的电子传输层；
设置在所述电子传输层表面的电极。
优选的，所述钙钛矿层的成分选自有机-无机杂化铅卤钙钛矿、有机-无机杂化锡/铅混合卤钙钛矿、全无机钙钛矿。
优选的，所述电子传输层的成分选自SnO2、TiO2、富勒烯以及富勒烯衍生物。
优选的，所述电极的成分选自金、银、铜、石墨烯、无定形碳。
优选的，所述钙钛矿层的厚度为50nm~1.5μm；
所述电子传输层的厚度为15~500nm；
所述电极的厚度为20nm~50μm。
本发明通过构建具有一维光子晶体结构的空穴传输层，实现钙钛矿电池的色彩化，一维光子晶体结构包括两种介质层，可通过介质层的种类，单层介质层的厚度及介质层的层数调控颜色，且获得的钙钛矿电池的颜色还与光的入射角度有关，从不同角度显示出不同的颜色，更具美学价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的钙钛矿电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的空穴传输层的结构示意图。
具体实施方式
下面将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。
本发明提供了一种空穴传输层，包括：
基底；
设置在基底表面的第一介质层；
设置在所述第一介质层表面的第二介质层；
设置在所述第二介质层表面的第三介质层；
设置在所述第三介质层表面的第四介质层；
所述第一介质层的成分、第二介质层的成分、第三介质层的成分和第四介质层的成分独立的选自CuI、CuSCN、Cu2O、CuO、MoS2、MoOx、WO3或NiOx中的一种；
相邻两层介质层的成分不同。
在本发明中，所述基底优选选自FTO、ITO、AZO等透明导电基底。
在本发明中，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层的厚度独立的优选为10~500nm，更优选为20~400nm，更优选为100~300nm，最优选为200nm。
在本发明中，所述第四介质层表面优选还包括：
设置在所述第四介质层表面的第五介质层，
设置在所述第五介质层表面的第六介质层，
依次类推，设置在第n-1介质层表面的第n介质层。
在本发明中，所述n优选为6~18，更优选为8~16，更优选为10~14，最优选为12。
在本发明中，所述空穴传输层优选设置有多层介质层，即在基底表面依次设置的第一介质层、第二介质层、第三介质层。。。，第n介质层，所述介质层的成分独立的选自CuI、CuSCN、Cu2O、CuO、MoS2、MoOx、WO3或NiOx中的一种，每层介质层的厚度独立的选自20~500nm，相邻两层介质层的成分不同。
在本发明中，所述空穴传输层的制备方法优选包括：
在基底表面制备第一介质层；
在所述第一介质层表面制备第二介质层；
在所述第二介质层表面制备第三介质层；
在所述第三介质层表面制备第四介质层。
在本发明中，在制备第一介质层之前优选还包括：
清洗基底。
在本发明中，所述清洗基底的方法优选为超声清洗，然后吹干备用。
在本发明中，所述超声清洗优选在去离子水、丙酮和乙醇中分别超声清洗10~30min，更优选为15~25min，最优选为20min；所述吹干优选为氮气吹干。
在本发明中，所述制备第一介质层的方法优选包括：
将第一介质层材料在基底表面形成膜层。
在本发明中，所述第一介质层材料选自CuI、CuSCN、Cu2O、CuO、MoS2、MoOx、WO3或NiOx中的一种，更优选为WO3或NiO。
在本发明中，所述形成膜层的方法可以为旋涂、刮涂、喷涂、狭缝涂布、丝网印刷、蒸发、磁控溅射、CVD等，更优选为磁控溅射法。
在本发明中，所述形成膜层后优选还包括进行退火处理，所述退火处理的温度优选为330~370℃，更优选为340~360℃，最优选为350℃；所述退火的时间优选为0.5~1.5小时，更优选为1小时。
在本发明中，所述第二介质层的制备方法优选包括：
将第二介质层材料在所述第一介质层表面形成膜层。
在本发明中，所述第二介质层材料选自CuI、CuSCN、Cu2O、CuO、MoS2、MoOx、WO3或NiOx中的一种，优选为WO3或NiO；所述第二介质层材料与第一介质层材料不同。
在本发明中，所述形成膜层的方法可以为旋涂、刮涂、喷涂、狭缝涂布、丝网印刷、蒸发、磁控溅射、CVD等，优选为磁控溅射。
在本发明中，所述第二介质层的厚度优选为10~500nm，更优选为20~400nm，更优选为100~300nm，最优选为200nm。
在本发明中，所述形成膜层后优选还包括进行退火处理，所述退火处理的温度优选为330~370℃，更优选为340~360℃，最优选为350℃。
在本发明中，所述第三介质层的制备方法与第一介质层的制备方法一致，在此不再赘述；第三介质层材料与第二介质层材料成分不同；所述第四介质层的制备方法与第二介质层的制备方法一致，在此不再赘述；第四介质层材料与第三介质层材料成分不同。
在本发明中，得到第四介质层后优选还包括：
在第四介质层表面制备第五介质层，在所述第五介质层表面制备第六介质层，依次类推，在第n-1介质层表面制备第n介质层，得到空穴传输层。
在本发明中，所述第n-1介质层的制备方法与第一介质层的制备方法一致，在此不再赘述；第n介质层的制备方法与第二介质层的制备方法一致，在此不再赘述；第n-1介质层材料与第n介质层材料的成分不同。
本发明提供了一种钙钛矿电池，包括：
空穴传输层，所述空穴传输层为上述技术方案所述的空穴传输层；
设置在所述空穴传输层表面的钙钛矿层；
设置在所述钙钛矿层表面的电子传输层；
设置在所述电子传输层表面的电极。
在本发明中，所述钙钛矿层的成分优选选自有机-无机杂化铅卤钙钛矿、有机-无机杂化锡/铅混合卤钙钛矿、全无机钙钛矿等具有钙钛矿晶型的吸光材料；更优选包括：PbI2和MAI；所述PbI2和MAI的质量比优选为（3~4）：（1~1.5），更优选为（3.5~3.8）：（1.2~1.4），最优选为3.688：1.272。
在本发明中，所述钙钛矿层的厚度优选为50nm~1.5μm，更优选为100nm~1μm，更优选为200nm~800nm，更优选为300nm~600nm，最优选为450nm。
在本发明中，所述电子传输层的成分优选选自SnO2、TiO2、富勒烯以及富勒烯衍生物等，更优选为C60。
在本发明中，所述电子传输层的厚度优选为15~500nm，更优选为50~400nm，更优选为100~300nm，最优选为200nm。
在本发明中，所述电极的成分优选选自金、银、铜等金属材料以及石墨烯、无定形碳等碳材料，更优选为Ag。
在本发明中，所述电极的厚度优选为20nm~50μm，更优选为100nm~40μm，更优选为500nm~30μm，更优选为1~20μm，更优选为5~15μm，最优选为10μm。
在本发明的实施例中，所述钙钛矿电池的结构示意图包括：
顶电极（1）、电子传输层（2）、钙钛矿层（3）、空穴传输层（4）、透明导电玻璃基底（5），空穴传输层（4）的结构示意图如图2所示，包括：介质层1（6）、介质层2（7）、介质层n（8）、介质层n+1（9）。
在本发明中，所述钙钛矿电池的制备方法优选包括：
在空穴传输层表面制备钙钛矿层；
在所述钙钛矿层表面制备电子传输层；
在所述电子传输层表面制备电极。
在本发明中，所述空穴传输层的制备方法与上述技术方案所述一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述钙钛矿层的制备方法优选包括：
将钙钛矿材料在空穴传输层表面制备成膜。
在本发明中，所述钙钛矿材料优选选自有机-无机杂化铅卤钙钛矿、有机-无机杂化锡/铅混合卤钙钛矿、全无机钙钛矿等具有钙钛矿晶型的吸光材料；优选包括：PbI2和MAI；所述PbI2和MAI的质量比优选为（3~4）：（1~1.5），更优选为（3.5~3.8）：（1.2~1.4），最优选为3.688：1.272。
在本发明中，所述钙钛矿材料优选为钙钛矿材料溶液，所述钙钛矿材料溶液的质量浓度优选为20~30%，更优选为25%；所述钙钛矿材料溶液的摩尔浓度优选为0.6~1.0mol/L，更优选为0.7~0.9mol/L，最优选为0.8mol/L；所述钙钛矿材料溶液中的溶剂优选包括：DMF和NMP；所述DMF和NMP的体积比优选为（85~95）：（5~15），更优选为90：10。
在本发明中，所述制备成膜的方法可以为旋涂、刮涂、喷涂、狭缝涂布、丝网印刷、蒸发、CVD等，优选为刮涂法；所述刮涂过程中的速度优选为5~15mm/s，更优选为8~12mm/s，最优选为10mm/s。
在本发明中，所述制备成膜后优选还包括：
进行退火处理。
在本发明中，所述退火处理的温度优选为120~140℃，更优选为130℃；所述退火处理的时间优选为10~30分钟，更优选为20分钟。
在本发明中，所述电子传输层的制备方法优选包括：
将电子传输材料层材料在钙钛矿层表面制备成膜。
在本发明中，所述电子传输层材料优选选自SnO2、TiO2、富勒烯以及富勒烯衍生物等，更优选为C60。
在本发明中，所述制备成膜的方法可以为旋涂、刮涂、喷涂、狭缝涂布、丝网印刷、蒸发、磁控溅射、CVD、热蒸镀沉积等，更优选为热蒸镀沉积。
在本发明中，所述电极的制备方法优选包括：
将电极材料在电子传输层表面制备成膜。
在本发明中，所述电极材料优选选自金、银、铜等金属材料以及石墨烯、无定形碳等碳材料，更优选为Ag。
在本发明中，所述制备成膜的可以为磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积、脉冲激光沉积、蒸镀等，更优选为蒸镀，所述蒸镀过程中优选在高真空环境下，所述高真空优选为＜5x10-4Pa；所述蒸镀的速度优选为0.1~0.3 Å/s，更优选为0.2 Å/s。
本发明采用由两种介质层交替排列而成的空穴传输层，利用两种介质层不同的折射率，根据布拉格衍射效应，可限制某一波段的可见光在介质层中传输，通过调控介质层的材料种类、厚度及层数，使光的波段位于可见光范围内，进而实现钙钛矿电池的色彩化制备。
实施例1
将FTO透明导电玻璃裁成4cm×4cm的片，置于离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20min后，氮气吹干后保存备用。
制备WO3介质层1，采用磁控溅射法，厚度100nm，350℃退火1h。
制备NiO介质层2，采用磁控溅射法，厚度20nm，350℃退火1h。
在上述介质层2（空穴传输层）上沉积钙钛矿层，配置摩尔浓度0.8M的钙钛矿层（成分为3.688g PbI2，1.272g MAI）前驱液10ml，溶剂为90%DMF+10%NMP，采用刮涂法在介质层2表面制备钙钛矿活性层，刮涂速度10mm/s，经130℃退火20分钟，最终厚度为450nm的钙钛矿层。
在钙钛矿层表面沉积电子传输层，采用热蒸镀法沉积C60，厚度15nm。
在电子传输层表面沉积顶电极，在电子传输层表面蒸镀制备金属Ag电极层，在高真空（<5×10-4 Pa）环境下，将金属Ag蒸镀到电子传输层表面，蒸速为0.2 Å/s，厚度100 nm，得到钙钛矿太阳能电池。
实施例2
将FTO透明导电玻璃裁成4cm×4cm的片，置于离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20min后，氮气吹干后保存备用。
制备WO3介质层1，采用磁控溅射法，厚度20nm，350℃退火1h。
制备NiO介质层2，采用磁控溅射法，厚度100nm，350℃退火1h。
制备WO3介质层3，采用磁控溅射法，厚度20nm，350℃退火1h。
制备NiO介质层4，采用磁控溅射法，厚度100nm，350℃退火1h。
在上述介质层4（空穴传输层）上沉积钙钛矿层，配置摩尔浓度0.8M的钙钛矿层（成分为3.688g PbI2，1.272g MAI）前驱液10ml，溶剂为90%DMF+10%NMP，采用刮涂法在介质层4表面制备钙钛矿活性层，刮涂速度10mm/s，经130℃退火20分钟，最终厚度为450nm的钙钛矿层。
在钙钛矿层表面沉积电子传输层，采用热蒸镀法沉积C60，厚度15nm。
在电子传输层表面沉积顶电极，在电子传输层表面蒸镀制备金属Ag电极层，在高真空（<5×10-4 Pa）环境下，将金属Ag蒸镀到电子传输层表面，蒸速为0.2 Å/s，厚度100 nm，得到钙钛矿太阳能电池。
实施例3
将FTO透明导电玻璃裁成4cm×4cm的片，置于离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20min后，氮气吹干后保存备用。
制备WO3介质层1，采用磁控溅射法，厚度100nm，350℃退火1h。
制备NiO介质层2，采用磁控溅射法，厚度20nm，350℃退火1h。
制备WO3介质层3，采用磁控溅射法，厚度100nm，350℃退火1h。
制备NiO介质层4，采用磁控溅射法，厚度20nm，350℃退火1h。
在上述介质层4（空穴传输层）上沉积钙钛矿层，配置摩尔浓度0.8M的钙钛矿层（成分为3.688g PbI2，1.272g MAI）前驱液10ml，溶剂为90%DMF+10%NMP，采用刮涂法在介质层4表面制备钙钛矿活性层，刮涂速度10mm/s，经130℃退火20分钟，最终厚度为450nm的钙钛矿层。
在钙钛矿层表面沉积电子传输层，采用热蒸镀法沉积C60，厚度15nm。
在电子传输层表面沉积顶电极，在电子传输层表面蒸镀制备金属Ag电极层，在高真空（<5×10-4 Pa）环境下，将金属Ag蒸镀到电子传输层表面，蒸速为0.2 Å/s，厚度100 nm，得到钙钛矿太阳能电池。
性能检测
采用紫外-可见分光光度计对实施例制备的空穴传输层（包括透明导电玻璃和设置在其上的所用介质层）进行反射光谱测试（包括反射峰位置和半波宽），检测结果如下，可以看出，介质层层数为2时不显示颜色，介质层层数增加为4时，显示颜色与各层厚度相关。
参数 实施例1 实施例2 实施例3
反射峰位置（nm） / 610 590
半波宽（nm） / 70 78
颜色 棕色 红色 黄色
本发明通过构建具有一维光子晶体结构的空穴传输层，实现钙钛矿电池的色彩化，一维光子晶体结构包括两种介质层，可通过介质层的种类，单层介质层的厚度及介质层的层数调控颜色，且获得的钙钛矿电池的颜色还与光的入射角度有关，从不同角度显示出不同的颜色，更具美学价值。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (8)

1.一种空穴传输层，包括：
设置在基底表面的第一介质层；
设置在所述第一介质层表面的第二介质层；
设置在所述第二介质层表面的第三介质层；
设置在所述第三介质层表面的第四介质层；
所述第一介质层的成分为WO3；
所述第二介质层的成分为NiO；
所述第三介质层的成分为WO3；
所述第四介质层的成分为NiO；
所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层共同形成一维光子晶体。
2.根据权利要求1所述的空穴传输层，其特征在于，所述介质层的厚度独立的选自10~500nm。
3.根据权利要求1所述的空穴传输层，其特征在于，所述基底选自FTO、ITO、AZO。
4.一种钙钛矿电池，包括：
基底；
空穴传输层，所述空穴传输层为权利要求1所述的空穴传输层；
设置在所述空穴传输层表面的钙钛矿层；
设置在所述钙钛矿层表面的电子传输层；
设置在所述电子传输层表面的电极。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿层的成分选自有机-无机杂化铅卤钙钛矿、有机-无机杂化锡/铅混合卤钙钛矿、全无机钙钛矿。
6.根据权利要求4所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述电子传输层的成分选自SnO2、TiO2、富勒烯以及富勒烯衍生物。
7.根据权利要求4所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述电极的成分选自金、银、铜、石墨烯、无定形碳。
8.根据权利要求4所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿层的厚度为50nm~1.5μm；
所述电子传输层的厚度为15~500nm；
所述电极的厚度为20nm~50μm。
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