CN107946464B - 一种基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次设置的FTO导电玻璃、致密层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿活性层和空穴传输层。本发明还公开了上述基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法。本发明钙钛矿太阳能电池使用BaTiO3薄膜作为电子传输层与钙钛矿活性层的界面修饰层，应用于钙钛矿太阳电池，减少了界面光生电子和空穴的复合，提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备 方法
技术领域
本发明属于电池制备技术领域，具体涉及一种基于钛酸钡（BaTiO3）界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池由于具有吸收系数大、吸收范围宽，转换效率高等优点在太阳能电池领域广泛受到人们关注。目前，钙钛矿太阳能电池的最高效率已经达到22.1%（Science, 2017, 356:1376-1379）。研究表明，电子传输层与钙钛矿活性层的界面性质是阻碍钙钛矿太阳能电池效率提高的一个重要因素，因为界面的缺陷态会增加光生电子和空穴的复合。为了减小界面处光生电荷的复合，一种有效的方法就是采用一些材料对电子传输层进行修饰，减少界面处的缺陷态，从而减少光生电荷的复合，进一步提高电池的转换效率（Adv. Mater., 2016, 28:3966; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138:14998; J. Mater.Chem. A, 2015, 3:9160）。因此，为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的转换效率，当务之急是寻找一种优良的电子传输层修饰材料，并应用于钙钛矿太阳电池。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，其使用BaTiO3薄膜作为电子传输层与钙钛矿活性层的界面修饰层，应用于钙钛矿太阳电池，减少了界面光生电子和空穴的复合，提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
本发明还提供了上述基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次设置的FTO导电玻璃、致密层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿活性层和空穴传输层。
具体的，所述界面修饰层经下述处理获得：将界面修饰层前驱体溶液旋涂在电子传输层上，于450~550℃条件下退火40~70 min即可；所述界面修饰层前驱体溶液为质量浓度0.3~2.4%的Ba(NO3)2水溶液。
一种上述基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：
1）将致密层前驱体溶液旋涂在洁净、干燥的FTO导电玻璃上，于450~500℃条件下退火30~50min，获得致密层；
2）将电子传输层浆料旋涂在致密层上，于450~500℃条件下退火30~50min，获得电子传输层；
3）将界面修饰层前驱体溶液旋涂在电子传输层上，于450~550℃条件下退火40~70min，获得界面修饰层；
4）将钙钛矿活性层前驱体溶液旋涂在界面修饰层上，并在旋转结束前滴加氯苯，然后将样品于100±10℃加热60±10 min，获得钙钛矿活性层；
5）将空穴传输层前驱体溶液旋涂在钙钛矿活性层上，然后采用热蒸法镀膜沉积一层金电极即得。
具体的，步骤1）中，所述致密层前驱体溶液由0.25 mL钛酸四丁酯、5 mL无水乙醇、1 mL浓硝酸和0.5 mL水混合搅拌获得。
进一步的，步骤2）中，所述电子传输层浆料为商用TiO2浆料用无水乙醇按质量比1:6稀释后所得的稀释液。
优选的，步骤3）中，界面修饰层前驱体溶液以3000~5000转/分钟的转速旋涂在电子传输层上，旋涂30~60s。
优选的，步骤4）中，所述钙钛矿前驱体溶液是由碘甲脒（FAI）、碘化铅（PbI2）、溴甲胺（MABr）和溴化铅（PbBr2）加入到二甲基甲酰胺（DMF）与二甲基亚砜（DMSO）的混合溶液中混匀而得（DMF:DMSO=4:1，体积比），其中，碘甲脒、碘化铅、溴甲胺和溴化铅的摩尔浓度分别是1 M、1.1 M、0.2 M和0.22M。
优选的，步骤5）中，所述空穴传输层前驱体溶液由72.3 mg Spiro-OMeTAD、28.8 µl 4-叔丁基吡啶和17.5 µl 浓度为520 mg/ml的双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂的乙腈溶液溶解到1ml氯苯中获得。
本发明还提供了采用上述方法制备得到的基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
本发明通过在电子传输层和钙钛矿活性层之间加入一层BaTiO3薄膜作为界面修饰层，来减小光生电荷的复合，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，解决了现有传统钙钛矿太阳能电池电子传输层与钙钛矿活性层界面处光生电荷易复合的难题。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）本发明采用将前驱体Ba(NO3)2水溶液旋涂在电子传输层上制备BaTiO3界面修饰层。这种方法的优点：一是可以通过调节前驱体溶液的浓度精确控制界面修饰层的形貌、厚度等参数，优化太阳电池光电转换效率，获得最高转换效率对应的最佳前驱体溶液浓度；二是该制备方法操作简单，易于掌握，适合应用于大面积太阳能电池的制备；
2）本发明制备的基于BaTiO3界面修饰层能有效减小电子传输层与钙钛矿活性层界面处的光生电子和空穴的复合，提高太阳电池的短路电流、开路电压及填充因子。本发明制备的基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳电池与无界面修饰层的钙钛矿太阳电池相比，电池转换效率得到有效提高，最高效率达到17.9%。
附图说明
图1是无界面修饰层的TiO2和有界面修饰层的TiO2/BaTiO3的X射线衍射图（XRD）。图中标记的位于31.5°衍射峰归属于立方结构的BaTiO3；
图2是无界面修饰层TiO2和有界面修饰层TiO2/BaTiO3的紫外-可见吸收光谱图；与无界面修饰层TiO2相比，有界面修饰层TiO2/BaTiO3的吸收带边稍微红移，说明其带隙减小；
图3中（a）和（b）分别是无界面修饰层TiO2和有界面修饰层TiO2/BaTiO3的扫描电镜图（SEM）；修饰前后薄膜的颗粒大小、形貌没有明显变化，说明BaTiO3修饰层薄膜很薄，没有影响TiO2的形貌；
图4是基于无界面修饰层TiO2和有界面修饰层TiO2/BaTiO3（0.9 wt%）的太阳能电池的电流-电压（I-V）曲线图。与基于无界面修饰层TiO2的电池相比，基于有界面修饰层TiO2/BaTiO3的太阳能电池光电性能得到有效提高。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次设置的FTO导电玻璃、致密层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿活性层和空穴传输层。
上述基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其具体包括如下步骤：
1）致密层的制备：将刻蚀的FTO导电玻璃依次放入丙酮、异丙醇和乙醇中，各超声清洗20分钟，最后用UV照射20分钟。将致密层前驱体溶液以3500转/分钟的转速旋涂在洁净、干燥的FTO导电玻璃上，于500℃条件下退火40 min，获得致密层；所述致密层前驱体溶液由0.25 mL钛酸四丁酯、5 mL无水乙醇、1 mL浓硝酸和0.5 mL水混合搅拌获得；
2）电子传输层的制备：将电子传输层浆料以4000转/分钟的转速旋涂在致密层上，于450℃条件下退火40 min，获得电子传输层；所述电子传输层浆料为商用TiO2浆料（Dyesol，30NR-D）用无水乙醇按质量比1:6稀释后所得的稀释液；
3）界面修饰层的制备：将界面修饰层前驱体溶液以5000转/分钟的转速旋涂在电子传输层上（旋涂30s），于500℃条件下退火60min，获得界面修饰层；所述界面修饰层前驱体溶液为质量浓度0.3%的Ba(NO3)2水溶液；
4）钙钛矿活性层的制备：将钙钛矿活性层前驱体溶液在1000 rpm 10s和6000 rpm20s的条件下旋涂在界面修饰层上，并在旋转结束前10s滴加100µl氯苯，然后将样品于100℃加热盘上加热60 min，获得钙钛矿活性层；所述钙钛矿前驱体溶液是由碘甲脒（FAI）、碘化铅（PbI2）、溴甲胺（MABr）和溴化铅（PbBr2）加入到二甲基甲酰胺（DMF）与二甲基亚砜（DMSO）的混合溶液中混匀而得（DMF:DMSO=4:1，体积比），其中，碘甲脒、碘化铅、溴甲胺和溴化铅的摩尔浓度分别是1 M、1.1 M、0.2 M和0.22M；
5）空穴传输层的制备：将空穴传输层前驱体溶液以4000转/分钟的速度旋涂在钙钛矿活性层上，然后在空穴传输层上采用热蒸法镀膜沉积一层厚度约为80nm的金电极即得。所述空穴传输层前驱体溶液由72.3 mg Spiro-OMeTAD、28.8 µl 4-叔丁基吡啶和17.5µl 浓度为520 mg/ml的双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂的乙腈溶液溶解到1ml氯苯中获得。
实施例2至5
一种基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次设置的FTO导电玻璃、致密层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿活性层和空穴传输层。
上述基于BaTiO3界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法参照实施例1，其中，不同之处在于，步骤3）中制备界面修饰层时，所述界面修饰层前驱体溶液分别为质量浓度0.6%、0.9%、1.2%、2.4%的Ba(NO3)2水溶液。
对照例
钙钛矿太阳能电池与实施例1的不同之处在于：不含界面修饰层。
采用本领域常规的太阳能电池测试***测试上述实施例制备所得电池的光电性能，测试结果见表1。
表1不同浓度前驱体溶液制备BaTiO3界面修饰层所得的太阳能电池的光伏性能参数
表1是基于无界面修饰层和有界面修饰层（由不同浓度的前驱体溶液制备的BaTiO3界面修饰层）的钙钛矿太阳能电池的光伏性能参数。由表1可以看出：与无界面修饰层的太阳能电池相比，基于BaTiO3界面修饰层太阳能电池的光伏性能参数都得到了提高。当界面修饰层前驱体溶液浓度为0.9 wt%时，电池光伏性能提高最多，光电转换效率（PCE）由无界面修饰层的16.1%提高到17.9%，短路电流（Isc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）分别由无界面修饰层的21.9 mA/cm2、1.06 V和69.3%提高到22.5 mA/cm2、1.10 V和71.7%。实验结果表明，BaTiO3界面修饰层的引入有效地提高了钙钛矿太阳电池的转换效率。

Claims (6)

1.一种基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次设置的FTO导电玻璃、致密层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿活性层和空穴传输层；
所述界面修饰层经下述处理获得：将界面修饰层前驱体溶液旋涂在电子传输层上，在450~550℃条件下退火40~70 min即可；所述界面修饰层前驱体溶液为质量浓度0.3~2.4%的Ba(NO3)2水溶液；
将电子传输层浆料旋涂在致密层上，于450~500℃条件下退火30~50min，获得电子传输层；所述电子传输层浆料为商用TiO2浆料用无水乙醇按质量比1:6稀释后所得的稀释液。
2.权利要求1所述基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将致密层前驱体溶液旋涂在洁净、干燥的FTO导电玻璃上，在450~500℃条件下退火30―50min，获得致密层；
2）将电子传输层浆料旋涂在致密层上，于450~500℃条件下退火30~50min，获得电子传输层；
3）将界面修饰层前驱体溶液旋涂在电子传输层上，于450~550℃条件下退火40~70min，获得界面修饰层；
4）将钙钛矿活性层前驱体溶液旋涂在界面修饰层上，并在旋转结束前滴加氯苯，然后将样品于100±10℃加热60±10 min，获得钙钛矿活性层；
5）将空穴传输层溶液旋涂在钙钛矿活性层上，然后采用热蒸法镀膜沉积一层金电极即得；
步骤1）中，所述致密层前驱体溶液由0.25 mL钛酸四丁酯、5 mL无水乙醇、1 mL浓硝酸和0.5 mL 水混合搅拌获得；
步骤4）中，所述钙钛矿前驱体溶液是由碘甲脒、碘化铅、溴甲胺和溴化铅加入到二甲基甲酰胺与二甲基亚砜的混合溶液中混匀而得，其中，碘甲脒、碘化铅、溴甲胺和溴化铅的摩尔浓度分别是1 M、1.1 M、0.2 M和0.22M。
3.如权利要求2所述基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述电子传输层浆料为商用TiO2浆料用无水乙醇按质量比1:6稀释后所得的稀释液。
4.如权利要求2所述基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤3）中，界面修饰层前驱体溶液以3000~5000转/分钟的转速旋涂在电子传输层上，旋涂30~60s。
5.如权利要求2所述基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤5）中，所述空穴传输层前驱体溶液由72.3 mg Spiro-OMeTAD、28.8 µl 4-叔丁基吡啶和17.5 µl 浓度为520 mg/ml的双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂的乙腈溶液溶解到1ml氯苯中获得。
6.采用权利要求2至5任一所述方法制备得到的基于钛酸钡界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
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