一种钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿光吸收层、制备方法和应用

1.本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿光吸收层、制备方法和应用。


背景技术：

2.当前，全球能源危机和环境污染的问题愈加严峻，新型清洁可再生能源渐渐吸引了大批的研究人员的兴趣。其中，钙钛矿材料ch3nh3pbx3(x=cl, i, br)具有较大的吸光系数、和较高的换效率等优点被认为是未来最具潜力的光伏器件之一，经过十余年发展，其最新的认证效率已达到23.7%，几乎可以媲美商用硅太阳能电池。
3.钙钛矿太阳能电池一般由负极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、正极组成。其中钙钛矿因易被空气中的水分、氧气等影响而分解，不利于器件的稳定性，限制了其进一步商业化推广。为获得更加高效且稳定的钙钛矿太阳能电池器件，优化钙钛矿薄膜的质量是解决器件稳定性的核心技术。
4.碳材料本身具有稳定的化学性质，并且由于其较高的导电性，疏水性等优点，在钙钛矿太阳能电池的各个组成部分都有所应用。如零维的碳量子点，石墨烯主要被应用在钙钛矿电池的电子传输和钙钛矿层；一维的碳纳米管常被用在空穴传输层和对电极，二维石墨及其衍生物也常应用在电子传输层和空穴传输层，此外，也可将石墨和炭黑混合物制成碳背电极等。但目前鲜有研究探究炭黑对钙钛矿薄膜结晶性能的影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上不足及技术改进需求，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿光吸收层、制备方法和应用，其目的在于开发具有较高载流子传输性能及高稳定性的钙钛矿光吸收层，解决当前制约钙钛矿太阳能电池稳定性的核心问题。
6.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种钙钛矿光吸收层，其制备原料包括炭黑、碘化铅和甲基碘化胺，其通过将炭黑、碘化铅和甲基碘化胺，分散于溶剂中得到均匀的前驱体分散液后旋涂法制备得到；其中炭黑占炭黑、碘化铅和甲基碘化胺总质量的0.1%-1%。
7.优选的，上述钙钛矿光吸收层的厚度为80nm到300nm之间。
8.优选的，上述炭黑材料为具有良好化学稳定性、导电性及疏水性的零维材料，直径在20nm到50nm之间。
9.优选的，碘化铅和甲基碘化胺的摩尔比为1:1~1:1.05。
10.优选的，溶剂为由n,n-二甲基甲酰胺及二甲基亚砜组成的混合溶剂；进一步优选的，n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的质量比在1：7到1：8之间。
11.进一步优选的，上述碳掺杂的钙钛矿薄膜直接应用于钙钛矿太阳能电池中的吸光层。
12.第二方面，本发明提供了上述钙钛矿光吸收层的制备方法，包括以下步骤：s1:将不同质量比的炭黑、碘化铅和甲基碘化胺，分散在溶剂中得到均匀的前驱体分散液；s2:将所述前驱体分散液经旋涂沉积于二氧化钛电子传输层上，经反溶剂处理后，置于加热板得到光吸收层。
13.优选的，步骤s1中，溶剂是由n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜组成的混合溶剂；碘化铅和甲基碘化胺的摩尔比为1:1~1:1.05，炭黑占炭黑、碘化铅和甲基碘化胺总质量的0.1%-1%。
14.第三方面，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，其构型依次包括fto导电玻璃负极、二氧化钛电子传输层、本发明第一方面所述的钙钛矿层、ometad空穴传输层、ag正极。
15.进一步优选地，上述二氧化钛电子传输层由二氧化钛致密层和介孔层组成；钙钛矿吸收层直接用于钙钛矿太阳能电池的吸收材料，其中炭黑用于提升吸收层的稳定性及疏水性能，抑制光吸收层中的暗电流。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、本发明提供了一种钙钛矿吸收层，其制备材料包括零维炭黑材料、碘化铅、甲基碘化胺，其中炭黑所占质量比为0.1%-1%。应用于钙钛矿太阳能电池的吸光层时，所述炭黑掺杂的钙钛矿层承担了光捕获的核心作用。其中炭黑良好的导电性能有利于增大钙钛矿层的载流子输运效率，从而有效降低光吸收层中的暗电流；同时炭黑具有的优良稳定性、疏水性能，将其引入有助于钙钛矿的晶粒生长，从而得到大晶粒钙钛矿层，有效提升了钙钛矿层的稳定性和疏水性能。
17.2、本发明提供了一种钙钛矿层的制备方法，原料价格低廉易得，可以以较低的成本解决当前钙钛矿吸收层对器件性能的制约问题。
18.3、本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，上述钙钛矿层作为光吸收层可有效优化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、提升其稳定性。同时，在器件制备过程中未引入额外制备流程，制备工艺简单。
附图说明
19.图1为本发明所提供的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
20.图2为本发明的对比样品钙钛矿层薄膜sem图像。
21.图3为本发明实施例1的钙钛矿层薄膜sem图像。
22.图4为本发明实施例2的钙钛矿层薄膜sem图像。
23.图5为本发明实施例3的钙钛矿层薄膜sem图像。
24.图6为本发明对比样品（左）及实施例1（右）的钙钛矿层与水接触角。
25.图7为本发明实施例1的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度特性曲线。
26.图8为本发明实施例2的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度特性曲线。
27.图9为本发明实施例3的钙钛矿太阳能电池的电压-电流密度特性曲线。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种钙钛矿层，其制备原料包括零维炭黑材料、碘化铅和甲基碘化胺，其中零维炭黑材料所占质量比为0.1%-1%。具体的，上述碳材料为炭黑等具有良好的导电性、化学稳定性及疏水性的纳米碳颗粒。分散溶剂为n,n-二甲基甲酰胺及二甲基亚砜的混合溶液，且质量比在1：7到1：8之间。优选地，上述钙钛矿层的厚度为80nm到300nm之间。
30.第二方面，本发明提供了上述钙钛矿层的制备方法，包括以下步骤：s1:将不同质量比的炭黑、碘化铅、甲基碘化胺，分散于n,n-二甲基甲酰胺及二甲基亚砜的混合溶剂中得到均匀的前驱体分散液；s2:将所述前驱体分散液经旋涂沉积于二氧化钛电子传输层上，经反溶剂处理后，置于加热板得到光吸收层。
31.第三方面，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图所示，其构型依次包括fto导电玻璃负极1、二氧化钛电子传输层2、本发明第一方面所述的钙钛矿层3、ometad空穴传输层4及ag正极5。具体的，上述二氧化钛电子传输层由二氧化钛致密层和介孔层组成；在上述钙钛矿吸收层中，炭黑用于提升吸收层的稳定性及疏水性能，抑制光吸收层中的暗电流。
32.为了进一步说明本发明所提供的钙钛矿太阳能电池及其钙钛矿层，下面结合实施例进行详述：实施例1本实施例中，炭黑其占据钙钛矿薄膜的质量百分比为0.16%，可以通过以下过程制备钙钛矿太阳能电池：将461mg碘化铅、159mg甲基碘化胺、78mg二甲基亚砜溶解在600mg的n,n-二甲基甲酰胺溶液中，50℃加热使之溶解。在上述溶液中加入1mg炭黑，并充分分散。
33.取fto透明导电玻璃基底充分洗涤后，依次热喷涂二氧化钛致密层，旋涂二氧化钛介孔层，并经500℃热退火、并经四氯化钛溶液处理后用作电子传输层；在电子传输层上在手套箱中旋涂上述钙钛矿前驱体分散液，并在旋涂速度达到5000rpm并保持5s后将800μl乙酸乙酯溶液平稳匀速挤下。旋涂结束后将每片玻璃移至95℃加热台加热10min制备钙钛矿层。在钙钛矿层上方旋涂含litfsi的spiro-ometad溶液，并加热处理后制备空穴传输层。在空穴传输层上方蒸镀80nm的银电极，用作正极。从而得到以碳掺杂的钙钛矿为吸收层的钙钛矿太阳能电池，并测试其性能。与此同时，制备不含炭黑的钙钛矿太阳能电池作为对比器件。分别测试钙钛矿膜表面形貌如图2（无炭黑）、图3（含炭黑）所示。可以看出，炭黑的引入后了钙钛矿的尺寸由平均大小为200nm提升为300nm左右，且其与水的接触角由53
°
提升到了55.5
°
，相比无炭黑时增大了2.5
°
。测试其电压-电流密度特性曲线如图7所示。从图中可以看出，无炭黑的对比器件的开路电压为0.75v，短路电流密度为10ma/cm2；有修饰层的测试器件的开路电压为0.79v，短路电流密度为13.2ma/cm2。由此可知，钙钛矿层炭黑的引入显著提升了钙钛矿的疏水性及稳定性，优化了器件的光电转换效率。
34.实施例2本实施例中，炭黑占据钙钛矿薄膜的质量百分比为0.32%，可以通过以下过程制备钙钛矿太阳能电池：将461mg碘化铅、159mg甲基碘化胺、85mg二甲基亚砜溶解在600mg的n,n-二甲基甲酰胺溶液中，50℃加热使之溶解。在上述溶液中加入2mg炭黑，并充分分散。
35.取fto透明导电玻璃基底充分洗涤后，依次热喷涂二氧化钛致密层，旋涂二氧化钛介孔层，并经500℃热退火、并经四氯化钛溶液处理后用作电子传输层；在电子传输层上在手套箱中旋涂上述钙钛矿前驱体分散液，并在旋涂速度达到5000rpm并保持5s后将800μl乙酸乙酯溶液平稳匀速挤下。旋涂结束后将每片玻璃移至95℃加热台加热10min制备钙钛矿层。在钙钛矿层上方旋涂含litfsi的spiro-ometad溶液，并加热处理后制备空穴传输层。在空穴传输层上方蒸镀80nm的银电极，用作正极。从而得到以碳掺杂的钙钛矿为吸收层的钙钛矿太阳能电池，并测试其性能。
36.分别测试钙钛矿膜表面形貌如图4所示。可以看出，炭黑的引入有效提升了将钙钛矿的平均尺寸增大为450nm左右，与对比样品的平均尺寸200nm相比显著增加，且其与水的接触角为60.5
°
，相比无炭黑时增大了7.5
°
。测试其电压-电流密度特性曲线如图8所示。从图中可以看出，无炭黑的对比器件的开路电压为0.75v，短路电流密度为10ma/cm2；有修饰层的测试器件的开路电压为0.81v，短路电流密度为18.8ma/cm2。由此可知，钙钛矿层炭黑的引入能显著提升钙钛矿的疏水性及稳定性，优化器件的光电转换效率。
37.实施例3本实施例中，纳米碳材料中的纳米碳颗粒为炭黑，其占据钙钛矿薄膜的质量百分比为0.64%，可以通过以下过程制备钙钛矿太阳能电池：将461mg碘化铅、159mg甲基碘化胺、96mg二甲基亚砜溶解在600mg的n,n-二甲基甲酰胺溶液中，50℃加热使之溶解。在上述溶液中加入4mg炭黑，并充分分散。
38.取fto透明导电玻璃基底充分洗涤后，依次热喷涂二氧化钛致密层，旋涂二氧化钛介孔层，并经500℃热退火、并经四氯化钛溶液处理后用作电子传输层；在电子传输层上在手套箱中旋涂上述钙钛矿前驱体分散液，并在旋涂速度达到5000rpm并保持5s后将800μl乙酸乙酯溶液平稳匀速挤下。旋涂结束后将每片玻璃移至95℃加热台加热10min制备钙钛矿层。在钙钛矿层上方旋涂含litfsi的spiro-ometad溶液，并加热处理后制备空穴传输层。在空穴传输层上方蒸镀80nm的银电极，用作正极。从而得到以碳掺杂的钙钛矿为吸收层的钙钛矿太阳能电池，并测试其性能。
39.分别测试钙钛矿膜表面形貌如图5所示。测试其电压-电流密度特性曲线如图9所示。从图中可以看出，无炭黑的对比器件的开路电压为0.75v，短路电流密度为10ma/cm2；有修饰层的测试器件的开路电压为0.82v，短路电流密度为16.1ma/cm2。实验表明，钙钛矿层炭黑的提升了钙钛矿的疏水性及稳定性，优化了器件的光电转换效率。
40.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。