CN117202743A - 一种自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的方法。以有机染料为自组装单分子层修饰材料修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的钙钛矿层和空穴传输层的界面处。本发明方法利用自组装单分子层具有多种官能团和疏水基团的特点，可钝化界面，抑制界面非辐射复合，抑制离子迁移，同时促进空穴传输，提高电池内部载流子的迁移率，提高有机无机杂化钙钛矿太阳电池的开路电压和填充因子，增强光电转换能力。此方法还可提高太阳电池的湿、热稳定性，可明显提高器件质量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的方法。
背景技术
太阳能具有储量丰富、分布广泛、利用方式灵活的优点。而使用太阳电池将光能直接转化为电能是目前获取太阳能的有效途径之一。经十几年的发展，钙钛矿太阳电池的认证能量转换效率从最初的3.8％飞速提升至25.7％，已接近单节电池的SQ极限。为进一步提高太阳电池的效率并突破SQ极限，国内外研究者开始对叠层电池进行探索性研究。其中，宽带隙钙钛矿太阳电池因适合作为叠层电池的顶部电池而受到了人们的广泛关注。而且，宽带隙钙钛矿太阳电池在半透明器件和室内光伏等领域的应用也具有重要意义。
采用溶液法制备的宽带隙钙钛矿会不可避免地在体相和界面处形成缺陷，导致发生缺陷辅助的非辐射复合，从而降低钙钛矿太阳电池的开路电压和填充因子。此外，这些缺陷会作为水分和氧气的侵入点，加速钙钛矿的降解，从而缩短器件的寿命。所以，宽带隙钙钛矿太阳电池的应用受到其效率和稳定性的限制。因此，开发提高宽带隙钙钛矿太阳电池性能的方法意义重大。
发明内容
为弥补现有方法的不足之处，本发明旨在提供一种自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池(PSC)的方法，采用自组装单分子层(SAM)进行界面修饰，以简单的操作和较低的成本提升钙钛矿太阳电池的性能。
本发明利用了自组装单分子层具有多种官能团和疏水基团的特点，可钝化界面，抑制界面非辐射复合，抑制离子迁移，同时促进空穴传输，提高电池内部载流子的迁移率，提高有机无机杂化钙钛矿太阳电池的开路电压和填充因子，增强光电转换能力。此方法还可提高太阳电池的湿、热稳定性，明显提高器件质量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的方法，以有机染料为自组装单分子层修饰材料修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的钙钛矿层和空穴传输层的界面处，所述方法包括以下步骤：
(1)在有机染料中加入有机溶剂，搅拌，直至溶解，过滤，得到自组装单分子层溶液；
(2)预处理导电衬底，并在导电衬底上制备电子传输层；
(3)在电子传输层上制备自组装单分子层修饰的钙钛矿层，所述自组装单分子层修饰的钙钛矿层的制备方法为下述三种方法之一：
方法一：先使钙钛矿层成膜，再将自组装单分子层溶液旋涂在钙钛矿膜层上；
方法二：先使钙钛矿层成膜，再将钙钛矿层浸入自组装单分子层溶液中；
方法三：将自组装单分子层溶液与钙钛矿前驱体溶液混合，再旋涂到电子传输层上；
(4)将步骤(3)中制备得到的自组装单分子层修饰的钙钛矿层进行加热退火，之后冷却至室温；
(5)在自组装单分子层修饰的钙钛矿层上制备空穴传输层；
(6)在空穴传输层上制备金属电极。
上述技术方案中，进一步地，所述有机染料包括Z907、N719、异硫氰酸荧光素、YD2-o-C8中的任意一种。
上述技术方案中，进一步地，步骤(1)中，所述有机溶剂包括无水乙醇、异丙醇、三氟乙醇、氯仿中的任意一种。
上述技术方案中，进一步地，步骤(1)中，自组装单分子层溶液中有机染料的浓度为0.001-10mg/ml。
上述技术方案中，进一步地，方法一中，钙钛矿膜层上的自组装单分子层修饰层的厚度为1-100nm。
上述技术方案中，进一步地，方法二中，浸渍自组装单分子层溶液的时间为1s-720min，旋涂速度为100-9000rpm/min，时间为5-300s。
上述技术方案中，进一步地，方法三中，自组装单分子层溶液与钙钛矿前驱体溶液混合旋涂的厚度为200-800nm，旋涂速度为100-9000rpm/min，时间为5-300s。
上述技术方案中，进一步地，步骤(3)中，制备的环境为空气、氮气或氩气氛围中。
上述技术方案中，进一步地，步骤(4)中，退火温度为20-350℃，退火时间为2-3600s。
本发明的有益效果为：
(1)与现有的其他宽带隙钙钛矿太阳能电池修饰材料，如：大阳离子，富勒烯衍生物和金属氧化物相比，基于自组装单分子层具有多种官能团和疏水基团的特点可实现降低界面能量损失的同时不增加界面电阻，可钝化缺陷，并促进电荷提取。
(2)本发明利用自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的钙钛矿层和空穴传输层的界面处，可桥连宽带隙钙钛矿太阳电池中的钙钛矿层与空穴传输层，优化能级匹配，最终得到界面能量损失更小、能量转化效率更高的宽带隙钙钛矿太阳电池。
附图说明
图1为本发明自组装单分子层修饰的宽带隙钙钛矿太阳电池示意图；
图2为直接旋涂的方式制备自组装单分子层修饰的宽带隙钙钛矿层的示意图；
图3为浸渍的方式制备自组装单分子层修饰的宽带隙钙钛矿层的示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的方法，现给出本发明的较佳实施例，并附以附图详细说明如下。
如无特别说明，本发明的实施例中所用的材料均可通过商业途径得到或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备即可。
实施例1
(1)用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水在超声浴中依次清洗导电玻璃FTO，氮气吹扫其表面杂质后，臭氧处理20min；
(2)将导电玻璃FTO放入培养皿中，导电面朝上，倒入40ml 0.2mol/L的TiCl4水溶液，在70℃恒温箱中保持1h，即用液相沉积的方法沉积TiO2，制备电子传输层，随后用去离子水和无水乙醇分别清洗一次，氮气吹扫表面杂质后，放在200℃的热板上退火30min；
(3)在氮气气氛中，在处理后的电子传输层表面以1000rpm/min，10s和4000rpm/min，40s旋涂1.35M的宽带隙钙钛矿前驱体溶液，在最后20s滴入150μL的反溶剂氯苯，放在热台上150℃退火30min，即得宽带隙钙钛矿薄膜；
(4)以异丙醇溶解Z907，搅拌直至溶解，过滤，制成0.5mg/ml的Z907溶液；
(5)在宽带隙钙钛矿薄膜层表面滴50μL的Z907溶液，以3000rpm/min的速度旋涂30s，放在加热板上，100℃退火10min，取下冷却至室温，即得Z907修饰的宽带隙钙钛矿层；
(6)配制以17.5μL的520mg/ml的LiTFSI乙腈溶液、28.8μL的4-TBP为添加剂的72.3mg/ml的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，室温下搅拌12h，即得Spiro-OMeTAD溶液，在氮气气氛中，以4000rpm/min的速度旋涂30s，将Spiro-OMeTAD溶液旋涂到Z907修饰的宽带隙钙钛矿层上制备空穴传输层；
(7)放入真空蒸镀仪中，将金沉积到空穴传输层表面，厚度为150nm，即制备得到Z907修饰的宽带隙钙钛矿太阳电池。
实施例2
(1)用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水在超声浴中依次清洗导电玻璃FTO，氮气吹扫其表面杂质后，臭氧处理20min；
(2)将导电玻璃FTO放入培养皿中，导电面朝上，倒入40ml 0.2mol/L的TiCl4水溶液，在70℃恒温箱中保持1h，即用液相沉积的方法沉积TiO2，制备电子传输层，随后用去离子水和无水乙醇分别清洗一次，氮气吹扫表面杂质后，放在200℃的热板上退火30min；
(3)将Z907与钙钛矿前驱体溶液以摩尔比为1:100的量混合；
(4)在氮气气氛中，在处理后的电子传输层表面以1000rpm/min，10s和4000rpm/min，40s旋涂1.35M的混合Z907的宽带隙钙钛矿前驱体溶液，在最后20s滴入150μL的反溶剂氯苯，放在热台上150℃退火30min，即得自组装单分子层修饰的宽带隙钙钛矿薄膜；
(5)配制以17.5μL的520mg/ml的LiTFSI乙腈溶液、28.8μL的4-TBP为添加剂的72.3mg/ml的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，室温下搅拌12h，即得Spiro-OMeTAD溶液，在氮气气氛中，以4000rpm/min的速度旋涂30s，将Spiro-OMeTAD溶液旋涂到Z907修饰的宽带隙钙钛矿层上制备空穴传输层；
(6)放入真空蒸镀仪中，将金沉积到空穴传输层表面，厚度为150nm，即制备得到Z907修饰的宽带隙钙钛矿太阳电池。
实施例3
(1)用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水在超声浴中依次清洗导电玻璃FTO，氮气吹扫其表面杂质后，臭氧处理20min；
(2)将导电玻璃FTO放入培养皿中，导电面朝上，倒入40ml 0.2mol/L的TiCl4水溶液，在70℃恒温箱中保持1h，即用液相沉积的方法沉积TiO2，制备电子传输层，随后用去离子水和无水乙醇分别清洗一次，氮气吹扫表面杂质后，放在200℃的热板上退火30min；
(3)在氮气气氛中，在处理后的电子传输层表面以1000rpm/min，10s和4000rpm/min，40s旋涂1.35M的宽带隙钙钛矿前驱体溶液，在最后20s滴入150μL的反溶剂氯苯，放在热台上150℃退火30min，即得宽带隙钙钛矿薄膜；
(4)以异丙醇溶解Z907，搅拌直至溶解，过滤，制成0.5mg/ml的Z907溶液；
(5)将得到的宽带隙钙钛矿薄膜用镊子夹取，迅速浸入配制好的Z907溶液中，停留3s后取出，放在100℃的热板上退火10min；
(6)配制以17.5μL的520mg/ml的LiTFSI乙腈溶液、28.8μL的4-TBP为添加剂的72.3mg/ml的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，室温下搅拌12h，即得Spiro-OMeTAD溶液，在氮气气氛中，以4000rpm/min的速度旋涂30s，将Spiro-OMeTAD溶液旋涂到Z907修饰的宽带隙钙钛矿层上制备空穴传输层；
(7)放入真空蒸镀仪中，将金沉积到空穴传输层表面，厚度为150nm，即制备得到Z907修饰的宽带隙钙钛矿太阳电池。
实施例4
同实施例1的方法，区别在于，将Z907换成N719。
实施例5
同实施例1的方法，区别在于，将Z907换成异硫氰酸荧光素。
实施例6
同实施例1的方法，区别在于，将Z907换成YD2-o-C8。
实施例7
同实施例1的方法，区别在于，将Spiro-OMeTAD溶液换成PTAA溶液。
实施例8
同实施例1的方法，区别在于，将导电玻璃换成ITO，电子传输层TiO2换成SnO2。
实施例9
同实施例1的方法，区别在于，将金电极换成银电极。
实施例10
同实施例1的方法，区别在于，将金电极换成铜电极。
以上内容是对本发明的详细说明，在不脱离本发明的方法下做出的类似实施，都应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自组装单分子层修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，以有机染料为自组装单分子层修饰材料修饰宽带隙钙钛矿太阳电池的钙钛矿层和空穴传输层的界面处，所述方法包括以下步骤：
(1)在有机染料中加入有机溶剂，搅拌，直至溶解，过滤，得到自组装单分子层溶液；
(2)预处理导电衬底，并在导电衬底上制备电子传输层；
(3)在电子传输层上制备自组装单分子层修饰的钙钛矿层，所述自组装单分子层修饰的钙钛矿层的制备方法为下述三种方法之一：
方法一：先使钙钛矿层成膜，再将自组装单分子层溶液旋涂在钙钛矿膜层上；
方法二：先使钙钛矿层成膜，再将钙钛矿层浸入自组装单分子层溶液中；
方法三：将自组装单分子层溶液与钙钛矿前驱体溶液混合，再旋涂到电子传输层上；
(4)将步骤(3)中制备得到的自组装单分子层修饰的钙钛矿层进行加热退火，之后冷却至室温；
(5)在自组装单分子层修饰的钙钛矿层上制备空穴传输层；
(6)在空穴传输层上制备金属电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机染料包括Z907、N719、异硫氰酸荧光素、YD2-o-C8中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机溶剂包括无水乙醇、异丙醇、三氟乙醇、氯仿中的任意一种。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中，自组装单分子层溶液中有机染料的浓度为0.001-10mg/ml。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法一中，钙钛矿膜层上的自组装单分子层修饰层的厚度为1-100nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法二中，浸渍自组装单分子层溶液的时间为1s-720min，旋涂速度为100-9000rpm/min，时间为5-300s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法三中，自组装单分子层溶液与钙钛矿前驱体溶液混合旋涂的厚度为200-800nm，旋涂速度为100-9000rpm/min，时间为5-300s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，制备的环境为空气、氮气或氩气氛围中。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，退火温度为20-350℃，退火时间为2-3600s。
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| CN117729822A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 西安电子科技大学 | 基于气相离子掺杂的大面积钙钛矿太阳电池及其制备方法 |
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2023
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| CN117729822A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 西安电子科技大学 | 基于气相离子掺杂的大面积钙钛矿太阳电池及其制备方法 |
| CN117729822B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-05-14 | 西安电子科技大学 | 基于气相离子掺杂的大面积钙钛矿太阳电池及其制备方法 |
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