CN115353876A - 一种增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源、光电半导体的技术领域,具体涉及一种增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,向ABX3钙钛矿太阳能电池的ABX3钙钛矿的A位阳离子引入联胺阳离子HA+。本发明的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,向钙钛矿的离子型晶体中引入联胺阳离子,通过控制联胺阳离子在钙钛矿中的含量,来控制钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及热稳定,使其在高的光电转换效率下也具有很好的热稳定性。扫除了钙钛矿在现实生活与生产中应用的部分障碍,拓展了钙钛矿的使用环境。同时本发明的方法可以应用于宽带隙、窄带隙、正式器件以及倒置器件中,具有简单易行,应用范围广泛的特点。
Description
技术领域
本发明涉及新能源、光电半导体的技术领域,具体涉及一种增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法。
背景技术
钙钛矿是一种具有ABX3离子型晶体结构的光电半导体材料。在晶体结构中,A代表的是一价阳离子,例如甲脒离子(FA+)、甲胺离子(MA+)以及铯离子(Cs+);B代表的是二价金属阳离子,例如铅离子(Pb2+)和锡离子(Sn2+);X代表的是卤素阴离子,氯离子(Cl-)、溴离子(Br-)以及碘离子(I-)。由于钙钛矿具有很多优点,例如对光具有高的吸收系数、可调的带隙、对杂质和缺陷有高的容忍能力以及晶格具有柔性的特点,所以在很多方面具有广泛的应用。例如可以利用可调的带隙,制备具有不同带隙的钙钛矿太阳能电池器件,来应对不同的使用场景;利用晶格柔性的特点,可以制备柔性器件,应用于可穿戴的设备上。钙钛矿具有许多优点的同时,也有一些亟待解决的问题,目前使用多的高效钙钛矿太阳能电池,是有机物以及金属离子混合的卤化物钙钛矿太阳能电池,由于一些有机物具有热不稳定易挥发的特点,例如目前在钙钛矿中使用很多的甲胺离子,在加热的环境下,易挥发,从钙钛矿薄膜中脱去,致使钙钛矿在热的环境下发生降解,从而最终使钙钛矿太阳能电池的器件效率降低以及失。目前,如果不将甲胺引入钙钛矿中,钙钛矿太阳能电池的效率又得不到令人满意的结果,所以寻找新的更稳定的有机分子代替甲胺是一种很好的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,向钙钛矿的离子型晶体中引入联胺阳离子,通过控制联胺阳离子在钙钛矿中的含量,来控制钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及热稳定,使其在高的光电转换效率下也具有很好的热稳定性。扫除了钙钛矿在现实生活与生产中应用的部分障碍,拓展了钙钛矿的使用环境。
本发明实现目的所采用的方案是:一种增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,向ABX3钙钛矿太阳能电池的ABX3钙钛矿的A位阳离子引入联胺阳离子HA+。
优选地,所述联胺阳离子占A位阳离子总体的摩尔百分数为0<HA+≤15 %。
优选地,所述A位阳离子还包含甲脒离子FA+、铯离子Cs+、甲胺离子MA+中的至少一种。
优选地,所述甲脒离子FA+占A位阳离子总体的摩尔百分数为80% - 95%,铯离子Cs+占A位阳离子总体的摩尔百分数为0- 10%,甲胺离子MA+占A位阳离子总体的摩尔百分数为0-16%。
优选地,所述X为Br-和I-,其中Br-的含量占X总含量的摩尔百分数为0- 40%,余量为I-。
优选地,所述B位离子为铅离子Pb2+。
优选地,所述联胺阳离子HA+通过在制备ABX3钙钛矿时加入联胺盐引入,所述ABX3钙钛矿通过溶液法制备。
优选地,采用溶液法制备ABX3组分的浓度为1-2M。
优选地,采用溶液法制备ABX3钙钛矿时采用的溶剂为体积为0-5:10的二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的混合液,或者体积比为1:(0-1):(8-9)的二甲基亚砜以及N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合液,或者是体积比为1:1-2的乙醇和二甲基乙酰胺溶液,或者是7:3-9:1的2-甲氧基乙醇和二甲基亚砜混合溶液,或者是7:3-9:1的γ-丁内酯和二甲基亚砜混合溶液。
优选地,所述联胺盐为联胺氢溴酸盐和/或联胺氢碘酸盐。
本发明的方法是向钙钛矿中引入新的A位阳离子--联胺阳离子(HA+)。联胺是一种含有两个氮原子的有机分子,由于分子间具有更多数量的氢键,所以它是一种热稳定更好的有机分子,将联胺阳离子与传统的钙钛矿组分相混合,通过溶液发制备钙钛矿太阳能电池。
通过将联胺阳离子引入到钙钛矿薄膜中,联胺离子在薄膜中与铅离子之间的相互作用得到增强,这样就降低了联胺的挥发性,增强了钙钛矿薄膜的热稳定性。同时可以通过控制联胺离子在钙钛矿中的含量,从而调控钙钛矿太阳能电池的效率以及热稳定性。该方法简单易行,从钙钛矿组分的本质上改善热稳定性,同时可以应用于多种结构的概况太阳能电池中。
本发明具有以下优点和有益效果:
本发明的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,向钙钛矿的离子型晶体中引入联胺阳离子,通过控制联胺阳离子在钙钛矿中的含量,来控制钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及热稳定,使其在高的光电转换效率下也具有很好的热稳定性。扫除了钙钛矿在现实生活与生产中应用的部分障碍,拓展了钙钛矿的使用环境。
同时本发明的方法可以应用于宽带隙、窄带隙、正式器件以及倒置器件中,具有简单易行,应用范围广泛的特点。
附图说明
图1是实施例1-3分别制备的组分为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.9HA0.1)0.1PbI3、(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.8HA0.2)0.1PbI3、(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.6HA0.4)0.1PbI3的实物图,其中A为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.9HA0.1)0.1PbI3、B为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.8HA0.2)0.1PbI3、C为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.6HA0.4)0.1PbI3;
图2是实施例1-3分别制备的组分为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.9HA0.1)0.1PbI3、(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.8HA0.2)0.1PbI3、(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.6HA0.4)0.1PbI3的紫外吸收图谱,其中A为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.9HA0.1)0.1PbI3、B为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.8HA0.2)0.1PbI3、C为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.6HA0.4)0.1PbI3;
图3是实施例4制备的组分为FA0.8HA0.15Cs0.05PbI3的150℃老化X射线衍射图谱;
图4是对比例制备的组分为FA0.8MA0.15Cs0.05PbI3的150℃老化X射线衍射图谱。
具体实施方式
为更好的理解本发明,下面的实施例是对本发明的进一步说明,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明的钙钛矿电池的整体结构为现有技术,组成为电极/空穴传输层/钙钛矿薄膜/电子传输层/电极,在本发明的钙钛矿太阳能电池器件的制备过程中,主要研究的是钙钛矿薄膜这一层,为光活性层,主要进行光电转化,其它层为现有常规选择,在此不做赘述。
本发明的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,是以溶液法制备钙钛矿太阳能电池。首先通过制备钙钛矿前驱体溶液,溶液中包含甲脒离子、甲胺离子、铯离子、铅离子、碘离子以及溴离子,然后向溶液中引入联胺离子,通过旋涂、退火制备。所述甲脒离子FA+占A位阳离子总体的摩尔百分数为80% - 95%,铯离子Cs+占A位阳离子总体的摩尔百分数为0-10%,甲胺离子MA+占A位阳离子总体的摩尔百分数为0-16%,所述X为Br-和I-,其中Br-的含量占X总含量的摩尔百分数为0- 40%,余量为I-。所述B位离子为铅离子Pb2+。在手套箱中经过旋涂后,100 ℃退火30 min。
实施例1
将FAI粉末、MAI粉末、CsI粉末、HAI粉末以及PbI2粉末按照一定的比例进行混合,溶解于DMF/DMSO的混合溶液中(体积比DMF:DMSO = 4 : 1),配置比例为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.9HA0.1)0.1PbI3钙钛矿前驱体溶液,通过反溶剂一步法进行旋涂,然后再100℃下进行退火,得到的薄膜如图1,得到致密平整的薄膜。然后进行紫外吸收测定,得到吸收图谱如图2,从图中可以看出在UV-vis的图谱中,波长825nm开始发生了吸收,这是钙钛矿组分产生的吸收,说明形成了钙钛矿相。
实施例2
将FAI粉末、MAI粉末、CsI粉末、HAI粉末以及PbI2粉末按照一定的比例进行混合,溶解于DMF/DMSO的混合溶液中(体积比DMF:DMSO = 4 : 1),配置比例为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.8HA0.2)0.1PbI3(x=0.2)钙钛矿前驱体溶液,通过反溶剂一步法进行旋涂,然后再100℃下进行退火,得到的薄膜如图1,得到致密平整的薄膜。然后进行紫外吸收测定,得到吸收图谱如图2,从图中可以看出在UV-vis的图谱中,波长825nm开始发生了吸收,这是钙钛矿组分产生的吸收,说明形成了钙钛矿相。
实施例3
将FAI粉末、MAI粉末、CsI粉末、HAI粉末以及PbI2粉末按照一定的比例进行混合,溶解于DMF/DMSO的混合溶液中(体积比DMF : DMSO = 4 : 1),配置比例为(FA0.95Cs0.05)0.9(MA0.6HA0.4)0.1PbI3(x=0.4)钙钛矿前驱体溶液,通过反溶剂一步法进行旋涂,然后再100℃下进行退火,得到的薄膜如图1,得到致密平整的薄膜。然后进行紫外吸收测定,得到吸收图谱如图2,从图中可以看出在UV-vis的图谱中,波长825nm开始发生了吸收,这是钙钛矿组分产生的吸收,说明形成了钙钛矿相。从实物图以及紫外吸收可以看出,改变HA在钙钛矿中的含量组分,对钙钛矿薄膜的外观以及紫外吸收谱没有明显的影响。
实施例4
将FAI粉末、MAI粉末、CsI粉末、HAI粉末以及PbI2粉末按照一定的比例进行混合,溶解于DMF/DMSO的混合溶液中(体积比DMF : DMSO = 4 : 1),配置比例为FA0.8HA0.15Cs0.05PbI3钙钛矿前驱体溶液,通过反溶剂一步法进行旋涂,然后再100℃下进行退火,得到钙钛矿薄膜后,在X射线衍射仪上,150℃进行原位热老化测试,得到的X射线衍射图谱随时间的变化如图3。
对比例
将FAI粉末、MAI粉末、CsI粉末以及PbI2粉末按照一定的比例进行混合,溶解于DMF/DMSO的混合溶液中(体积比DMF : DMSO = 4 : 1),配置比例为FA0.8MA0.15Cs0.05PbI3钙钛矿前驱体溶液,通过反溶剂一步法进行旋涂,然后再100℃下进行退火,得到钙钛矿薄膜后,在X射线衍射仪上,150℃进行原位热老化测试,得到的X射线衍射图谱随时间的变化如图4。
对比图3和图4可以看到,经过100℃退火后,是实施例4和对比例制备的产物均形成了钙钛矿(14°),但是在在150℃下,含有MA的钙钛矿,PbI2的峰(12.7°)增加的更快,最终产生的PbI2的峰更高。同时含有HA的钙钛矿,钙钛矿的峰更高,证明含有HA的钙钛矿热稳定更好。PbI2是分解后的产物,在150℃的环境下,谁的PbI2峰产生得高,就证明谁分解得更快更多,代表稳定性更差。
以上所述是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和变动,这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:向ABX3钙钛矿太阳能电池的ABX3钙钛矿的A位阳离子引入联胺阳离子HA+。
2.根据权利要求1所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述联胺阳离子占A位阳离子总体的摩尔百分数为0<HA+≤15 %。
3.根据权利要求1所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述A位阳离子还包含甲脒离子FA+、铯离子Cs+、甲胺离子MA+中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述甲脒离子FA+占A位阳离子总体的摩尔百分数为80% - 95%,铯离子Cs+占A位阳离子总体的摩尔百分数为0- 10%,甲胺离子MA+占A位阳离子总体的摩尔百分数为0-16%。
5.根据权利要求1所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述X为Br-和I-,其中Br-的含量占X总含量的摩尔百分数为0- 40%,余量为I-。
6.根据权利要求1所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述B位离子为铅离子Pb2+。
7.根据权利要求1所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述联胺阳离子HA+通过在制备ABX3钙钛矿时加入联胺盐引入,所述ABX3钙钛矿通过溶液法制备。
8.根据权利要求7所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:采用溶液法制备ABX3组分的浓度为1-2M。
9.根据权利要求1所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:采用溶液法制备ABX3钙钛矿时采用的溶剂为体积为0-5:10的二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的混合液,或者体积比为1:(0-1):(8-9)的二甲基亚砜以及N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合液,或者是体积比为1:1-2的乙醇和二甲基乙酰胺溶液,或者是7:3-9:1的2-甲氧基乙醇和二甲基亚砜混合溶液,或者是7:3-9:1的γ-丁内酯和二甲基亚砜混合溶液。
10.根据权利要求7所述的增强钙钛矿太阳能电池热稳定性的方法,其特征在于:所述联胺盐为联胺氢溴酸盐和/或联胺氢碘酸盐。
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CN110120455A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-13 | 武汉大学 | 一种基于双效种子生长法的钙钛矿光伏薄膜制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
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LUYAO WANG ET AL.,: "Favorable grain growth of thermally stable formamidinium-methylammonium perovskite solar cells by hydrazine chloride", 《CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL》 * |
余珊珊: "肼离子混合甲脒基钙钛矿太阳能电池研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》》 * |
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