CN116477676A - 一种氧化镍醇溶液、太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种氧化镍醇溶液、太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池领域，克服现有技术中的采用现有方法制备的氧化镍在制备氧化镍薄膜时需要较长时间的高温退火，导致器件能量转换效率的损失，且使用范围受限缺陷。本发明氧化镍醇溶液的制备方法，包括以下步骤：A)将镍源、第一醇溶剂和燃料混合，得到混合溶液；B)将所述混合溶液进行加热，回流反应，得到氧化镍醇溶液。本发明制备的氧化镍醇溶液，氧化镍颗粒的外围存在醇溶性的配体，首次实现了完全醇溶性的氧化镍的制备。降低了氧化镍薄膜的后处理温度，可用于太阳能电池中提高器件的效率和稳定性。

Description

一种氧化镍醇溶液、太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种氧化镍醇溶液、太阳能电池及其制备方法。
背景技术
新型太阳能电池中的钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池具有类似的结构，都包括电极、空穴传输层、光活性层、电子传输层几部分，在空穴传输层和电子传输层材料的选择上也具有一定的相似性。p-i-n结构新型太阳能电池中常用PEDOT:PSS，PTAA等有机材料作为空穴传输材料，但PEDOT:PSS、PTAA分别存在着环境稳定性差和浸润性差等问题，效率方面也不能完全发挥活性层的潜力，因此在实际应用中存在还有待进一步改进。
氧化镍(NiO)是一种常用的金属氧化物空穴传输材料，具有较高的导电性和空穴迁移率，相对有机空穴传输材料而言，也有更优异的稳定性和浸润性，因此在各类光电器件中都有广泛的应用，特别是在p-i-n型钙钛矿太阳能电池中，是最常用的空穴传输层之一。
氧化镍层的制备方法，使用最多的是将水分散的氧化镍纳米颗粒通过旋涂等工艺制备成膜，所用的氧化镍一般是采用无机镍盐与碱类物质混合，形成氢氧化镍(Ni(OH)2)沉淀后，再经过高温煅烧后制备而成。其他的制备技术包括喷雾热解法、电化学沉积法、磁控溅射法等，目前技术尚不成熟，应用较少(参考文献：Sustainable Energy Fuels,2020,4,4415–4458,DOI:10.1039/d0se00621a.)。
但现有方法制备氧化镍薄膜时一般需要较长时间的高温退火，这不仅会导致制备过程能耗的增加，也会降低下层金属氧化物透明电极的电导率，导致器件效率的损失；二是常用的溶液法制备的氧化镍需要分散在水中，使得该方法只能应用于活性层之下，而新型太阳能电池的活性层一般对水较为敏感，因此无法在活性层之上使用，使用范围受限。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的采用现有方法制备的氧化镍在制备氧化镍薄膜时需要较长时间的高温退火，导致器件能量转换效率的损失，且使用范围受限缺陷，从而提供一种氧化镍醇溶液、太阳能电池及其制备方法。
为此，本发明提供了以下技术方案。
第一方面，本发明提供了一种氧化镍醇溶液的制备方法，包括以下步骤：
A)将镍源、第一醇溶剂和燃料混合，得到混合溶液；
B)将所述混合溶液进行加热，回流反应，得到氧化镍醇溶液。
进一步的，镍源的浓度为0.5～50mg/ml，优选为1～20mg/ml。
进一步的，所述混合溶液中，燃料的浓度为1～1000mg/ml，优选为5～200mg/ml。
进一步的，所述镍源为醇溶性镍盐；和/或，
所述第一醇溶剂沸点≤350℃。
进一步的，所述镍源选自乙酰丙酮镍、氨基磺酸镍、甲酸镍、醋酸镍、氯化镍、硝酸镍中的一种或多种，优选为乙酰丙酮镍或醋酸镍。
进一步的，所述醇选自甲醇、乙醇、三氟乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、正己醇、2-己醇、1,3-丙二醇、丙三醇、乙二醇中的一种或多种，优选的，所述醇为正戊醇、正己醇、1,3-丙二醇、乙二醇中的一种或多种。
进一步的，所述燃料选自尿素、甘氨酸、乙酰丙酮中的一种或多种，优选为乙酰丙酮。
进一步的，所述加热的温度为40～250℃，优选为80～200℃；
进一步的，所述加热的时间为0.5～48h，优选为4～24h。
第二方面，本发明公开了一种根据上述方法制得的氧化镍醇溶液。
第三方面，本发明公开了一种太阳能电池，包括依次叠加的基底、空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极层，其特征在于，所述空穴传输层包括氧化镍薄膜，制备所述氧化镍薄膜时采用上述方法制得的氧化镍醇溶液。
进一步的，所述氧化镍薄膜厚度为2～100nm；和/或
所述空穴传输层还包括PEDOT:PSS、PTAA、F4-TCNQ、2PACz、4PACz、MeO-2PACz、MeO-4PACz中的一种。
可选的，空穴传输层包括氧化镍薄膜和PEDOT:PSS、PTAA、F4-TCNQ、2PACz、4PACz、MeO-2PACz、MeO-4PACz中的一种制成的薄膜；或氧化镍与PEDOT:PSS、PTAA、F4-TCNQ、2PACz、4PACz、MeO-2PACz、MeO-4PACz中的一种混合后制成的一层薄膜。
第四方面，本发明公开了一种上述太阳能电池的制备方法，所述氧化镍薄膜的制备方法包括：将氧化镍醇溶液沉积于基底表面，后处理得到氧化镍薄膜。
进一步的，在氧化镍醇溶液使用前，采用第二醇溶剂进行稀释，所述氧化镍醇溶液与所述第二醇溶剂的体积比为1:0.1～1:80，优选的，所述氧化镍醇溶液与所述醇的体积比为1:1～1:40；
优选地，第二醇溶剂沸点≤100℃；第二醇溶剂优选为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
进一步的，将氧化镍醇溶液沉积于基底的方式为旋涂、线棒涂布、狭缝挤出式涂布或印刷方法中的任一种。
进一步的，所述后处理为空气中室温放置、空气中热处理、紫外臭氧处理、氧等离子体处理中的一种或多种，优选的，所述后处理为空气中热处理后再进行紫外臭氧处理或氧等离子体处理。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的氧化镍醇溶液的制备方法包括以下步骤：A)将镍源、醇和燃料混合，得到混合溶液；B)将所述混合溶液进行加热，回流反应，得到氧化镍醇溶液。
本发明制备的氧化镍醇溶液，氧化镍颗粒的外围存在醇溶性的配体，首次实现了完全醇溶性的氧化镍的制备。现有技术制备氧化镍薄膜时，一般需要200～300℃高温退火30分钟以上，本发明制备的氧化镍醇溶液可将退火温度降至150℃以下，与其他空穴传输材料联合使用的条件下，70℃的处理温度也能满足使用要求，降低了氧化镍薄膜的后处理温度，可用于太阳能电池中提高器件的效率和稳定性。
采用本发明氧化镍醇溶液制备氧化镍薄膜时，不需要在水中进行分散，可采用醇作为溶剂，能够用在活性层之上，具有应用于制备n-i-p型太阳能电池的前景。对新型太阳能电池，目前有机太阳能电池是p-i-n型电池效率更高，而钙钛矿太阳能电池是n-i-p型效率更高，因此能在活性层上使用意味着更广阔的应用前景。
2.本发明提供的太阳能电池，所述空穴传输层包括氧化镍薄膜，制备所述氧化镍薄膜时采用本发明制得的氧化镍醇溶液；还包括PEDOT:PSS、PTAA、F4-TCNQ、2PACz、4PACz、MeO-2PACz、MeO-4PACz等有机空穴传输材料的一种。
氧化镍薄膜与其他空穴传输材料联合使用提高器件的稳定性。以PEDOT:PSS为例，其对器件稳定性的影响主要是由于PSS极易吸收空气中的水分变得具有酸性，对基地的金属氧化物电极产生腐蚀作用，使用NiOx/PEDOT:PSS双空穴传输层可以隔绝PEDOT:PSS与基底的接触，避免电极被腐蚀，从而提高器件的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的氧化镍的HRTEM图片；
图2为本发明所采用的太阳能电池的器件结构示意图；
图3为对比例1制备的太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图；
图4为对比例2制备的太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图；
图5为实施例1制备的太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图；
图6为实施例2制备的太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图；
图7为实施例3制备的太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图；
图8为实施例4制备的太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种氧化镍醇溶液的制备方法，步骤如下：
(1)将烧瓶进行清洗，清洗后放置于60℃烘箱中进行烘干12小时；
(2)称取乙酰丙酮镍置于烧瓶中，量取正己醇加入烧瓶中配制成乙酰丙酮镍溶液，量取乙酰丙酮加入上述乙酰丙酮镍溶液中，使乙酰丙酮镍的浓度为20mg/ml，乙酰丙酮的浓度为10mg/ml；
(3)将油浴锅升温至150℃，然后将烧瓶置于油浴锅中进行加热搅拌，在双口瓶上接冷凝管，在冷凝管中通入自来水进行回流，反应8小时后溶液颜色由绿色变为橄榄色，即得到氧化镍醇溶液。
一种太阳能电池，器件结构如图2所示，包括基底、空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极层，具体为：ITO/氧化镍/PBDB-T-2F:BTP-BO-4Cl/PFN-Br/Ag，其制备流程如下：
A、将清洗过的ITO基底用N2吹干，然后在150℃条件下烘干5min，然后将ITO基底进行UVO处理15min。
B、按照氧化镍醇溶液：超干乙醇体积比为1：20混合，对氧化镍醇溶液进行稀释，在经过步骤A处理后的ITO基底上旋涂稀释后的氧化镍醇溶液，旋涂速度为4000rpm，然后在70℃条件下在空气中热处理10min，再用UVO处理30min，制得空穴传输层。
C、在经过步骤B处理后的基底上沉积活性层，活性层的制备工艺为：将质量比为1:1.2的共轭聚合物电子给体材料PBDB-T-2F和电子受体材料BTP-BO-4Cl溶于氯仿得到浓度为17.6mg/ml的混合溶液，按照体积比0.5％加入二碘辛烷(DIO)作为添加剂，以3000rpm旋涂在ITO/PEDOT:PSS基底上面，60℃退火5min，得到活性层。
D、在经过步骤C处理后的活性层上旋涂浓度为0.5mg/ml的PFN-Br溶液作为阴极修饰层，再蒸镀一层100nm的Ag作为阴极，得到太阳能电池。
实施例2
一种氧化镍醇溶液的制备方法，步骤如下：
(1)将烧瓶进行清洗，清洗后放置于60℃烘箱中进行烘干12小时；
(2)称取乙酰丙酮镍置于烧瓶中，量取正己醇加入烧瓶中配制成乙酰丙酮镍溶液，量取乙酰丙酮加入溶液中，使乙酰丙酮镍的浓度为20mg/ml，乙酰丙酮的浓度为10mg/ml；
(3)将油浴锅升温至150℃，然后将烧瓶置于油浴锅中进行加热搅拌，在双口瓶上接冷凝管，在冷凝管中通入自来水进行回流，溶液颜色逐渐由绿色变为橄榄色，反应12小时后即得到氧化镍溶醇液。
一种太阳能电池，器件结构为：ITO/氧化镍/PEDOT:PSS/PBDB-T-2F:BTP-BO-4Cl/PFN-Br/Ag，其制备流程如下：
A、将清洗过的ITO基底用N2吹干，然后在150℃条件下烘干5min，然后将ITO基底进行UVO处理15min。
B、按照氧化镍醇溶液：超干乙醇体积比为1：20混合，对氧化镍醇溶液进行稀释，在经过步骤A处理后的ITO基底上旋涂稀释后的氧化镍醇溶液制备氧化镍层，旋涂速度为4000rpm，然后在70℃条件下在空气中热处理10min，再UVO处理20min。
C、在经过步骤B处理后的基底上旋涂PEDOT:PSS，将PEDOT:PSS溶液用0.45μm的滤头过滤后以3000rpm的速度涂在基底上面，再在150℃条件下退火15min。
D、后续制备活性层和阴极层的工艺与实施例1相同。
实施例3
一种氧化镍醇溶液的制备方法，步骤如下：
(1)将烧瓶进行清洗，清洗后放置于60℃烘箱中进行烘干12小时；
(2)称取乙酰丙酮镍置于烧瓶中，量取正戊醇加入烧瓶中配制成乙酰丙酮镍溶液，量取乙酰丙酮加入溶液中，使乙酰丙酮镍的浓度为10mg/ml，乙酰丙酮的浓度为20mg/ml；
(3)将油浴锅升温至120℃，然后将烧瓶置于油浴锅中进行加热搅拌，在双口瓶上接冷凝管，在冷凝管中通入自来水进行回流，反应16小时后溶液颜色由绿色变为橄榄色，即得到氧化镍醇溶液。
一种太阳能电池，制备方法与实施例2基本相同，不同之处仅在于：
B、按照氧化镍醇溶液：超干乙醇体积比为1：10混合，对氧化镍醇溶液进行稀释，在经过步骤(1)处理后的ITO基底上旋涂稀释后的氧化镍醇溶液制备氧化镍层，旋涂速度为4000rpm，然后在100℃条件下在空气中热处理15min，再用UVO处理40min。
实施例4
一种氧化镍醇溶液的制备方法，步骤如下：
(1)将烧瓶进行清洗，清洗后放置于60℃烘箱中进行烘干12小时；
(2)称取乙酰丙酮镍置于烧瓶中，量取乙二醇加入烧瓶中配制成乙酰丙酮镍溶液，量取乙酰丙酮加入溶液中，使乙酰丙酮镍的浓度为25mg/ml，乙酰丙酮的浓度为15mg/ml；
(3)将油浴锅升温至180℃，然后将烧瓶置于油浴锅中进行加热搅拌，在双口瓶上接冷凝管，在冷凝管中通入自来水进行回流，反应6小时后溶液颜色由绿色变为橄榄色，即得到氧化镍醇溶液。
一种有阳能电池，制备方法与实施例2基本相同，不同之处仅在于：
(2)按照氧化镍醇溶液：超干乙醇体积比为1：40混合，对氧化镍醇溶液进行稀释，在经过步骤(1)处理后的ITO基底上旋涂稀释后的氧化镍醇溶液制备氧化镍层，旋涂速度为3500rpm，然后在80℃条件下在空气中热处理10min，再UVO处理15min。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(2)中未添加燃料乙酰丙酮。
对比例2
一种太阳能电池，本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于，本对比例中空穴传输层为不包括氧化镍薄膜，本对比例器件结构为：ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T-2F:BTP-BO-4Cl/PFN-Br/Ag。
试验例
表1太阳能电池性能参数
从图1可以看出，本发明提供的方法可以得到结晶性良好的氧化镍纳米颗粒，因此在制备成氧化镍薄膜时可以具有良好的导电性。图3-图8分别为对比例1、对比例2、实施例1-实施例4制得的太阳能电池的J-V曲线图。
通过对比例1与实施例1所得太阳能电池的性能参数可以看出，使用本发明制备的氧化镍醇溶液来制备氧化镍薄膜作为空穴传输层时，所得器件的性能得到了显著的提升，这主要是由于对比例1中镍源的醇溶液中未加入燃料，处理后没有产生氧化镍或产生的氧化镍较少，所制备的氧化镍薄膜结晶性和导电性均不及实施例1中所获得氧化镍薄膜，导致器件的开路电压、短路电流等关键参数均较差。通过对比例2、实施例1和实施例2所得太阳能电池器件的性能参数可以看出，当采用氧化镍/PEDOT:PSS双层空穴传输层时，所得太阳能电池的性能有所提升，这是由于PEDOT:PSS的插入可以降低氧化镍粗糙度大、能级不匹配等问题，同时由于氧化镍的导电性更好，对PEDOT:PSS表面组成比例也有一定调控作用，使得电池效率有明显的提升。由于氧化镍有良好的成膜性和稳定性，隔绝了PEDOT:PSS与金属氧化物透明电极ITO的接触，避免了PEDOT:PSS对ITO的腐蚀，提高了的器件稳定性。实施例2的太阳能电池在光照连续100h后能量转换效率仍能保持40％以上，而对比例2的太阳能电池光照连续100h后能量转换效率保持率降低到了20％以下。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种氧化镍醇溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将镍源、第一醇溶剂和燃料混合，得到混合溶液；
B)将所述混合溶液进行加热，回流反应，得到氧化镍醇溶液。
2.根据权利要求1所述的氧化镍醇溶液的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，镍源的浓度为0.5～50mg/ml；和/或，
燃料的浓度为1～1000mg/ml。
3.根据权利要求1所述的氧化镍醇溶液的制备方法，其特征在于，所述镍源为醇溶性镍盐；和/或，
所述第一醇溶剂沸点≤350℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的氧化镍醇溶液的制备方法，其特征在于，满足以下条件中的任一项：
(1)所述镍源选自乙酰丙酮镍、氨基磺酸镍、甲酸镍、醋酸镍、氯化镍、硝酸镍中的一种或多种；
(2)所述醇选自甲醇、乙醇、三氟乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、正己醇、2-己醇、1,3-丙二醇、丙三醇、乙二醇中的一种或多种；
(3)所述燃料选自尿素、甘氨酸、乙酰丙酮中的一种或多种。
5.根据权利要求1-3任一项所述的氧化镍醇溶液的制备方法，其特征在于，所述加热的温度为40～250℃；和/或
所述加热的时间为0.5～48h。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述方法制得的氧化镍醇溶液。
7.一种太阳能电池，包括依次叠加的基底、空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极层，其特征在于，所述空穴传输层包括氧化镍薄膜，制备所述氧化镍薄膜时采用权利要求1-5任一项所述方法制得的氧化镍醇溶液或权利要求6所述的氧化镍醇溶液。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，所述氧化镍薄膜厚度为2～100nm；和/或
所述空穴传输层还包括PEDOT:PSS、PTAA、F4-TCNQ、2PACz、4PACz、MeO-2PACz、MeO-4PACz中的一种。
9.一种权利要求7或8所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述氧化镍薄膜的制备方法包括：将氧化镍醇溶液沉积于基底表面，后处理得到氧化镍薄膜。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，满足以下条件中的至少一项：
(1)在氧化镍醇溶液使用前，采用第二醇溶剂进行稀释，所述氧化镍醇溶液与所述第二醇溶剂的体积比为1:0.1～1:80，优选的，所述氧化镍醇溶液与所述醇的体积比为1:1～1:40；
(2)将氧化镍醇溶液沉积于基底的方式为旋涂、线棒涂布、狭缝挤出式涂布或印刷方法中的任一种；
(3)所述后处理为空气中室温放置、空气中热处理、紫外臭氧处理、氧等离子体处理中的一种或多种，优选的，所述后处理为空气中热处理后再进行紫外臭氧处理或氧等离子体处理。
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