CN115521286B - 一种电子传输层添加剂、电子传输层及钙钛矿太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子传输层添加剂、电子传输层及钙钛矿太阳能电池，所述添加剂由18‑冠醚‑6及碱金属盐组成，所述电子传输层的制备方法是将所述添加剂添加到电子传输层主体材料中得到混合溶液，再将混合液旋涂到透明导电层或钙钛矿吸收层上，退火即得电子传输层。所述钙钛矿太阳能电池是由玻璃基板、透明导电层、所述电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层及背电极组成。通过18‑冠醚‑6络合钾离子处理后的钙钛矿太阳能电池器件，不仅消除了器件的迟滞现象，还改善了钙钛矿太阳能电池器件的短路电流、开路电压、填充因子、转换效率以及长期稳定性，其光电转换效率达21.57%，连续光照500h后，光电转换效率仍可保持在初始效率90%以上。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏技术领域，具体涉及一种电子传输层添加剂、电子传输层及钙钛矿太阳能电池。
背景技术
为提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性，通常在钙钛矿吸收层、电子传输层中添加缺陷钝化材料。电子传输层(ETL)是钙钛矿太阳能电池的关键组成部分，其质量不仅影响电池中电子电荷的提取，而且对钙钛矿吸收层晶体形貌、缺陷态密度等有至关重要的影响。但钙钛矿太阳能电池中，由于电子传输层材料通常选用SnO2、TiO2、ZnOx等无机材料，与有机无机杂化钙钛矿吸收层材料之间的晶格失配、应力等因素，导致钙钛矿电池器件性能下降。
本发明旨在提供一种电子传输层添加剂，以改善钙钛矿吸收层与电子传输层界面处的性质，从而获得高效稳定的钙钛矿电池。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种电子传输层添加剂，第二目的是提供一种添加了所述电子传输层添加剂的电子传输层，本发明的第三目的是提供一种钙钛矿太阳能电池。
本发明的第一目的是这样实现的，一种电子传输层添加剂，由18-冠醚-6及碱金属盐组成。
本发明的第二目的是这样实现的，一种电子传输层，其制备方法是将所述添加剂添加到电子传输层主体材料中得到混合溶液，再将混合液旋涂到透明导电层或钙钛矿吸收层上，退火即得目标电子传输层；
所述电子传输层主体材料中添加的18-冠醚-6的质量浓度为0.2-0.4mg/mL；
所述电子传输层主体材料中添加的碱金属盐的质量浓度为2-4mg/mL。
本发明的第三目的是这样实现的，一种钙钛矿太阳能电池，是依次由玻璃基板、透明导电层、所述电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层及背电极组成。
本发明的原理及有益效果：
本发明选取18-冠醚-6络合钾离子作为电子传输层添加剂材料，制备电子传输层的方法简单，既改善了电子传输层材料的表面性质，同时由于钙钛矿吸收层制备过程中，18-冠醚-6络合钾离子扩散到钙钛矿吸收层中，从而影响钙钛矿吸收层材料的形貌、性质，络合物可改善电子传输层界面形貌，从而影响钙钛矿晶体生长，达到调节钙钛矿吸收层与电子传输层间晶格匹配、能级匹配度、钝化界面处缺陷态、增加钙钛矿吸收层和电子传输层间的结合力等作用。
冠醚分子本身是具有确定的大环结构18-冠醚-6分子，对钾离子具有较高的亲和力和选择性，形成络合物后，由于冠醚的大环结构效应使得配合更为稳定。另外，冠醚分子中既含有疏水性的外部骨架，又含有亲水性的可以和金属离子成键的内腔，所以当冠醚分子的内腔和金属离子配位后，C-O偶极失去了内腔亲水性，通过18-冠醚-6络合钾离子处理后的器件，不仅消除了器件的迟滞现象，还改善了钙钛矿太阳能电池器件的短路电流、开路电压、填充因子、转换效率以及长期稳定性，其光电转换效率达21.57%，连续光照500h后，光电转换效率仍可保持在初始效率90%以上。
附图说明
图1为本发明对比例1制备的钙钛矿太阳能电池器件的钙钛矿吸收层薄膜SEM表面图及断面图；
图2为本发明实施例1制备的钙钛矿太阳能电池器件的钙钛矿吸收层薄膜SEM表面图及断面图；
图3为本发明实施例1制备的钙钛矿太阳能电池器件的电流密度与电压关系曲线图；
图4为本发明实施例1制备的钙钛矿电池器件的稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
本发明一种电子传输层添加剂，由18-冠醚-6及碱金属盐组成。
所述碱金属盐为硫酸钾、卤化钾、氢氧化钾或碳酸钾。
本发明还提供了一种电子传输层，其制备方法是将所述添加剂添加到电子传输层主体材料中得到混合溶液，再将混合液旋涂到透明导电层或钙钛矿吸收层上，退火即得目标电子传输层；
所述电子传输层主体材料中添加的18-冠醚-6的质量浓度为0.2-0.4mg/mL；
所述电子传输层主体材料中添加的碱金属盐的质量浓度为2-4mg/mL。
所述电子传输层主体材料为TiO2、SnO2、PCBM或C60。
退火温度为150-180℃，时间为12-18min。
本发明进一步提供了一种钙钛矿太阳能电池，是依次由玻璃基板、透明导电层、所述电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层及背电极组成。
所述电子传输层厚度为15-30nm；
所述透明导电电极可选择ITO、IZO、IWO、ICrO、ITiO、AZO、FTO、石墨烯等材料，采用真空热蒸镀、磁控溅射法或者ALD等方法制备。
所述钙钛矿吸收层可选择全无机钙钛矿或者有机无机金属卤化物钙钛矿，带隙为1.17eV-2.3eV，厚度为500-800nm；制备方法可选择旋涂法、狭缝涂布法、刮涂法、真空蒸镀法。
优先选择旋涂法。
所述空穴传输的厚度为80-200nm。材料可选择掺杂NiOx、CuI、Cu2O、CuSCN、PTAA、Spiro-TTB、Spiro-OMeTAD等有机或无机材料，制备方法可选择旋涂法、磁控溅射法、狭缝涂布法、真空蒸镀法等。
所述背电极层可选择金属电极或透明导电电极，其中金属电极可选择金、银、铜等材料中的一种或几种，采用真空蒸镀或丝网印刷法制备。
实施例1
(1)将导电玻璃FTO/ITO用玻璃清洁剂、去离子水、乙醇、超声20min，然后用氮气枪吹干待用；
(2)在室温下，将250uL SnO2胶体分散液(15%掺入H2O，粒径3-5 nm)按1:3(v:v)溶于超纯水中，加入称量好的0.4mg 18-冠醚-6和2mg K2SO4混合溶质试剂瓶里，其中，18-冠醚-6溶液的含量为0.4mg/mL，K2SO4溶液的含量2mg/ml 溶剂为SnO2水合溶液超声15min，过滤，取50ul旋涂于FTO衬底上；
(3)将步骤2得到的SnO2溶胶以4000rpm的转速旋涂到步骤1的导电玻璃上，然后放到加热台上，150℃下烧结15min，得到厚度为30nm的电子传输层；
(4)将步骤3制得的电子传输层冷却至室温后，首先将70ul碘化铅溶液滴在N型SnO2组冲层上，在1000r/s下旋涂30s，旋涂结束后放到加热台上快速退火，温度为70℃下加热1min;冷却至室温，再将80ul碘甲脒溶液旋涂于碘化铅上，然后在2000r/s下旋涂30s，最后在150℃下加热15min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)钙钛矿光吸收层为90mg FAI、6mg MABr、9mg MACl混合溶质溶于1mL IPA溶剂得到的前驱体溶液，旋涂转速为2000r/s，旋涂时间为30s，然后在150℃下加热结晶15min，冷却至室温，再以4000r/s的转速旋涂20ul Spiro-OMeTAD，涂20s，得到复合空穴传输层；
(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Au电极，制得钙钛矿太阳电池。
实施例2
(1)将导电玻璃FTO/ITO用玻璃清洁剂、去离子水、乙醇、超声20min，然后用氮气枪吹干待用；
(2)在室温下，将250ulSnO2胶体分散液(15%掺入H2O，粒径3-5 nm)按1:3(v:v)溶于超纯水中，加入称量好的0.4mg 18-冠醚-6和3mg K2SO4混合溶质试剂瓶里，其中，18-冠醚-6溶液的含量为0.4mg/mL,K2SO4溶液的含量3mg/ml 溶剂为SnO2水合溶液超声15min，过滤，取50ul旋涂于FTO衬底上；
(3)将步骤2得到的SnO2溶胶以4000rpm的转速旋涂到步骤1的导电玻璃上，然后放到加热台上，150℃下烧结15min，得到厚度为30nm的N型SnO2缓冲层；
(4)将步骤3制得的电子传输层冷却至室温后，首先将70ul碘化铅溶液滴在N型SnO2组冲层上，在1000r/s下旋涂30s，旋涂结束后放到加热台上快速退火，温度为70℃下加热1min;冷却至室温，再将80ul碘甲脒溶液旋涂于碘化铅上，然后在2000r/s下旋涂30s，最后在150℃下加热15min，得到钙钛矿光吸收层；
(5)在钙钛矿光吸收层上旋涂浓度为90mg FAI、6mg MABr、9mg MACl混合溶于IPA溶剂得到的前驱体溶液，旋涂转速为2000r/s，旋涂时间为30s，然后在150℃下加热结晶15min，冷却至室温，再以4000r/s的转速旋涂20ul Spiro-OMeTAD，涂20s，得到复合空穴传输层；
(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Au电极，制得钙钛矿太阳电池。
实施例3
(1)将导电玻璃FTO/ITO用玻璃清洁剂、去离子水、乙醇、超声20min，然后用氮气枪吹干待用；
(2)在室温下，在室温下，将250ul SnO2胶体分散液(15%掺入H2O，粒径3-5 nm)按1:3(v:v)溶于超纯水中，加入称量好的0.4mg 18-冠醚-6和4mg K2SO4混合溶质试剂瓶里，其中，18-冠醚-6溶液的含量为0.4mg/mL,K2SO4溶液的含量4mg/ml 溶剂为SnO2水合溶液超声15min，过滤，取50ul旋涂于FTO衬底上；
(3)将步骤1得到的SnO2溶胶以4000rpm的转速旋涂到步骤1的导电玻璃上，然后放到加热台上，150℃下烧结15min，得到厚度为30nm的N型SnO2缓冲层；
(4)将步骤3制得的电子传输层冷却至室温后，首先将70ul碘化铅溶液滴在N型SnO2组冲层上，在1000r/s下旋涂30s，旋涂结束后放到加热台上快速退火，温度为70℃下加热1min;冷却至室温，再将80ul碘甲脒溶液旋涂于碘化铅上，然后在2000r/s下旋涂30s，最后在150℃下加热15min，得到钙钛矿光吸收层；
(5) 钙钛矿光吸收层为90mgFAI、6mgMABr、9mgMACl混合溶质溶于1mLIPA溶剂得到的前驱体溶液，旋涂转速为2000r/s，旋涂时间为30s，然后在150℃下加热结晶15min，冷却至室温，再以4000r/s的转速旋涂20ul Spiro-OMeTAD，涂20s，得到复合空穴传输层；
(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Au电极，制得新型高效率钙钛矿太阳电池。
对比例1
(1)将导电玻璃FTO/ITO用玻璃清洁剂、去离子水、乙醇、超声20min，然后用氮气枪吹干待用；
(2)在室温下，在室温下，将250ul SnO2胶体分散液(15%掺入H2O，粒径3-5 nm)按1:3(v:v)溶于超纯水中，超声15min，过滤，取50ul旋涂于FTO衬底上；
(3)将步骤2得到的SnO2溶胶以5000 rpm的转速旋涂到步骤1的导电玻璃上，然后放到加热台上，180℃下烧结15 min，得到厚度为30 nm的N型SnO2缓冲层;
(4)将步骤3制得的电子传输层冷却至室温后，首先将70ul碘化铅溶液滴在N型SnO2组冲层上，在3000r/s下旋涂30s，旋涂结束后放到加热台上快速退火，温度为70℃下加热1min;冷却至室温，再将80ul碘甲脒溶液旋涂于碘化铅上，然后在3500r/s下旋涂30s，最后在150℃下加热15min，得到钙钛矿光吸收层；
(5) 钙钛矿光吸收层为90mg FAI、6mg MABr、9mg MACl混合溶质溶于1mL IPA溶剂得到的前驱体溶液，旋涂转速为2000r/s，旋涂时间为30s，然后在150℃下加热结晶15min，冷却至富温，再在4000r/s的转速旋涂60ul Spiro-OMeTAD，涂20s，得到复合空穴传输层；
(6)在空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Au电极，制得新型高效率钙钛矿太阳电池。
由图2可知，本发明实施例1加入18-冠醚-6络合钾离子的器件表面（图1）更加平滑，晶粒更均匀。表明18-冠醚-6络合钾离子可辅助钙钛矿晶粒生长，钝化钙钛矿与电子传输层界面处缺陷，
从图3 太阳模拟光I-V测试仪测试结果中可知，实施例1添加18-冠醚-6和钾盐的络合物器件呈现更佳的光电参数，获得的Jsc（短路电流）和FF（填充因子）分别为24.1mA/cm2和79.51%，PCE（能量转换效率）E为21.57%，较对比例1未添加18-冠醚-6和钾盐的络合物器件（PCE为19.8%，Jsc为22.42mA/cm2和FF为72.74%）有明显改善。
如图4，经过太阳模拟光I-V测试仪长期监测最大功率点效率，连续光照500h，实施例1添加18-冠醚-6和钾盐的络合物器件的光电转换效率仍可保持在初始效率90%以上，说明实施例1添加18-冠醚-6和钾盐的络合物器件呈现更佳的长期稳定性。
Claims (3)
1.一种电子传输层添加剂在钙钛矿太阳能电池中的应用方法，其特征在于，所述添加剂由18-冠醚-6与硫酸钾组成，应用方法具体为：
（1）将导电玻璃FTO/ITO用玻璃清洁剂、去离子水、乙醇、超声20min，然后用氮气枪吹干待用；
（2）在室温下，将15%掺入H2O 的SnO2胶体分散液250μL按体积比1:3溶于超纯水中，SnO2粒径3~5nm，加入到称量好0.4mg 18-冠醚-6和2mg K2SO4混合溶质的试剂瓶里，其中18-冠醚-6的含量为0.4mg/mL、K2SO4的含量2mg/mL，超声15min，过滤；
（3）将步骤（2）得到的SnO2溶胶以4000rpm的转速旋涂到步骤（1）的导电玻璃上，然后放到加热台上150℃下烧结15min，得到厚度为30nm的电子传输层；
（4）待步骤（3）制得的电子传输层冷却至室温后，先将70μL碘化铅溶液滴N型SnO2组冲层上，在1000r/s下旋涂30s，旋涂结束后放到加热台上快速退火，温度为70℃下加热1min；冷却至室温，再将80μL碘甲脒溶液旋涂于碘化铅上，然后在2000r/s下旋涂30s，最后在150℃下加热15min，得到钙钛矿光吸收层；
（5）在钙钛矿光吸收层上旋涂由90mg FAI、6mg MABr、9mg MACl混合溶质溶于1mL IPA溶剂得到的前驱体溶液，旋涂转速为2000r/s，旋涂时间为30s，然后在150℃下加热结晶15min，冷却至室温，再以4000r/s的转速旋涂20μL Spiro-OMeTAD，涂20s，得到复合空穴传输层；
（6）在复合空穴传输层上蒸镀一层厚度为100nm的Au电极，制得钙钛矿太阳电池。
2.根据权利要求1所述的应用方法，其特征在于，退火温度为150~180℃，时间为12~18min。
3.一种基于权利要求1或2所述应用方法制备的钙钛矿太阳能电池。
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|---|
| Ruihao Chen,et al..Crown Ether-Assisted Growth and Scaling Up of FACsPbI3 Films for Efcient and Stable Perovskite Solar Modules.Adv. Funct. Mater. .2021,2008760 (1-8). * |
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