CN117279465A - 钙钛矿电池的制备方法、钙钛矿电池及钙钛矿叠层电池 - Google Patents

钙钛矿电池的制备方法、钙钛矿电池及钙钛矿叠层电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏技术领域，公开了一种钙钛矿电池的制备方法、钙钛矿电池及钙钛矿叠层电池，所述制备方法包括：（1）制备空穴传输层；（2）制备钙钛矿层；（3）制备电子传输层：提供涂覆液，所述涂覆液包含[6,6]‑苯基C61丁酸甲酯及混合溶剂，所述混合溶剂包含氯苯和醇；将所述涂覆液涂覆于所述钙钛矿层的表面，加热后退火，使所述涂覆液干燥成膜，得到电子传输层。本申请使用氯苯和醇的混合溶剂对PC61BM进行溶解，在保证一定溶解性的同时通过其烷基链的位阻效应阻碍PC61BM分子间的π‑π堆积，抑制溶液内PC61BM分子的团聚，得到均匀的PC61BM薄膜，提高钙钛矿电池的光电转化效率。

Description

钙钛矿电池的制备方法、钙钛矿电池及钙钛矿叠层电池
技术领域
本申请属于光伏技术领域，特别涉及一种钙钛矿电池的制备方法、钙钛矿电池及钙钛矿叠层电池。
背景技术
钙钛矿电池作为一种新型太阳能电池，近年来其效率已从3.8%提高到了22.1%，其效率已达到了商业化应用的标准。另外，由于钙钛矿电池的原料来源较广，制备工艺简单，成本较低并且可制备大面积柔性电池和透明电池等优势，使得钙钛矿电池受到越来越多的关注和研究。
现有的倒置钙钛矿电池中通常使用[6,6]-苯基C61丁酸甲酯（PC61BM）作为电子传输层材料。在湿法成膜工艺中，需要将PC61BM溶解于氯苯溶剂中，然后进行涂覆，而PC61BM因为自身的π-π堆积易发生分子团聚，影响成膜质量，最终影响电池的光电转化效率。
发明内容
本申请的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种钙钛矿电池的制备方法、钙钛矿电池及钙钛矿叠层电池。
为解决上述技术问题，本申请的第一方面提供了一种钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：（1）制备空穴传输层：在导电基底上制备空穴传输层；（2）制备钙钛矿层：在所述空穴传输层的表面制备钙钛矿层；（3）制备电子传输层：提供涂覆液，所述涂覆液包含[6,6]-苯基C61丁酸甲酯及混合溶剂，所述混合溶剂包含氯苯和醇；将所述涂覆液涂覆于所述钙钛矿层的表面，加热至50~100℃后，退火5~30分钟，使所述涂覆液干燥成膜，得到电子传输层。
相对于现有技术而言，在本申请提供的技术方案中，使用氯苯和醇的混合溶剂对PC61BM进行溶解，在保证对PC61BM具有较好溶解性的同时，还通过烷基链的位阻效应阻碍PC61BM分子间的π-π堆积，从而抑制混合溶液内PC61BM分子的团聚，有助于得到更为均匀的PC61BM薄膜，减少电子传输层与钙钛矿层之间的界面缺陷，实现电池短路电流和填充因子的提高，最终提高钙钛矿电池的光电转化效率。
值得一提的是，现有技术中常规使用氯苯作为PC61BM的溶剂，氯苯属于低极性溶剂，因此，现有技术给予本领域技术人员的教导是：PC61BM分子适合在以氯苯为代表的低极性溶剂中进行溶解。而醇类属于极性非常大的一类溶剂，本领域技术人员在现有技术的教导下不会想到使用醇类作为PC61BM的溶剂；且事实也确实如此，醇类单独用作PC61BM的溶剂时，其溶解效果并不好。而在本申请提出的技术方案中，使用氯苯与醇混合作为PC61BM的溶剂，却能在保证较好溶解性的同时抑制溶液内PC61BM分子的团聚，最终在湿法成膜后得到更为均匀的PC61BM薄膜。
可选地，所述涂覆液中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的比例为：每5~30mg [6,6]-苯基C61丁酸甲酯溶解于包含1ml氯苯和0.1~1ml醇的混合溶剂中。可选地，所述涂覆液中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的比例为：每20mg [6,6]-苯基C61丁酸甲酯溶解于包含1ml氯苯和0.1~0.3ml醇的混合溶剂中。当增加到PC61BM和氯苯体系中的醇类太少，抑制溶液内PC61BM分子的团聚的效果不明显；当增加到PC61BM和氯苯体系中的醇类太多，反而影响PC61BM在混合溶剂中的溶解效果，影响成膜质量。
可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述醇的沸点低于150℃。可选地，所述醇的沸点在70℃~120℃之间。本申请中，当所使用的醇的沸点较低，C链较短，则阻碍PC61BM分子间堆积的能力也越弱。当所使用的醇的沸点较高，则不利于干燥成膜过程，反而导致成膜不均匀，粗糙度高，也不利于最终对于电池的光电转化效率的提高效果。
可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述醇选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述醇为异丙醇，异丙醇沸点在较合适范围内，且结构中的支链有利于氢键形成，阻碍PC61BM分子间堆积的能力越好。
可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述电子传输层的厚度为5nm~100nm。
可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述涂覆的方式为旋涂。
可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述在导电基底上制备空穴传输层的方法为旋涂或者物理气相沉积。
可选地，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，在所述空穴传输层的表面制备钙钛矿层的方法为旋涂、刮涂或物理气相沉积。
本申请的第二方面提供一种钙钛矿电池，其采用本申请第一方面所述的方法制备。
本申请的第三方面提供一种钙钛矿叠层电池，包括依次层叠设置的顶电池、复合层和底电池，所述顶电池为本申请第二方面所述的钙钛矿电池。
本申请提供的钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池，由于在电子传输层的制备过程中，在PC61BM的氯苯溶液中加入一定量的醇类溶剂，在保证一定溶解性的同时通过其烷基链的位阻效应阻碍PC61BM分子间的π-π堆积，抑制溶液内PC61BM分子的团聚，得到了更为均匀的PC61BM薄膜，减少电子传输层与钙钛矿层之间的界面缺陷，实现电池短路电流和填充因子的提高，最终提高钙钛矿电池的光电转化效率。
具体实施方式
为了能够更清楚理解本发明的目的、特点和优势，下面对本发明的实施方式进行详细描述。所用材料未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而非对本发明及其应用的限制。
根据本申请的第一方面，本申请的实施方式提供了一种钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：（1）制备空穴传输层：在导电基底上制备空穴传输层；（2）制备钙钛矿层：在所述空穴传输层的表面制备钙钛矿层；（3）制备电子传输层：提供涂覆液，所述涂覆液包含[6,6]-苯基C61丁酸甲酯及混合溶剂，所述混合溶剂包含氯苯和醇；将所述涂覆液涂覆于所述钙钛矿层的表面，加热至50~100℃后，退火5~30分钟，使所述涂覆液干燥成膜，得到电子传输层。
本申请的实施方式中，使用氯苯和醇的混合溶剂对PC61BM进行溶解，在保证对PC61BM具有较好溶解性的同时，还通过醇溶剂的烷基链的位阻效应阻碍PC61BM分子间的π-π堆积，抑制混合溶液内PC61BM分子的团聚，从而有助于得到更为均匀的PC61BM薄膜，达到了减少电子传输层与钙钛矿层之间的界面缺陷的目的，实现电池短路电流和填充因子的提高，最终提高钙钛矿电池的光电转化效率。
本申请的部分实施方式中，所述涂覆液中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的比例为：每5~30mg [6,6]-苯基C61丁酸甲酯溶解于包含1ml氯苯和0.1~1ml醇的混合溶剂中。
本申请的部分实施方式中，所述涂覆液中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的比例为：每20mg [6,6]-苯基C61丁酸甲酯溶解于包含1ml氯苯和0.1~0.3ml醇的混合溶剂中。
当增加到PC61BM和氯苯体系中的醇类太少，抑制溶液内PC61BM分子的团聚的效果不明显；当增加到PC61BM和氯苯体系中的醇类太多，反而影响PC61BM在混合溶剂中的溶解效果，影响成膜质量。
本申请的部分实施方式中，所述醇的沸点低于150℃。
本申请的部分实施方式中，所述醇的沸点在70℃~120℃之间。
本申请中，当所使用的醇的沸点较低，C链较短，则阻碍PC61BM分子间堆积的能力也越弱。当所使用的醇的沸点较高，则不利于干燥成膜过程，反而导致成膜不均匀，粗糙度高，也不利于最终对于电池的光电转化效率的提高效果。
本申请的部分实施方式中，所述醇选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。
本申请的部分实施方式中，在本申请提供的钙钛矿电池的制备方法中，所述醇为异丙醇，异丙醇沸点在较合适范围内，且结构中的支链有利于氢键形成，阻碍PC61BM分子间堆积的能力越好。
本申请的部分实施方式中，所述电子传输层的厚度为5nm~100nm。
本申请的部分实施方式中，所述涂覆的方式为旋涂。
本申请的部分实施方式中，所述在导电基底上制备空穴传输层的方法为旋涂或者物理气相沉积。
本申请的部分实施方式中，在所述空穴传输层的表面制备钙钛矿层的方法为旋涂、刮涂或物理气相沉积。
本申请的部分实施方式中，空穴传输层的材料可以是p型半导体材料，也可以是n型半导体材料，其中，p型半导体材料的功函数小于或等于3eV，n型半导体材料的功函数大于或等于5eV，可选地，空穴传输层的材料可以是CuSCN（硫氰化亚铜）、NiO（氧化镍）、MoO3（氧化钼）、Spiro-OMeTAD、PTAA（Poly(triaryl amine)，聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]）等，本发明实施例对此不作具体限制。
本申请的部分实施方式中，钙钛矿层的材料可以是有机-无机杂化卤化物钙钛矿、全无机卤化物钙钛矿、无铅钙钛矿中的任一种，如钙钛矿层的材料可以是FAPbI3(甲脒基三碘化铅)钙钛矿、MAPbI3(甲基铵铅三碘化物)钙钛矿等，本发明实施例对此不作具体限制。
根据本申请的第二方面，本申请的部分实施方式还提供一种钙钛矿电池，其采用本申请第一方面所述的方法制备。
根据本申请的第三方面，本申请的部分实施方式还提供一种钙钛矿叠层电池，包括依次层叠设置的顶电池、复合层和底电池，所述顶电池为本申请第二方面所述的钙钛矿电池。
本申请实施方式中提供的钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池，由于在电子传输层的制备过程中，在PC61BM的氯苯溶液中加入一定量的醇类溶剂，在保证一定溶解性的同时通过其烷基链的位阻效应阻碍PC61BM分子间的π-π堆积，抑制溶液内PC61BM分子的团聚，得到了更为均匀的PC61BM薄膜，减少电子传输层与钙钛矿层之间的界面缺陷，实现电池短路电流和填充因子的提高，最终提高钙钛矿电池的光电转化效率。
以下结合具体实施例进一步说明本申请的优势。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。除非特别规定，本说明书中涉及的各种参数具有本领域公知的通用含义，可以按本领域公知的方法进行测量。例如，可以按照在本申请的实施例中给出的方法进行测试。另外，各种优选实施例中给出的各种不同参数的优选范围和选项可以进行任意组合，由此得到的各种组合都视为在本申请的公开范围之内。
实施例1~5
1、制备空穴传输层：提供涂覆液，所述涂覆液包含氧化镍纳米颗粒及混合溶剂，所述混合溶剂包含乙醇和乙腈；将所述涂覆液涂覆于透明导电玻璃的表面，加热至70~150℃后，退火5~30分钟，使所述涂覆液干燥成膜，得到空穴传输层。
2、制备钙钛矿层：提供涂覆液，所述涂覆液包含甲胺氢碘酸盐、碘化铅及混合溶剂，所述混合溶剂包含二甲基甲酰胺和二甲亚砜；将所述涂覆液涂覆于所述空穴传输层的表面，加热至70~150℃后，退火5~60分钟，使所述涂覆液干燥成膜，得到钙钛矿层。
3、制备电子传输层：提供涂覆液，所述涂覆液包含[6,6]-苯基C61丁酸甲酯及混合溶剂，所述混合溶剂包含氯苯和醇；将所述涂覆液涂覆于所述钙钛矿层的表面，加热至50~100℃后，退火5~30分钟，使所述涂覆液干燥成膜，得到电子传输层。其中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的质量/体积比、所述醇沸点范围和具体选择如表1相关项目所示。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：制备电子传输层的涂覆液仅包含[6,6]-苯基C61丁酸甲酯及氯苯溶剂，未添加醇类溶剂。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：制备电子传输层的涂覆液仅包含[6,6]-苯基C61丁酸甲酯及醇类溶剂，未添加氯苯溶剂。
检测
按照常规检测方法，对实施例1~5、对比例1~2制备的钙钛矿电池进行填充因子和光电转化效率检测，检测结果参见表1相关项目所示。
表1
（注：对比例2中，PC61BM在纯的异丙醇溶剂中无法溶解，旋涂后仍为颗粒而无法成膜。）
由表1检测数据可知：实施例1~5使用氯苯和醇的混合溶剂对PC61BM进行溶解，在保证较好溶解性的同时通过其烷基链的位阻效应阻碍PC61BM分子间的π-π堆积，抑制溶液内PC61BM分子的团聚，溶液在钙钛矿表面浸润性得到提高，有助于得到更为均匀的PC61BM薄膜，减少电子传输层与钙钛矿层之间的界面缺陷，实现电池短路电流和填充因子的提高，最终提高钙钛矿电池的光电转化效率。对比例1仅使用氯苯作为PC61BM的溶剂，对比例2仅使用异丙醇作为PC61BM的溶剂，均未实现上述实施例1~5的技术效果。
进一步地，当所使用的醇的沸点较低，C链较短，则阻碍PC61BM分子间堆积的能力也越弱。当所使用的醇的沸点较高，则不利于干燥成膜过程，反而导致成膜不均匀，粗糙度高，也不利于最终对于电池的光电转化效率的提高效果。因而，可选择沸点在70℃~120℃之间的醇，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和正丁醇等。其中，异丙醇沸点在较合适范围内，且结构中的支链有利于氢键形成，可很好地阻碍PC61BM分子间堆积的能力，显著提高填充因子和光电转化效率。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制备空穴传输层：在导电基底上制备空穴传输层；（2）制备钙钛矿层：在所述空穴传输层的表面制备钙钛矿层；（3）制备电子传输层：提供涂覆液，所述涂覆液包含[6,6]-苯基C61丁酸甲酯及混合溶剂，所述混合溶剂包含氯苯和醇；将所述涂覆液涂覆于所述钙钛矿层的表面，加热至50~100℃后，退火5~30分钟，使所述涂覆液干燥成膜，得到电子传输层。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述涂覆液中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的比例为：每5~30mg [6,6]-苯基C61丁酸甲酯溶解于包含1ml氯苯和0.1~1ml醇的混合溶剂中。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述涂覆液中，所述[6,6]-苯基C61丁酸甲酯和所述混合溶剂的比例为：每20mg [6,6]-苯基C61丁酸甲酯溶解于包含1ml氯苯和0.1~0.3ml醇的混合溶剂中。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述醇的沸点低于150℃。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述醇的沸点在70℃~120℃之间。
6.根据权利要求4所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述醇选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述醇为异丙醇。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述电子传输层的厚度为5nm~100nm。
9.根据权利要求1所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式为旋涂。
10.根据权利要求1所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，所述在导电基底上制备空穴传输层的方法为旋涂或者物理气相沉积。
11.根据权利要求1所述的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，在所述空穴传输层的表面制备钙钛矿层的方法为旋涂、刮涂或物理气相沉积。
12.一种钙钛矿电池，其特征在于，采用权利要求1至11中任一项所述的方法制备。
13.一种钙钛矿叠层电池，包括：依次层叠设置的顶电池、复合层和底电池，所述顶电池为权利要求12所述的钙钛矿电池。
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