CN107565027A - 一种基于纳米洋葱碳：pc61bm复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池采用正型结构，包括从下往上依次设置的衬底层、ITO透明导电阳极层、空穴传输层、钙钛矿光活性层、复合电子传输层及金属阴极层；复合电子传输层为PC61BM材料和纳米洋葱碳材料按比例混合构成的固态复合层结构；复合层结构中纳米洋葱碳材料和PC61BM材料的质量百分比分别为：纳米洋葱碳1％～10％；PC₆₁BM 99％～90％。本发明有效地降低了器件的串联电阻，降低了电子在电子传输层/光活性层界面的复合几率，提高了器件的填充因子；同时提高了电子传输到阴极的数量，提升了载流子传输速率。

Description

一种基于纳米洋葱碳：PC61BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能 电池

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，属于新能源太阳能电池领域；具体涉及一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。目前世界上使用的能源大多数来自于矿物燃料的开采，其中包括石油，天然气和煤等。然而，这些资源是有限的。占地球总能量99％以上的太阳能具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而成为各国科学家开发和利用的新能源之一。钙钛矿(perovskite)是德国矿物学家古斯塔夫·罗斯(Gustav Rose)在1839年，于俄罗斯中部境内的乌拉尔山脉上发现钙钛矿岩石样本，决定以他心中伟大的地质学家Lev Perovski来命名这种矿石。该矿石是普通的金属有机化合物晶体，主要成分是钛酸钙(CaTiO3)。后来人们所指的钙钛矿电池，并不是用他发现的这种矿石材料制成的，而是使用了与钙钛矿晶体结构相似的化合物。2009年时，桐荫横浜大学的宫坂力率先通过将薄薄的一层钙钛矿当做吸光层应用于染料敏化太阳能电池，制造出了钙钛矿太阳能电池。当时的光电转换率为3.8％。后来研究者对电池进行了改进，转换效率一下翻了一倍。虽然转换效率提高了，但还要面对一个致命问题——钙钛矿中的金属卤化物容易被电池的液体电解质破坏，导致电池稳定性低，寿命短。

2012年8月，由格拉兹尔(Gr tzel)领导的韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料(hole transport materials，HTM)引入太阳能电池，使电池效率一下提高到了10％，而且也解决了电池不稳定的问题，新型的钙钛矿太阳能电池比以前用液体电解液时更容易封装了。这之后，钙钛矿太阳能电池成为了新的研究热点。

在层出不穷的钙钛矿太阳能电池相关研究中，科学家还发现，钙钛矿不仅吸光性好，也是不错的电荷运输材料。他们不断对钙钛矿材料和结构进行改善，以提高钙钛矿电池的光电转换率。于是就在同年，牛津大学的亨利·司奈斯将电池中的TiO2用铝材进行了代替，这样钙钛矿在电池片中就不仅是光的吸收层，也同样可作为传输电荷的半导体材料。由此，钙钛矿电池的转换效率一下攀升到15％。2015年8月，加州大学洛杉矶分校的华裔科学家杨阳领导的研究团队，在《科学》(Science)期刊上发表最新研究论文称，他们通过改进钙钛矿结构层，选择更适合传输电荷的材料，让电池两端的电极能收集更多的电。这次研究中，钙钛矿太阳能电池的转换效率最高达到了19.3％，成为该领域之最。

然而，钙钛矿太阳能电池虽然其光电转换效率较高，但是其钙钛矿结构极其不稳定，在水氧环境下容易分解，且钙钛矿电池由于其特殊的电荷传输机理，容易出现性能迟滞，也就是加正向电压和反向电压时，性能差异较大。上述缺点导致了钙钛矿电池距离其实用化还尚需时日。目前，世界各国研究组通过制备合适的电子及其空穴传输层来提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率，增加其稳定性，减少性能迟滞。传统的平面结构钙钛矿太阳能电池器件普遍使用PC₆₁BM作为其电子传输层，使得钙钛矿太阳能电池的效率获得明显的提升。但由于PC₆₁BM导电率不高，且空气稳定性差，使得器件在空气中的稳定性较差，器件寿命较短。并且，大部分采用PC₆₁BM电子传输层的平面结构钙钛矿太阳能电池性能迟滞较为明显，也是亟待解决的科研问题。

纳米洋葱碳(Carbon Onions,CNOs)是纳米洋葱状富勒烯的简称，它是由若干层同心球状的石墨壳层组成的较大的碳原子团簇，最内层是由60个碳原子组成的C₆₀，每一壳层的碳原子数都可以按照60n²(n为层数)来计算。纳米洋葱碳是套球状全碳分子，相当于长径比近似等于1：1的碳纳米管，是碳纳米管的一种特殊形式。纳米洋葱碳作为一种新型的碳材料，具有超高的导电性，透明，以及稳定性强等特点。此后，对于碳纳米洋葱这类特殊的富勒烯物质的研究便开始悄然兴起，成为研究的热点。

通过将多种有机无机材料相结合的方式，研究如何优化电子传输层是提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率，降低性能迟滞，提高稳定性的关键，也是目前此领域研究的重点及难点。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提供了一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池，从而解决了以往钙钛矿太阳能电池载流子传输速度慢、性能迟滞及稳定性差的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池采用正型结构，包括从下往上依次设置的衬底层、ITO透明导电阳极层、空穴传输层、钙钛矿光活性层、复合电子传输层及金属阴极层；

其中，

复合电子传输层为PC₆₁BM材料和纳米洋葱碳材料按比例混合构成的固态复合层结构；

复合层结构中纳米洋葱碳材料和PC₆₁BM材料的质量百分比分别为：

纳米洋葱碳 1％～10％；

PC₆₁BM 99％～90％。

基于以上技术方案，所述空穴传输层由PEDOT:PSS的水分散液制备而成的固体薄膜，水分散液浓度为0.5～2mg/ml。

基于以上技术方案，所述钙钛矿光活性层为CH₃NH₃PbI₃钙钛矿结构薄膜，厚度为240～300nm。

基于以上技术方案，所述复合电子传输层厚度为5～20nm。

基于以上技术方案，所述纳米洋葱碳材料为纳米洋葱碳分散液制备而成，粒径为20～40nm，浓度为1～5mg/ml。

基于以上技术方案，所述金属阴极层的金属材料为Ag、Al、Cu中的一种或两种以上的混合物，金属阴极层厚度范围为100～200nm。

基于以上技术方案，所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂、聚丙烯酸的一种或两种以上的混合物。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过混合纳米洋葱碳填充PC₆₁BM与钙钛矿薄膜间的间隙，优化界面接触，利于载流子的传输，而纳米洋葱碳本身的电荷迟滞效应能够抵消钙钛矿电池的迟滞效应，从而减少电池整体的性能迟滞。

2、本发明通过引入高导电率的纳米洋葱碳，有效地降低了器件的串联电阻，降低了电子在电子传输层/光活性层界面的复合几率，提高了器件的填充因子；同时提高了电子传输到阴极的数量，提升了载流子传输速率，从而提升器件的短路电流。

3、通过混合稳定的纳米洋葱碳颗粒，将PC₆₁BM薄膜当中的空隙及其空洞进行填充，有效的提升了电子传输层隔绝水氧的能力，避免了由于水氧进入到钙钛矿光活性层导致钙钛矿结构分解，隔提高器件的水氧稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记：1、衬底层；2、ITO透明导电阳极层；3、空穴传输层；4、钙钛矿光活性层；5、复合电子传输层；6、金属阴极层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池采用正型结构，包括从下往上依次设置的衬底层1、ITO透明导电阳极层2(ITO,英文名Indium Tin Oxides，即氧化铟锡)、空穴传输层3、钙钛矿光活性层4、复合电子传输层5及金属阴极层6；

其中，

复合电子传输层5为PC₆₁BM材料和纳米洋葱碳材料按比例混合构成的固态复合层结构；

复合层结构中纳米洋葱碳材料和PC₆₁BM材料的质量百分比分别为：

纳米洋葱碳 1％～10％；

PC₆₁BM 99％～90％。

以上实施例中，所述ITO透明导电阳极层2厚度范围为20～40nm。

优选的，所述空穴传输层3由PEDOT:PSS的水分散液制备而成的固体薄膜，水分散液浓度为0.5～2mg/ml。

优选的，所述钙钛矿光活性层4为CH₃NH₃PbI₃钙钛矿结构薄膜，厚度为240～300nm。

优选的，所述复合电子传输层5厚度为5～20nm。

优选的，所述纳米洋葱碳材料为纳米洋葱碳分散液制备而成，粒径为20～40nm，浓度为1～5mg/ml。

优选的，所述金属阴极层6的金属材料为Ag、Al、Cu中的一种或两种以上的混合物，金属阴极层厚度范围为100～200nm。

优选的，所述衬底层1材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂、聚丙烯酸的一种或两种以上的混合物。

本实施例通过混合纳米洋葱碳填充PC₆₁BM与钙钛矿薄膜间的间隙，优化界面接触，利于载流子的传输，而纳米洋葱碳本身的电荷迟滞效应能够抵消钙钛矿电池的迟滞效应，从而减少电池整体的性能迟滞；通过引入高导电率的纳米洋葱碳，有效地降低了器件的串联电阻，降低了电子在电子传输层/光活性层界面的复合几率，提高了器件的填充因子；同时提高了电子传输到阴极的数量，提升了载流子传输速率，从而提升器件的短路电流；通过混合稳定的纳米洋葱碳颗粒，将PC₆₁BM薄膜当中的空隙及其空洞进行填充，有效的提升了电子传输层隔绝水氧的能力，避免了由于水氧进入到钙钛矿光活性层导致钙钛矿结构分解，隔提高器件的水氧稳定性。

下面，结合具体数据列举具体实施例对本发明做进一步解释和说明。

具体实施例

对照组1

对表面粗糙度小于1nm的由衬底层1及ITO透明导电阳极层2所组成的基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在ITO透明导电阳极层2表面旋转涂覆PEDOT:PSS溶液(工作参数：转速3000rpm,时间40s)制备空穴传输层3；并将所形成的薄膜进行烘烤(工作参数：温度135℃,时间30min)；在ITO透明导电阳极层2上进一步法旋涂制备钙钛矿光活性层4(厚度250nm)；在钙钛矿光活性层4表面旋涂制备纳米洋葱碳制备复合电子传输层5(厚度20nm)；在金属阴极层6上蒸镀金属阴极Ag(厚度100nm)，构成钙钛矿太阳能电池器件。

在标准测试条件下：大气质量AM 1.5,光强度100mW/cm²，则该电池的性能参数数据如表一所示：

表一对照组1构成的电池的性能参数

通过表一可以看出，混入纳米洋葱碳和PC₆₁BM的复合电子传输层4，能够有效提升钙钛矿太阳能电池的填充因子，短路电流，从而提升其光电转换效率。

其次，该电池的正反扫填充因子及其光电转换效率数据如表二所示：

表二对照组1构成的电池的正反扫填充因子及其光电转换效率

通过表2可以看出，混入纳米洋葱碳和PC₆₁BM的复合电子传输层4，能够有效降低钙钛矿太阳能电池的性能迟滞。

最后，该电池在空气中存放时的性能衰减数据如表三所示：

表三对照组1构成的电池在空气中存放时的性能衰减

通过表三可以看出，混入纳米洋葱碳和PC₆₁BM的复合电子传输层4，能够有效提升钙钛矿太阳能电池在空气中的稳定性。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池采用正型结构，包括从下往上依次设置的衬底层、ITO透明导电阳极层、空穴传输层、钙钛矿光活性层、复合电子传输层及金属阴极层；

其中，

复合电子传输层为PC₆₁BM材料和纳米洋葱碳材料按比例混合构成的固态复合层结构；

复合层结构中纳米洋葱碳材料和PC₆₁BM材料的质量百分比分别为：

纳米洋葱碳1％～10％；

PC₆₁BM 99％～90％。

2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层由PEDOT:PSS的水分散液制备而成的固体薄膜，水分散液浓度为0.5～2mg/ml。

3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿光活性层为CH₃NH₃PbI₃钙钛矿结构薄膜，厚度为240～300nm。

4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述复合电子传输层厚度为5～20nm。

5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米洋葱碳材料为纳米洋葱碳分散液制备而成，粒径为20～40nm，浓度为1～5mg/ml。

6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述金属阴极层的金属材料为Ag、Al、Cu中的一种或两种以上的混合物，金属阴极层厚度范围为100～200nm。

7.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述衬底层材料为玻璃或透明聚合物，所述透明聚合物材料为聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、氯醋树脂、聚丙烯酸的一种或两种以上的混合物。