CN116801649A - 一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池及其制备方法，电池从上至下依次包括阴极层、空穴阻挡层、电子传输层、FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层、空穴传输层、阳极修饰层、ITO阳极基底；所述阳极修饰层由银纳米粒子组成；所述阳极修饰层的厚度为5～10nm。本发明提供了一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，在ITO阳极基底上施加由银纳米粒子组成的阳极修饰层，增强了ITO阳极基底的导电性，提高了ITO阳极基底的功函数，减小了空穴传输层与ITO阳极基底之间能级不匹配引起的能量损失，从而提高FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压，并改善FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。本发明提供的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的制备方法操作简单、条件温和、能耗低、成本低廉、工艺易控，适合大规模工业推广。
Description
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，更具体地，涉及基于一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，铅(Pb)基钙钛矿太阳能电池发展势头迅猛，但其可能会来环境污染的问题阻碍了其商业化的发展应用。在此情况下，锡(Sn)基钙钛矿因其环境友好且性能优异从众多钙钛矿材料中脱颖而出，备受人们的关注。目前，FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿是锡基钙钛矿材料中光电性能较为优异的一种材料，在钙钛矿太阳能电池领域表现出了良好的应用前景。
开路电压(Voc)是太阳能电池器件的重要参数，通常需要在电池器件的阳极和阴极之间存在较大的功函差，进而能够产生强大的内建电位以辅助载流子传输，并以此产生高数值的开路电压(Voc)。因此，对电极进行界面修饰来提高开路电压(Voc)对于FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池光电转换效率(PCE)提高至关重要。事实上，为了避免因作为阳极的氧化铟锡(Indium tin oxide，简称：ITO)(-4.62eV)和钙钛矿(-5.40eV)之间的较大能量差引起的能量损失，聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)(-5.00eV)已被广泛用于ITO阳极基底表面以对ITO改性。但是因为在ITO与PEDOT:PSS之间依然存在较大的能级差，目前基于PEDOT:PSS的倒置FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压(Voc)和光电转换效率(PCE)依旧不高。
发明内容
本发明为克服现有倒置FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压(Voc)和光电转换效率(PCE)低的缺陷和不足，提供了一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池。
本发明的进一步目的是提供一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，从上至下依次包括阴极层、空穴阻挡层、电子传输层、FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层、空穴传输层、阳极修饰层、ITO阳极基底；所述阳极修饰层由银纳米粒子组成；所述阳极修饰层的厚度为5～10nm。
本发明提供了一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，在ITO阳极基底上施加阳极修饰层，阳极修饰层由银纳米粒子组成，施加阳极修饰层的ITO阳极基底的透过率没有大幅度减小，并且银纳米粒子对ITO阳极基底进行了修饰，增强了ITO阳极基底的导电性，提高了ITO阳极基底的功函数，减小了空穴传输层与ITO阳极基底之间能级不匹配引起的能量损失，从而提高FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压(Voc)，并改善FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)。
由银纳米粒子组成的阳极修饰层呈现薄膜形貌，薄膜质量影响钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)，阳极修饰层的厚度过低或过厚时，都会影响成膜质量，进而影响钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)。
进一步地，所述银纳米粒子为银纳米棒和/或银纳米颗粒。
进一步地，所述银纳米棒长度为8～10nm，直径为2～3nm；所述银纳米颗粒的粒径为2～3nm。
进一步地，所述阴极层为金属阴极层，阴极层的材料可以为铜或银。
进一步地，所述空穴传输层的材料为PEDOT:PSS。
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.清洗ITO阳极基底；
S2.在S1所述的ITO阳极基底上施加阳极修饰层；
S3.在S2所述的阳极修饰层上制备空穴传输层；
S4.在S3所述的空穴传输层上制备FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层；
S5.在S4所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀电子传输层、空穴阻挡层、阴极层。
本发明提供的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的制备方法操作简单、条件温和、能耗低、成本低廉、工艺易控，适合大规模工业推广。
具体地，S1中所述清洗ITO阳极基底包括：依次使用丙酮、乙醇对ITO阳极基底进行擦洗，再依次用丙酮、乙醇和去离子水各超声清洗15～25min，超声后在110～120℃的烘箱中烘干。
具体地，S2中对ITO阳极基底进行紫外光照射处理10～20min，再将银纳米棒粒子水性胶体旋涂或刮涂在ITO阳极基底上得到阳极修饰层。
优选地，所述银纳米粒子水性胶体中银纳米粒子的浓度为2～3体积％。
具体地，所述银纳米粒子为银纳米棒和/或银纳米颗粒。
浓度过低时，对ITO阳极基底的导电性和功函数的提升效果不明显；浓度过高时，薄膜质量变差。
具体地，S3中采用一步反溶剂法制备FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层。
具体地，将碘甲酰胺(FAI)、碘甲胺(MAI)和碘化亚锡(SnI2)按照摩尔比0.75:0.25:1溶于溶剂中得到FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿前驱体溶液。
具体地，所述溶剂为二甲基亚砜(DMSO)和/或二甲基甲酰胺(DMF)。
二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)作为混合溶剂时，二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)的体积比为1:4。
具体地，将制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿前驱体溶液滴加在已施加阳极修饰层的ITO阳极基底上，以4000～5000rpm的转速旋涂30～60s，在旋涂开始后第10～20s将反溶剂连续且均匀地滴加到正处于旋涂过程中的钙钛矿膜表面上，旋涂结束后将基底放置在100～110℃的热台上退火10～12min，得到FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层。
具体地，所述反溶剂为氯苯、甲苯、乙酸乙酯、乙醚、二氯甲烷、苯甲醚中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，在ITO阳极基底上施加阳极修饰层，阳极修饰层由银纳米粒子组成，施加阳极修饰层的ITO阳极基底的透过率没有大幅度减小，并且银纳米粒子对ITO阳极基底进行了修饰，增强了ITO阳极基底的导电性，提高了ITO阳极基底的功函数，减小了空穴传输层与ITO阳极基底之间能级不匹配引起的能量损失，从而提高FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压，并改善FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
本发明提供的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的制备方法操作简单、条件温和、能耗低、成本低廉、工艺易控，适合大规模工业推广。
附图说明
图1是本发明提供的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明实施例1施加阳极修饰层的ITO阳极基底和对比例1未施加阳极修饰层的ITO阳极基底的紫外光电子能谱图。
图3是本发明实施例1和对比例1制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池在标准太阳光照条件下的电流密度与电压关系图。
其中：1、阴极层；2、空穴阻挡层；3、电子传输层；4、FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层；5、空穴传输层；6、阳极修饰层；7、ITO阳极基底。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
本发明提供一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，电池结构从上至下包括阴极层1、空穴阻挡层2、电子传输层3、FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层4、空穴传输层5、阳极修饰层6、ITO阳极基底7。
如图1所示，图1为本发明提供的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的结构示意图，本发明使用阳极修饰层对ITO阳极基底进行修饰，增强了ITO阳极基底的导电性，提高了ITO阳极基底的功函数，减小了空穴传输层与ITO阳极基底之间能级不匹配引起的能量损失，从而提高FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压，并改善FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
实施例1
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，从上至下依次包括阴极层、空穴阻挡层、电子传输层、FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层、空穴传输层、阳极修饰层、ITO阳极基底，所述阴极层的材料为Ag，空穴阻挡层的材料为2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲啰啉(BCP)，电子传输层的材料为C60，FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层的材料为FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿，空穴传输层的材料为PEDOT:PSS，阳极修饰层的材料为银纳米棒，具体通过如下方法制备得到：
S1.清洗ITO阳极基底：依次使用丙酮、乙醇对ITO阳极基底进行擦洗，再依次用丙酮、乙醇和去离子水各超声清洗15min，超声后在120℃的烘箱中烘干；
S2.施加阳极修饰层：对ITO阳极基底进行紫外光照射处理10min，再将银纳米棒水性胶体以4000rpm的转速旋涂在ITO阳极基底上得到10nm的阳极修饰层，银纳米棒水性胶体中银纳米棒的浓度为3体积％，银纳米棒长度为10nm，直径为3nm；
S3.制备空穴传输层：将孔径为0.45μm的水系过滤器过滤两次后的PEDOT:PSS溶液以3500rpm的转速在已施加阳极修饰层的ITO阳极基底上旋涂45s，在120℃的烘箱中烘干40min得到40nm的空穴传输层PEDOT:PSS；
S4.制备FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层：采用一步反溶剂法制备FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层，将FAI(129mg)、MAI(40mg)、SnI2(373mg)加入1mL的二甲基亚砜和二甲基甲酰胺的混合溶剂(体积比为1:4)中混合均匀得到FA0.75MA0.25SnI3前驱体溶液，取60μL的FA0.75MA0.25SnI3前驱体溶液滴加在空穴传输层上，以4000rpm转速旋涂50s，并在旋涂开始后第15s将120μL的氯苯反溶剂连续且均匀地滴加到正处于旋涂过程中的钙钛矿膜表面上，旋涂结束后将已旋涂有钙钛矿前驱体溶液的基底放置在120℃的热台上退火10min，得到180nm的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层；
S5.在S4所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀40nm的电子传输层C60、9nm的空穴阻挡层BCP、100nm的阴极层Ag。
实施例2
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，与实施例1基本相同，其区别在于：银纳米棒水性胶体中银纳米棒的浓度为5体积％。
实施例3
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，与实施例1基本相同，其区别在于：阳极修饰层的材料为银纳米颗粒，银纳米颗粒水性胶体中银纳米颗粒的浓度为3体积％，银纳米颗粒的平均粒径为3nm。
实施例4
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，与实施例1基本相同，其区别在于：阳极修饰层的厚度为5nm。
对比例1
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，与实施例1基本相同，其区别在于：不包括阳极修饰层。
对比例2
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，与实施例1基本相同，其区别在于：阳极修饰层的厚度为2nm。
对比例3
一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，与实施例1基本相同，其区别在于：阳极修饰层的厚度为15nm。
对实施例1和对比例1的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池进行电学性能测试。
(1)对本发明实施例1施加阳极修饰层的ITO阳极基底和对比例1未施加阳极修饰层的ITO阳极基底进行功函数测试。
测试方法为：使用紫外光电子能谱仪测试实施例1和对比例1的ITO阳极基底的紫外光电子能谱。
测试结果如图2所示，图2为本发明实施例1施加阳极修饰层的ITO阳极基底和对比例1未施加阳极修饰层的ITO阳极基底的紫外光电子能谱图，通过计算得到实施例1施加阳极修饰层的ITO阳极基底的功函数为-4.85eV，对比例1未施加阳极修饰层的ITO阳极基底的功函数为-4.62eV，证明了阳极修饰层对ITO阳极基底进行修饰，能够提高ITO阳极基底的功函数。
(2)对本发明实施例1～4和对比例1～3制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池进行电学测试。
测试方法为：将制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池置于标准太阳光照(AM 1.5G，100mW·cm-2)条件下。使用标准模拟太阳光模拟器(AM 1.5G,100Mw/cm2)在充斥着N2气氛(O2<1ppm和H2O<0.1ppm)的手套箱中对太阳能电池进行电流密度-电压(CurrentDensity-Voltage，J-V)特性测试(在一个标准太阳光照射下)。
测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1和对比例1制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池在标准太阳光照条件下的电流密度与电压关系图，实施例1制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压和光电转换效率均高于对比例1制备得到的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池。
实施例1与对比例1的各参数对比见表1。
表1
从表中可以看出，实施例1施加了阳极修饰层的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池和对比例1未施加阳极修饰层的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的各参数相比，钙钛矿太阳能电池的开路电压和光电转换效率均得到了提高，光电转换效率提高了17％。实施例1和实施例2的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的各参数相比，证明银纳米棒水性胶体中银纳米棒的浓度过高时，薄膜质量反而变差，开路电压和光电转换效率均降低。实施例3证明FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的阳极修饰层为银纳米颗粒薄膜层时，也可以提高钙钛矿太阳能电池的开路电压和光电转换效率。实施例1、实施例4、对比例2和对比例3的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的各参数相比，证明钙钛矿太阳能电池阳极修饰层的厚度对薄膜质量有很大影响，填充因子可以反应薄膜的质量，当阳极修饰层的厚度过低或过厚时，都会对薄膜质量造成负面影响，从而降低钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
本发明提供了一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，在ITO阳极基底上施加阳极修饰层，阳极修饰层由银纳米粒子组成，施加阳极修饰层的ITO阳极基底的透过率没有大幅度减小，并且银纳米粒子对ITO阳极基底进行了修饰，增强了ITO阳极基底的导电性，提高了ITO阳极基底的功函数，减小了空穴传输层与ITO阳极基底之间能级不匹配引起的能量损失，从而提高FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的开路电压，并改善FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解，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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，其特征在于，从上至下依次包括阴极层、空穴阻挡层、电子传输层、FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层、空穴传输层、阳极修饰层、ITO阳极基底；所述阳极修饰层由银纳米粒子组成；所述阳极修饰层的厚度为5～10nm。
2.根据权利要求1所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述银纳米粒子为银纳米棒和/或银纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述银纳米棒长度为8～10nm，直径为2～3nm；所述银纳米颗粒的粒径为2～3nm。
4.根据权利要求1所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述阴极层的材料为铜或银。
5.根据权利要求1所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层的材料为PEDOT:PSS。
6.一种FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.清洗ITO阳极基底；
S2.在S1所述的ITO阳极基底上施加阳极修饰层；
S3.在S2所述的阳极修饰层上制备空穴传输层；
S4.在S3所述的空穴传输层上制备FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层；
S5.在S4所述的FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀电子传输层、空穴阻挡层、阴极层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，S1中所述清洗ITO阳极基底包括：依次使用丙酮、乙醇对ITO阳极基底进行擦洗，再依次用丙酮、乙醇和去离子水各超声清洗15～25min，超声后在110～120℃的烘箱中烘干。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，S2中对ITO阳极基底进行紫外光照射处理10～20min，再将银纳米粒子水性胶体旋涂或刮涂在ITO阳极基底上施加阳极修饰层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述银纳米粒子水性胶体中银纳米粒子的浓度为2～3体积％。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，S3中采用一步反溶剂法制备FA0.75MA0.25SnI3钙钛矿吸光层。
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