CN109802045A - NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法 - Google Patents
NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：（1）制备FTO透明导电玻璃基片；（2）在基片上旋涂电子传输层NaTaO3；（3）将富勒烯衍生物PCBM溶于氯苯中，旋涂于步骤（2）制得的NaTaO3薄膜上；（4）在步骤（3）制得的PCBM薄膜上旋涂钙钛矿薄膜层；（5）在步骤（4）制得的钙钛矿薄膜层上旋涂空穴传输层；（6）制备MoO3和Ag电极。使用NaTaO3和PCBM作为双电子传输层，提高了太阳能电池的光电转换效率，其PCE达到20.02％；薄膜表面更加光滑，使钙钛矿薄膜结晶更加均匀致密；减缓钙钛矿层的降解过程，提高器件的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光伏器件领域，具体涉及一种NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法。
背景技术
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其独特的光学特性以及简单的制备工艺被认为是可以与无机硅太阳能电池相媲美的一种能源形式。经过几年的发展，尽管其光电转换效率已超过22%，但是制造高效率和长期稳定的钙钛矿太阳能电池是实现其商业化的必要条件。钙钛矿太阳能电池有平面型和多孔型两种器件结构，平面型钙钛矿太阳能电池以其简单的制备工艺以及低温薄膜处理技术得到广泛关注。在平面结构中，除了钙钛矿层本身外，相邻界面层的结构也强烈地影响器件的稳定性。理想的界面材料应具有理想的物理、化学和电子性能，包括适当的能级、高导电性、高耐溶剂性、低光吸收。此外，界面膜需要具有良好的润湿性，作为钙钛矿薄膜沉积和生长的底层。近来，各种界面材料已被用于平面结构PSC中，以防止水分、氧气和紫外光进入钙钛矿层，目的在于提高电池的稳定性。目前报道的最先进的钙钛矿太阳能电池采用二氧化钛（TiO2）作为电子传输层（ETL）的结构。虽然二氧化钛具有良好的电子选择性，但对氧气和紫外线的表面吸附可能限制钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的进一步提高。人们从材料，薄膜制备技术，器件结构以及物理机制进行了一系列的深入研究。其中通过寻找新的电子传输层以及调整电子传输层和钙钛矿层之间的界面性质是进一步提高钙钛矿的效率和稳定性的有效策略。
发明内容
为了解决以上现有技术存在的问题，本发明采用NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池，以提高钙钛矿太阳能电池的高效性和稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
（1）FTO透明导电玻璃基片制备：将FTO透明导电玻璃基片清洗、烘干后，用紫外灯和臭氧进行处理；
（2）NaTaO3薄膜制备：在步骤（1）处理后的FTO透明导电玻璃基片上旋涂电子传输层NaTaO3，然后放到加热台上加热处理；
（3）PCBM薄膜制备：将富勒烯衍生物PCBM溶于氯苯中，旋涂于步骤（2）制得的NaTaO3薄膜上；
（4）钙钛矿薄膜的制备：将碘化甲铵和碘化铅溶于由二甲基亚砜和γ-丁内酯组成的混合溶液中，搅拌混合均匀后制得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（3）制得的PCBM薄膜上制得钙钛矿薄膜层；
（5）Spiro-OMeTAD薄膜制备：将2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴Spiro-OMeTAD溶于氯苯中，搅拌混合得到Spiro-OMeTAD溶液，将其旋涂于步骤（4）制得的钙钛矿薄膜层上，即得均匀的空穴传输层；
（6）MoO3和Ag电极制备：采用蒸镀法在空穴传输层上蒸镀MoO3和Ag电极。
优选的，所述步骤（2）中NaTaO3电子传输层的热处理温度为100℃，加热时间为30min。
优选的，所述步骤（3）中PCBM的旋涂速度为4000r/min，时间40s。
优选的，所述步骤（4）中碘化甲铵和碘化铅的摩尔比为1:1.2，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7。
优选的，所述步骤（4）中的旋涂操作采用低速和高速的方式，速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000 r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min。
优选的，所述步骤（5）中的旋涂速度为4000 r/min，旋涂时间为40s。
优选的，所述步骤（6）中MoO3的厚度为10nm，Ag电极的厚度为100nm。
以上所述的制备方法制得的钙钛矿太阳能电池。
以上制备方法制得的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：NaTaO3/ PCBM/钙钛矿薄膜/Spiro-OMeTAD/MoO3/Ag。
有益效果：本发明提供了一种NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，具有以下优势：（1）使用NaTaO3和PCBM作为双电子传输层，提高了太阳能电池的光电转换效率，其PCE达到20.02％；（2）使用NaTaO3和PCBM作为双电子传输层，薄膜表面更加光滑，可作为后续钙钛矿层沉积和生长的良好衬底，使钙钛矿薄膜结晶更加均匀致密；（3）使用NaTaO3和PCBM作为双电子传输层，可以减缓钙钛矿层的降解过程，提高器件的稳定性。本发明所述的制备方法简单便捷，制备难度低，器件性能稳定。因此，NaTaO3和PCBM的组合是一种良好的电子传输层材料。
附图说明
图1为本发明制得的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2为在相同的储存条件下，没有封装的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层和TiO2参考器件的钙钛矿太阳能电池中，标准化功率转换效率作为时间的函数图。
图3为NaTaO3和PCBM作为双电子传输层的钙钛矿太阳能电池器件的光电特性曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
（1）FTO透明导电玻璃基片清洗：将FTO透明导电玻璃基片用去离子水、丙酮、乙醇反复超声清洗3次，然后在100℃下干燥至完全去除溶剂和水分；
（2）NaTaO3薄膜制备：首先将10mg的NaTaO3溶于1mL去离子水里备用，将处理后的FTO透明导电玻璃基片用紫外灯和臭氧处理25min，再把处理后的FTO透明导电玻璃基片旋涂上电子传输层NaTaO3，其中NaTaO3分散液是2NaTaO3放到加热台上100℃加热30min，厚度70 nm。
（3）PCBM薄膜制备：2mg的（ [6,6]－苯基－C61－丁酸异甲酯）PCBM溶于1mL氯苯中，旋涂于步骤（2）制得的NaTaO3薄膜上，旋涂速度为4000r/min，时间40s，厚度20 nm。
（4）钙钛矿薄膜的制备：将180mg碘化甲铵、553mg碘化铅溶于1mL 二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶液中，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7，搅拌5h，得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（3）中PCBM薄膜上，旋涂速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000 r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min，厚度300 nm。
（5）Spiro-OMeTAD薄膜制备：将90mgSpiro-OMeTAD溶于1mL氯苯中，搅拌3h得Spiro-OMeTAD溶液，旋涂于步骤（4）中钙钛矿薄膜上，旋涂速度为4000 r/min，旋涂时间为40s，即得均匀的空穴传输层,厚度170 nm。
（6）MoO3和Ag电极制备：采用蒸镀法在Spiro-OMeTAD薄膜上蒸镀MoO3和Ag电极，所述MoO3的厚度为10nm，Ag电极的厚度为100nm。
该制备方法制得的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：NaTaO3/PCBM/钙钛矿薄膜/Spiro-OMeTAD/MoO3/Ag，如图1所示。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，将电子传输层的旋涂原料由NaTaO3和PCBM替换为TiO2，其他步骤相同。
所制得的钙钛矿太阳能电池的器件结构为：FTO/TiO2/钙钛矿薄膜/Spiro-OMeTAD/MoO3/Ag。
结果分析：
标准化功率转换效率分析：在相同的储存条件下，将没有封装的分别以NaTaO3和PCBM、TiO2作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池进行标准化功率转换效率分析，得到的标准化功率转换效率对应于时间的函数图如图2所示，从图中可以看到，采用NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备的太阳能电池稳定性明显高于传统的TiO2作为电子传输层的太阳能电池，在空气中存放近1000小时后，效率还保持初始效率的64%。
光电特性分析：将实施例1制得的钙钛矿太阳能电池器件进行光电特性分析，得到的光电特性曲线如图3所示，从图中可以看到，其PCE为20.02%，电压1.08 V，电流达到24.17mA/cm2，填充因子达到76%。
Claims (9)
1. NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）FTO透明导电玻璃基片制备：将FTO透明导电玻璃基片清洗、烘干后，用紫外灯和臭氧进行处理；
（2）NaTaO3薄膜制备：在步骤（1）处理后的FTO透明导电玻璃基片上旋涂电子传输层NaTaO3，然后放到加热台上加热处理；
（3）PCBM薄膜制备：将富勒烯衍生物PCBM溶于氯苯中，旋涂于步骤（2）制得的NaTaO3薄膜上；
（4）钙钛矿薄膜的制备：将碘化甲铵和碘化铅溶于由二甲基亚砜和γ-丁内酯组成的混合溶液中，搅拌混合均匀后制得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（3）制得的PCBM薄膜上制得钙钛矿薄膜层；
（5）Spiro-OMeTAD薄膜制备：将2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴Spiro-OMeTAD溶于氯苯中，搅拌混合得到Spiro-OMeTAD溶液，将其旋涂于步骤（4）制得的钙钛矿薄膜层上，即得均匀的空穴传输层；
（6）MoO3和Ag电极制备：采用蒸镀法在空穴传输层上蒸镀MoO3和Ag电极。
2.根据权利要求1所述的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤（2）中NaTaO3电子传输层的热处理温度为100-150℃，加热时间为30-60min。
3.根据权利要求1所述的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤（3）中PCBM的旋涂速度为4000-5000r/min，时间40-50s。
4.根据权利要求1所述的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤（4）中碘化甲铵和碘化铅的摩尔比为1:1.2，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7。
5. 根据权利要求1所述的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤（4）中的旋涂操作采用低速和高速的方式，速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000 r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min。
6. 根据权利要求1所述的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，所述步骤（5）中的旋涂速度为4000 r/min，旋涂时间为40s。
7.根据权利要求1所述的NaTaO3和PCBM作为双电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述步骤（6）中MoO3的厚度为10nm，Ag电极的厚度为100nm。
8.权利要求1-7任意一项所述的制备方法制得的钙钛矿太阳能电池。
9. 根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，器件结构为：NaTaO3/ PCBM/钙钛矿薄膜/Spiro-OMeTAD/MoO3/Ag。
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2019
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