CN115332445A - 一种用于钙钛矿太阳能电池自编织准单层pedot:pss膜及制备方法 - Google Patents

一种用于钙钛矿太阳能电池自编织准单层pedot:pss膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜及其制备方法。本发明所述自编织准单层PEDOT:PSS膜是传统PEDOT:PSS薄膜的改进。本发明应用的钙钛矿太阳能电池由上到下依次为透明导电衬底、自编织准单层PEDOT:PSS膜、钙钛矿吸光层、电子传输层、缓冲层和金属电极。本发明基于PEDOT:PSS的固有极性以及透明导电衬底的表面特性，设计并制备了一种用于传导空穴的自编织准单层PEDOT:PSS并应用在钙钛矿太阳能电池中。所述的自编织准单层PEDOT:PSS完全采用溶液自组装的方式制备，操作简单、成本低廉，且稳定性好，易于产业化。

Description

一种用于钙钛矿太阳能电池自编织准单层PEDOT:PSS膜及制 备方法
技术领域
本发明涉及薄膜材料与器件技术领域，特别是涉及一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜及其制备方法。
背景技术
在此能源伴随社会发展，人类利用电能已经有近200年的历史。近年来，传统能源发电所引发的环境污染已经受到国内外的广泛关注，新能源的开发和利用成为当今世界的主题之一。太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，无疑是目前最具前景的方向之一。硅基太阳能电池目前已经实现产业化，且有着成熟的产业链与市场，但迅猛发展的背后依旧存在较为严重的高能耗与高污染问题。因此，研究和开发新型薄膜太阳能电池十分必要。钙钛矿太阳能电池在十余年的发展中，效率世界纪录已经提升到25.5%，被认为是最具潜力的太阳能电池之一。
钙钛矿太阳能电池是由特有的三明治结构，倒置和正置结构是钙钛矿太阳能电池的主流结构。倒置结构具有制备简单，无迟滞等优点，由上到下依次为透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、背电极。PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate))是目前使用最多的空穴传输材料之一，同时在钙钛矿制备中，PEDOT:PSS作为制备基底，对钙钛矿吸光层的制备产生直接的影响。除酸性外，光学结构不匹配限制了PEDOT:PSS的进一步发展。因此，在开发空穴传输层过程中，解决酸性、光学匹配等问题刻不容缓。
发明内容
本发明涉及一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜及其制备方法。针对现有技术研究的不足，旨在提供一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜及其制备方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜，包括透明导电衬底，所述透明导电衬底上设有自编织准单层PEDOT:PSS膜。
在本发明的实施例中，所述透明导电衬底选自沉积有重掺杂金属氧化物的透明玻璃或柔性衬底。
在本发明的实施例中，所述自编织准单层PEDOT:PSS选自聚离子复合物PEDOT:PSS水溶液。
在本发明的实施例中，所述太阳能电池空穴传输层选用自编织准单层PEDOT:PSS空穴传输层。
在本发明的实施例中，所述太阳能电池钙钛矿吸光层选自有机无机杂化钙钛矿材料。
在本发明的实施例中，所述太阳能电池电子传输层选自富勒烯及其衍生物。
在本发明的实施例中，所述太阳能电池背电极选自BCP/Ag电极。
本发明第二方面提供一种自编织准单层PEDOT:PSS膜的制备方法，包括以下步骤：
1）透明导电衬底表面洁净处理：采用稀释200倍的Decon 90清洗液，去离子水依此清洗，清洗液超声30分钟，跟换去离子水3-5次，每次10分钟；
2）自编织准单层PEDOT:PSS膜自组装：采用质量分数为1.2%-1.7%的AI 4083作为PEDOT:PSS原料。
在本发明的一些实施例中，自编织准单层PEDOT:PSS膜的制备包括以下步骤：
2）PEDOT:PSS溶液在保存温度10±5℃条件下稀释至0.1-0.05%；
3）室温下，静置30分钟；
3）洁净的透明导电衬底ITO浸入稀释后的PEDOT:PSS溶液，持续浸泡10分钟；
4）浸跑后的基片用高压氮气迅速吹干；
5）120℃加热板退火20分钟。
在本发明的一些实施例中，所述透明导电衬底选自导电玻璃ITO。
在本发明的一些实施例中，所述PEDOT:PSS溶液选择AI 4083。
如上所述，本发明的一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜及其制备方法，具有以下有益效果：（1）本发明基于静电吸附的基本原理，利用自组装的方式筛选和锚定PEDOT:PSS，有效降低游离PSS的比例；（2）单层有序PEDOT:PSS在退火中形成稳定的结合以及界面偶极，提高了薄膜在ITO表面的稳定性和空穴的传递；（3）自组装层具有厚度仅为0.5-1nm，减弱内部光学干涉引起的光损耗；（4）自组装不同于传统涂覆制备，能够有效解决薄膜厚度与覆盖度的矛盾，保证单层的基础上实现高覆盖度，提升薄膜的电子的阻挡概率。所述的单层有序PEDOT:PSS膜完全采用自组装的工艺，操作简单，成本低廉，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1显示为本发明实施例中自编织准单层PEDOT:PSS的结构示意图。
图2显示为本发明实施例中太阳能电池的结构示意图。
图3显示为本发明实施例中太阳能电池中光学干涉示意图。
图4显示为本发明实施例中自编织准单层PEDOT:PSS透射电镜图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明的钙钛矿太阳能电池的制备主要包括以下步骤：
1）透明导电衬底表面洁净处理：采用稀释200倍的Decon 90清洗液，去离子水依此清洗，清洗液超声30分钟，跟换去离子水3-5次，每次10分钟；
2）自编织准单层PEDOT:PSS膜自组装：（1）PEDOT:PSS溶液在保存温度10±5℃条件下稀释至0.05%，（2）室温下静置30分钟，（3）洁净的透明导电衬底浸入稀释后的PEDOT:PSS溶液，持续浸泡20分钟，（4）浸跑后的基片用高压氮气迅速吹干，（5）120℃加热板退火30分钟，自编织准单层PEDOT:PSS厚度在0.5-1nm左右；
3）钙钛矿吸光层的制备：使用一步反溶剂旋涂法，按照以下步骤制备钙钛矿层。钙钛矿前躯体溶液由PbCl2、PbI2和CH3NH3I按照0.14：1.26：1.4的摩尔比配制得到，具体地，将0.14 mmol PbCl2、1.26 mmol PbI2和1.4 mmol MAI溶解在1mL DMF和DMSO的混合溶剂中（DMF与DMSO的体积比9:1），常温搅拌12小时备用；在手套箱中，在退火好的自编织准单层PEDOT:PSS的基片上旋涂钙钛矿前驱体，形成钙钛矿薄膜，转速4000 r/min，时间30s。旋涂后的薄膜在50℃和85℃恒温热台上分别烘烤2分钟和30分钟，获得约480nm厚的钙钛矿吸光层；
4）电子传输层制备：将制备好钙钛矿吸光层的基片转移至10-5真空环境下，沉积电子传输层C60，期间用石英晶振监测厚度至40 nm；
5）背电极制备：在C60电子传输层上继续沉积7 nm BCP层作为电极修饰层，电极修饰层上沉积120 nm Ag作为背电极。
在整个钙钛矿太阳能电池制备完成，制备完成的电池在AM1.5G模拟太阳光下测试该电池的伏安特性曲线，获得如图4所示的伏安特性曲线图。光伏参数为短路电流21.43mA/cm2，开路电压1.13V，填充因子0.80，能量转换效率19.37%。黑暗条件下存储2个月，器件效率保持了初始效率的80%，证明器件稳定性良好。而单使用旋涂较厚PEDOT:PSS作为空穴传输层的对比器件A能量转换效率为15.6%，短路电流为18.6 mA/cm2，填充因子为79.3%；旋涂稀释PEDOT:PSS作为空穴传输层的对比器件B能量转换效率仅为16.9%，短路电流为18.6mA/cm2，填充因子为79.3%。证明自组装自编织准单层PEDOT:PSS膜空穴传输和减弱光学损耗的优异性质。黑暗条件下存储2个月，对比器件A和B保持的能量转换效率低于初始效率的50%和30%，证明自组装的自编织准单层PEDOT:PSS膜作为空穴传输层能够显著提高器件的能量转化效率和寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种用于钙钛矿太阳能电池空穴传输的自编织准单层PEDOT:PSS膜，其特征在于，包括透明导电衬底，所述衬底上设有自编织准单层PEDOT:PSS膜；所述太阳能电池其特征在于，由上到下依次为透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、背电极。
2.根据权利要求1所述的自编织准单层PEDOT:PSS膜，其特征在于：所述导电电极选自沉积有重掺杂金属氧化物的透明玻璃或柔性衬底；优选地，重掺杂金属氧化物选自ITO、FTO、AZO或IZO。
3.根据权利要求1所述的自编织准单层PEDOT:PSS膜，其特征在于：所述自编织准单层PEDOT:PSS膜选自交联型PEDOT:PSS水溶液，优选为贺利氏 AI 4083 或PH 1000。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，空穴传输层选用权利要求2所述的自编织准单层PEDOT:PSS空穴传输层。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述的钙钛矿吸光层选自有机无机杂化钙钛矿材料。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，电子传输层选自富勒烯及其衍生物，优选为C60或PCBM。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，背电极选自BCP/Ag电极，BCP作为电极的修饰层。
8.根据权利要求1-3任意一项所述自编织准单层PEDOT:PSS的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）透明导电衬底表面洁净处理：采用去离子水稀释的Decon 90清洗液和去离子水依次清洗，具体地清洗液超声30分钟，更换去离子水3-5次，每次10分钟；
2）自编织准单层PEDOT:PSS膜自组装：采用质量分数为1.2%-1.7%的AI 4083作为PEDOT:PSS原料。
9.根据权利要求4-7所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在自编织准单层PEDOT:PSS膜上制备钙钛矿吸光层；
2）在钙钛矿光吸收层上制备电子传输层；
3）在电子传输层上制备背电极。
10.根据权利要求5所述有机无机杂化钙钛矿材料，其特征在于，具有钙钛矿八面体笼状结构，三种晶格位点组成为ABX3，优选地，A位点为甲胺(CH3NH3I)或甲脒((CH3)2NH3I)，位点为铅或锡，X位点为卤素。
11.根据权利要求1、8中所述自编织准单层PEDOT:PSS的制备方法，其特征在于，自编织准单层PEDOT:PSS膜的自组装，包括以下步骤：
1） PEDOT:PSS溶液在保存温度±5℃条件下稀释至0.1-0.05%；
2） 室温下，静置30分钟；
3） 洁净的透明导电衬底ITO浸入稀释后的PEDOT:PSS溶液，持续浸泡10分钟；
4） 浸泡后的基片用高压氮气迅速吹干；
5） 120℃加热板退火20分钟。
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