一种掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层及制备方法和应用

文档序号：1720694 发布日期：2019-12-17 浏览：54次 >En<

阅读说明：本技术 一种掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层及制备方法和应用 (Ion additive doped electron transport layer of perovskite solar cell, preparation method and application ) 是由毕恩兵陈汉陈林于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层及制备方法和应用,涉及钙钛矿太阳能电池技术领域,电子传输层构成材料为富勒烯或其衍生物中掺杂一定比例的离子添加剂,离子添加剂的化学式为AX,其中,X为卤素阴离子F-、Cl-、Br-或I-中的一种。本发明通过在PCBM添加带有还原性的卤素离子,在不改变PCBM的载流子的迁移率的情况下,增加了PCBM中的电子的浓度,从而使PCBM的导电性增强,使得制备出的器件效率提升了10％以上。(The invention discloses an electron transport layer of a perovskite solar cell doped with an ion additive, a preparation method and application, and relates to the technical field of perovskite solar cells ‑ 、Cl ‑ 、Br ‑ Or I ‑ One kind of (1). According to the invention, the halogen ions with reducibility are added into the PCBM, so that the concentration of electrons in the PCBM is increased under the condition of not changing the mobility of a current carrier of the PCBM, thereby enhancing the conductivity of the PCBM and improving the efficiency of the prepared device by more than 10%.)

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体为一种掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层及制备方法和应用。

背景技术

随着社会的不断发展和进步，人类对于能源的需求也越来越大。与传统的化石能源的不可再生和污染环境特性相比，太阳能是可再生且清洁环保的。传统太阳能电池的代表为非晶硅太阳能电池，但是非晶硅太阳能电池的制作成本高，制作程序繁琐，对环境的污染极大。

钙钛矿太阳能电池作为新一代太阳能电池的代表，其制作简单，成本低的优点为各方人士所青睐。但是其稳定性弱，光电转换效率低等问题一直是困扰其商业化的主要原因。

发明内容

针对背景技术中光电转换效率低这一问题，本发明提供了一种掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层及制备方法和应用，通过在电子传输材料中掺杂一定比例的离子添加剂，使制备的电子传输层的电导率得到提升，改善了填充因子和开路电压，从而使光电转化效率提升10％以上。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层，电子传输层构成材料为富勒烯或其衍生物中掺杂一定比例的离子添加剂，所述离子添加剂的化学式为AX，其中，X为卤素阴离子F^-、Cl^-、Br^-或I^-中的一种，A为有机阳离子，A的通式有两种，即A₁和A₂，A₁和A₂的通式如下：

A的通式中R₁和R₂均为H、NH₂或包含1-10个碳原子的饱和烷基中的一种。

作为本发明一种优选的技术方案，所述离子添加剂AX通过溶液混合、共蒸或反溶剂法加入到电子传输层中。

作为本发明一种优选的技术方案，富勒烯衍生物为ICBA、PC₆₀BM或Bia-C₆₀中的一种。

一种如前所述的掺杂离子添加剂的钙钛矿太阳能电池的电子传输层的制备方法，包括如下的制备步骤：

步骤S1：制备富勒烯或其衍生物的溶液；

步骤S2：在步骤S1的电子传输材料中加入离子添加剂AX，50-60℃条件下搅拌5-10小时，得到包含离子添加剂AX的电子传输材料溶液；

步骤S3：采用旋涂、刮涂、狭缝式涂布或喷涂法中的任意一种方式，在钙钛矿吸光层上面使用步骤S2中制备的包含AX的电子传输材料溶液，制备出电子传输层。

作为本发明一种优选的技术方案，在步骤S3中，AX与富勒烯/富勒烯衍生物的摩尔比为N:1,其中，0<N<3,溶剂为氯苯。

作为本发明一种优选的技术方案，在步骤S3中，加热搅拌过程中加入总体积百分比为L的N，N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜中的至少一种，其中0<L<20％。

作为本发明一种优选的技术方案，还包括如下的制备步骤：

步骤S4：制备钙钛矿吸光层，吸光层构成材料为ABX₃，其中A为Cs⁺、MA⁺或FA⁺中的一种或多种,B为Pb²⁺或Sn²⁺中的一种或多种,X为Cl^-、Br^-或I^-中的一种或多种，制备方法为旋涂、刮涂、狭缝式涂布、喷涂或者反溶剂法中的一种或多种；

步骤S5：将包含钙钛矿吸光层的基板置于真空腔内，并在蒸发源上面分别放置好富勒烯/富勒烯衍生物和AX，AX与富勒烯/富勒烯衍生物的摩尔比为N:1，其中0<N<3；

步骤S6：将真空腔抽真空至10^-5Pa-10²Pa之间；

步骤S7：对蒸发源进行通电加热，使蒸发源上面的反应物气化，从而在钙钛矿吸光层上面沉积，形成包含AX的电子传输层。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤S7中，通过对流经蒸发源的电流的控制，使沉积速率控制在0.1-5埃/s之间。

一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：在制备所述的钙钛矿太阳能电池上使用了如前所述的掺杂离子添加剂的电子传输层。

一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在制备所述的钙钛矿太阳能电池过程中采用了如前所述的方法制备的掺杂离子添加剂的电子传输层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

离子添加剂中的卤素离子具有还原性，与富勒烯或其衍生物的末端原子相连，从而可以作为电子供体，使电子浓度增加，从而使电子传输层的电导率提升。另外离子添加剂中的A阳离子作为有机小分子基团，对富勒烯或其衍生物的载流子迁移率并没有多大改变，这也是电子传输层的电导率可以提升的原因之一。

附图说明

图1为本发明中钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图2为不同实施例制备的钙钛矿太阳能电池的效率对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

如图1所示，该钙钛矿太阳能电池结构由下至上分别为导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、金属电极。

具体地，导电基底包括FTO或ITO等导电材料。

具体地，空穴传输层是由NiO、Cu₂O、MoO₃等无机空穴传输材料构成的或Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS、PTAA等有机空穴传输材料构成的,还可以是由上述空穴传输材料中的至少两种构成。

具体地，电子传输层为由本发明所制备出来的掺杂离子添加剂AX的电子传输层。

具体地，金属电极材料为Al、Ag、Au、Mo、Cr、C中的一种或多种的组合。

对比实施例1:

(1)清洗玻璃：对FTO玻璃用锌粉加稀盐酸进行刻蚀，将刻蚀完的玻璃切割成2.5cm*2.5cm的小玻璃。对小玻璃依次用洗洁精、去离子水、乙醇、丙酮各超声20分钟。用氮气吹干后在紫外臭氧机中处理30分钟。

(2)空穴传输层制备：配制氧化镍溶液，溶液的浓度为10mg/ml。将步骤(1)中的玻璃加热，过滤配备的空穴传输层材料前驱液，用喷枪喷涂过滤好的前驱液。

(3)制备钙钛矿吸光层：制备钙钛矿溶液,溶质为MAPbI₃。MAI/PbI₂为1:1，溶液的浓度为PbI₂为580mg/ml，MAI为200mg/ml。取1个洗净的20ml的棕色试剂瓶，量取5.8g的PbI₂和2g的MAI依次加入到试剂瓶中，然后再加入10mlDMF。用旋涂法将上述溶液旋涂到步骤(2)制备的空穴传输层上，制备钙钛矿吸光层。用量为2.5cm*2.5cm的小电池每块钙钛矿溶液为500微升,滴加反溶剂氯苯。旋涂好后在加热板上100℃条件下加热10分钟。

(4)配置电子传输材料PCBM溶液，浓度为25mg/ml，溶剂为氯苯。配置10ml。

(5)制备电子传输层：在所制备的钙钛矿薄膜上依次旋涂PCBM、BCP。PCBM用量为每块2.5cm*2.5cm的电池在500微升，旋涂好后在75℃的加热板上加热10分钟。BCP的用量在800微升，旋涂好后在加热板上加热10分钟。