CN105655488B - 一种含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池领域，首先提供具有透明导电层FTO薄膜的导电玻璃，在FTO薄膜层上旋涂法TiO2致密层，然后旋涂TiO2多孔层，之后经一步旋涂法制备钙钛矿吸光层，将配制好的空穴传输材料Spiro‑OMeTAD溶液旋涂制备成空穴传输层，再将由导电纳米碳粉溶剂分散后滴涂法制备而成的碳对电极置于空穴传输层之上。最后将制备好的二茂铁层压制在碳对电极上，构成回路，制备出含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池。本发明加入二茂铁之后有效的提升了电池光电效率，效果明显。

Description

一种含二茂铁层的钙钛矿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，具体涉及一种含有二茂铁修饰材料的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
近些年来，有机铅卤化物钙钛矿太阳能电池光电转换效率突破20％，已经十分接近晶体硅太阳能电池的转换效率(Nature Mater.,2014,13,838–842；Science,2014,345,542–546)。制备高效、稳定的钙钛矿太阳能电池具有很大的研究价值和应用前景。
钙钛矿太阳能电池依次由玻璃基底、FTO、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传输层和对电极构成(Phys.Chem.Chem.Phys.,2014,16,19984–19992)。在钙钛矿太阳能电池中，太阳光照射后，钙钛矿光敏层首先吸收光子产生电子-空穴对。然后，电子传输到TiO2致密层，而后被导电FTO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被对电极收集(NPG AsiaMater.,2013,5,68)。对电极多采用贵金属电极，其中报道最多的是金电极，通过蒸镀法制备到钙钛矿太阳能电池上。一些文献中报道了使用廉价碳材料制备成钙钛矿太阳能电池的对电极，也获得了良好的效果。
二茂铁是一种富电子分子，具有良好的电化学催化活性。二茂铁的能级为4.8eV，氧化还原能力强，它在光电材料中有广泛的应用和良好的表现(J.Mater.Chem.,2012,22,22658–22662；RSC Adv.,2014,4,34904–34911)。此外，二茂铁价格低廉，用于光电材料中可降低制备成本，具有应用潜力。
发明内容
本发明设计的目的是提供一种含有二茂铁层的钙钛矿太阳能电池，通过添加少量的二茂铁修饰碳对电极，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。同时给出了该钙钛矿电池的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括层叠的导电玻璃、致密层、多孔层、具有钙钛矿结构的吸光层、空穴传输层、碳对电极，其特征在于：还包括设置在碳电极上的二茂铁层，所述的二茂铁层是旋涂一定浓度二茂铁的导电玻璃。
进一步的，所述的二茂铁层中二茂铁浓度范围在5～70mg/mL之间。所述的二茂铁层压制在碳电极上，二茂铁层的面积小于或等于碳对电极的面积。
一种含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括
a、二茂铁层的制备步骤，首先配制一定浓度的二茂铁溶液，在二茂铁中加入有机溶剂，搅拌至完全溶解，然后将配制好的二茂铁溶液滴至导电玻璃上使用旋涂仪旋涂，旋涂速度在1000r/min～4000r/min之间，二茂铁均匀成膜；
b、含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备步骤，首先，提供具有透明导电层FTO薄膜的导电玻璃，在FTO导电玻璃上旋涂TiO2致密层，然后旋涂TiO2多孔层，之后经一步旋涂法制备具有钙钛矿结构的吸光层，将配制好的空穴传输材料Spiro-OMeTAD溶液旋涂制备成空穴传输层，再将由导电纳米碳粉溶剂分散后滴涂法制备而成的碳对电极置于空穴传输层之上，最后将步骤a中制备好的二茂铁层压制在碳对电极上，构成回路，得到含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池。
进一步的，步骤a中所述的有机溶剂为除水有机溶剂，选自氯苯、甲苯、石油醚或二氯甲烷中的一种。
本发明的有益效果是：二茂铁是一种富电子分子，具有良好的电化学催化活性，氧化还原能力强，它在光电材料中有广泛的应用和良好的表现，本发明加入二茂铁之后有效的提升了电池光电效率，效果明显。
附图说明
图1为本发明钙钛矿太阳能电池结构示意图。
图中：1、FTO导电玻璃；2、致密层；3、多孔层；4、具有钙钛矿结构的吸光层；5、Spiro-OMeTAD空穴传输层；6、碳对电极(碳电极)；7、二茂铁层(二茂铁层的FTO导电玻璃)。
图2是含二茂铁修饰碳对电极的钙钛矿太阳能电池的光伏特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
二茂铁层的制备：
首先配制一定浓度的二茂铁溶液，以配制10g/L的二茂铁溶液为例，具体方法如下：称取30mg二茂铁至于小烧杯中，加入3mL氯苯溶剂，搅拌至完全溶解。然后将配制好的二茂铁溶液滴至导电玻璃上使用旋涂仪旋涂，旋涂速度为1500r/min，二茂铁均匀成膜。当然，本发明旋涂速度在1000r/min～4000r/min之间时，均能达到使二茂铁均匀成膜的效果。
含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备：
本发明以上制备的二茂铁溶液可用于制备钙钛矿太阳能电池，由附图1可知，本发明的钙钛矿太阳能电池，包括依次层叠FTO导电玻璃1、致密层2、多孔层3、具有钙钛矿结构的吸光层4、Spiro-OMeTAD空穴传输层5、碳对电极6和二茂铁层7。所述的二茂铁层是旋涂一定浓度二茂铁的导电玻璃，二茂铁层中二茂铁浓度范围在5～70mg/mL之间均可实现本发明的效果。
首先，提供具有透明导电层FTO薄膜的FTO导电玻璃1，在FTO薄膜层上旋涂法TiO2致密层2，然后旋涂TiO2多孔层3，之后经一步旋涂法制备具有钙钛矿结构的吸光层4，配制好空穴传输材料Spiro-OMeTAD溶液旋涂制备成Spiro-OMeTAD空穴传输层5，再将0.3g的10000目碳粉加入称量瓶滴加色谱乙醇(差不多浸湿碳粉即可)，再加入少量的松油醇，搅拌，吸取液体滴于瓶壁，观察液体是否连续，若连续，超声3min；若不连续，继续滴加松油醇，在干净的导电玻璃的一侧上滴加2滴液体，转动玻璃，使其平铺于壁面，然后放入马弗炉，300℃下烧制1h，制成碳对电极6。再将上述由导电纳米碳粉溶剂分散后滴涂法制备而成的碳对电极6置于Spiro-OMeTAD空穴传输层5之上。最后将制备好的上述10g/L的二茂铁制备的二茂铁层7压制在碳对电极上，构成回路，制备出含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池，其中二茂铁层7的面积小于或等于碳对电极6的面积。图2给出了含二茂铁修饰碳对电极的钙钛矿太阳能电池的光伏特性曲线，并与不加二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的光伏曲线做比较。从图中可以看出，加入二茂铁之后能够提升电池光电效率。相应的光伏数据短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)和光电转换效率(η)在表1中给出。表1为含二茂铁修饰碳对电极的钙钛矿太阳能电池的光伏数据表，从表1中可以看出加入二茂铁后电池效率由5.8％提高到6.2％，开路电压能达到0.907V。
表1

Claims (5)

1.一种含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括层叠的导电玻璃、致密层、多孔层、具有钙钛矿结构的吸光层、空穴传输层、碳对电极，其特征在于：还包括设置在碳电极上的二茂铁层，所述的二茂铁层是旋涂一定浓度二茂铁的导电玻璃；
其中所述的二茂铁层中二茂铁浓度范围在5～70mg/mL之间；
所述的二茂铁层压制在碳电极上，二茂铁层的面积小于或等于碳对电极的面积。
2.一种含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括
a、二茂铁层的制备步骤，首先配制一定浓度的二茂铁溶液，在二茂铁中加入有机溶剂，搅拌至完全溶解，然后将配制好的二茂铁溶液滴至导电玻璃上使用旋涂仪旋涂，旋涂速度在1000r/min～4000r/min之间，二茂铁均匀成膜；
b、含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备步骤，首先，提供具有透明导电层FTO薄膜的导电玻璃，在FTO导电玻璃上旋涂TiO2致密层，然后旋涂TiO2多孔层，之后经一步旋涂法制备具有钙钛矿结构的吸光层，将配制好的空穴传输材料Spiro-OMeTAD溶液旋涂制备成空穴传输层，再将由导电纳米碳粉溶剂分散后滴涂法制备而成的碳对电极置于空穴传输层之上，最后将步骤a中制备好的二茂铁层压制在碳对电极上，构成回路，得到含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤a中的旋涂速度为1500r/min。
4.根据权利要求2所述的含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤a中所述的有机溶剂为除水有机溶剂，选自氯苯、甲苯、石油醚或二氯甲烷中的一种。
5.根据权利要求2所述的含二茂铁层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的二茂铁层的面积小于或等于碳对电极的面积。
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