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一种提高二维钙 钛矿 太阳能 电池光电转换率的方法

阅读：815发布：2023-12-27

专利汇可以提供一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于光伏材料技术领域，具体涉及一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，所述太阳能电池由下到上依次为：FTO导电玻璃层、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层；其特征在于，其中钙钛矿层为钙钛矿薄膜，厚度为220-320nm；其制备方法包括混合溶液配制、钙钛矿前驱体溶液配制、钙钛矿薄膜的制备及处理。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中制备的钙钛矿薄膜稳定性好，用于制备钙钛矿太阳能电池能提高其光电转换率，电池性能好，使用寿命长，适用范围广。，下面是一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1. 一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，所述太阳能电池由下到上依次为：FTO 导电玻璃层、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层；其特征在于，其中钙钛矿层为钙钛矿薄膜，厚度为220-320nm；其制备方法包括以下步骤：
（1）混合溶剂配制，将二甲基亚砜、γ-丁内酯、乙二胺、四丙基溴化铵以体积比16-20:
6-8:6-8:1混合后搅拌10-15分钟得到混合溶剂；
（2）钙钛矿前驱体溶液配制，按重量份计，将碘化亚锡0.6-0.8份、羰基钴1.4-1.6份、甲基溴化胺3.5-4.5份、二氟化钒0.2-0.3份与混合溶剂30-40份混合，在温度为105-115℃的条件下搅拌3.5-4.5小时混合均匀，得到钙钛矿前驱溶液；
（3）制备钙钛矿薄膜，将钙钛矿前驱溶液加热到100℃，在TiO2介孔层上旋涂制备得到薄膜，完成后静置20分钟，然后在120℃处理5分钟后，调节温度至105℃继续处理15分钟，完成后自然冷却至室温；
（4）钙钛矿薄膜处理，按重量份计，取1,8-二碘辛烷2-3份、阳离子表面活性剂0.6-1.2份、异丙醇100份混合均匀，得到复合处理液，然后将钙钛矿薄膜浸入复合处理液中处理20-
30分钟，完成后用异丙醇冲洗，然后在100℃的氮气氛围中干燥20分钟，即得。
2.如权利要求1所述一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，其特征在于，所述致密层厚度为30-50nm，TiO2介孔层厚度为300-500nm，空穴传输层厚度为60-180nm，电极层厚度为60-180nm。
3. 如权利要求1所述一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，其特征在于，所述FTO 导电玻璃方块电阻为14Ω/cm²，透过率大于80%。
4.如权利要求1所述一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，其特征在于，所述步骤（3）旋涂过程在惰性气体保护气箱中进行。
5.如权利要求1所述一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，其特征在于，所述步骤（3）中旋涂条件为2000转/min，旋涂30s。
6. 如权利要求1所述一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，其特征在于，所述空穴传输层所用溶液按重量份计包括：Spiro-OMeTAD 3-5份、六氟磷酸锂0.2-0.4份、丙酮20-25份、氯苯50-60份。
7.如权利要求1所述一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，其特征在于，所述电极层为在空穴传输层表面刮涂碳浆料，静置处理30分钟后，在温度为110℃的真空条件下干燥得到。

说明书全文

一种提高二维钙 钛矿 太阳能 电池光电转换率的方法

技术领域

[0001] 本发明属于光伏材料技术领域，具体涉及一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法。

背景技术

[0002] 钙钛矿结构的材料是指的任何与钛酸钙CaTiO3具有相同晶体结构的材料，实验发现，当金属卤化物材料形成钙钛矿结构后，在光伏太阳能电池中作为采集层是非常有效的，能够成功地将太阳能转化为电能，基于该发现，2009年，钙钛矿结构的材料正式应用于薄膜太阳能电池中，在接下来的几年中，钙钛矿结构的材料在光伏领域有了极大的发展，光电转换率不断提升，特别是金属卤化物类钙钛矿材料，其原料一般为廉价的铅、卤素、及胺盐，来源广泛，制造成本较以往的硅基材料更低，在光电转化率方面，其从最初的3.8％发展到15.9％仅用了不到5年的时间，已经逐步接近硅基光伏材料的效率，目前，钙钛矿太阳能电池已经认证的效率达到了23.7%，因此使用钙钛矿结构的光伏材料的太阳能电池将能够完全取代传统的使用硅类光伏材料的太阳能电池；但钙钛矿太阳能电池重复性低、稳定性差等问题仍是其商业化应用进程的最大阻碍，由于钙钛矿吸湿会引起钙钛矿室温条件下不稳定，在氧气环境中会发生化学反应进而破坏晶体结构，使用一段时间后会出现较明显的效率衰减，目前发现二维钙钛矿材料相比三维钙钛矿电池具有较好的稳定性，但其光电转换效率相对较低，现有文件利用特殊的混合溶液加热旋涂制备得到低维锡基钙钛矿薄膜，所得到的太阳能电池光电转化效率有了一定提高，但仍无法满足实际使用需求。

发明内容

[0003] 本发明的目的是针对现有二维钙钛矿材料相比三维钙钛矿电池具有较好的稳定性，但性能低于三维钙钛矿的问题，提供了一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，所述太阳能电池由下到上依次为：FTO 导电玻璃层、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层；其中钙钛矿层为钙钛矿薄膜，厚度为220-320nm；其制备方法包括以下步骤：（1）混合溶剂配制，将二甲基亚砜、γ-丁内酯、乙二胺、四丙基溴化铵以体积比16-20:
6-8:6-8:1混合后搅拌10-15分钟得到混合溶剂；
（2）钙钛矿前驱体溶液配制，按重量份计，将碘化亚锡0.6-0.8份、羰基钴1.4-1.6份、甲基溴化胺3.5-4.5份、二氟化钒0.2-0.3份与混合溶剂30-40份混合，在温度为105-115℃的条件下搅拌3.5-4.5小时混合均匀，得到钙钛矿前驱溶液；
（3）制备钙钛矿薄膜，将钙钛矿前驱溶液加热到100℃，在TiO2介孔层上旋涂制备得到薄膜，完成后静置20分钟，然后在120℃处理5分钟后，调节温度至105℃继续处理15分钟，完成后自然冷却至室温；
（4）钙钛矿薄膜处理，按重量份计，取1,8-二碘辛烷2-3份、阳离子表面活性剂0.6-1.2份、异丙醇100份混合均匀，得到复合处理液，然后将钙钛矿薄膜浸入复合处理液中处理20-
30分钟，完成后用异丙醇冲洗，然后在100℃的氮气氛围中干燥20分钟，即得。

[0005] 其中，所述致密层厚度为30-50nm，TiO2介孔层厚度为300-500nm，空穴传输层厚度为60-180nm，电极层厚度为60-180nm。

[0006] 其中，所述FTO 导电玻璃方块电阻为14Ω/cm²，透过率大于80%。

[0007] 其中，所述步骤（3）旋涂过程在惰性气体保护气箱中进行；旋涂条件为2000转/min，旋涂30s。

[0008] 其中，所述空穴传输层所用溶液按重量份计包括：Spiro-OMeTAD 3-5份、六氟磷酸锂0.2-0.4份、丙酮20-25份、氯苯50-60份；其中，所述电极层为在空穴传输层表面刮涂碳浆料，静置处理30分钟后，在温度为110℃的真空条件下干燥得到。

[0009] 钙钛矿晶体结构中包括有机阳离子、金属阳离子和卤素阴离子，由于制备原料及条件的改变，会影响钙钛矿晶体存在不同的缺陷，在晶体内部形成满足电中性条件的阴阳离子空位，此处的阴阳离子空位与填隙离子成对产生，填隙离子为在钙钛矿薄膜中除了材料内部的卤素阴离子、有机阳离子外可迁移的离子，提高离子的迁移率，增加太阳能电池性能。

[0010] 本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中通过增加钙钛矿前驱体溶液中的小分子原料以及有机添加剂，并控制制备条件，使钙钛矿快速结晶成膜，通过晶粒尺寸的增加减少晶界面积，减少钙钛矿晶体内部缺陷，得到二维钙钛矿结构，然后利用复合处理液处理，再次引入有机小分子，在晶界处发生实现原位交联形成稳定的交联的聚合物网络，钙钛矿薄膜表面的钝化，能够有效抑制离子向空穴吸收层迁移，提高薄膜稳定性，延长其使用寿命。

[0011] 说明书附图图1为实施例1与对照组的J-V曲线图，其纵坐标为电流密度，横坐标为电压V；
图2为各组钙钛矿太阳能光伏电池效率保持性能检测。

具体实施方式

[0012] 为了有效研究二维钙钛矿太阳能电池光电转换率，各组实验数据利用Keithley 2400测试仪对各组制备的电池进行J-V曲线测试，每组实验数据均为设置3个重复试验后得到的平均值；下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明：
实施例1
一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，所述太阳能电池由下到上依次为：FTO 导电玻璃层、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层；其中，所述致密层厚度为40nm，TiO2介孔层厚度为400nm，空穴传输层厚度为120nm，电极层厚度为
120nm；钙钛矿层为钙钛矿薄膜，厚度为280nm；
其中，所述FTO 导电玻璃方块电阻为14Ω/cm²，透过率大于80%；所述TiO2致密层利用浓度为0.5mol/L的二异丙氧基双乙酰丙酮钛乙醇溶液，浸提3次，浸提速率为0.3mm/s，每次浸提完成后静置10分钟，然后在100℃的条件下干燥20分钟，即得；所述TiO2介孔层为采用二氧化钛浆料旋涂液OPV-18NRT，旋涂完成后在530℃条件下退火40分钟，即得；
所述空穴传输层所用溶液按重量份计包括：Spiro-OMeTAD 4份、六氟磷酸锂0.3份、丙酮22份、氯苯55份；所述电极层为在空穴传输层表面刮涂碳浆料，静置处理30分钟后，在温度为110℃的真空条件下干燥得到；
所述钙钛矿层的制备方法包括以下步骤：
（1）混合溶剂配制，将二甲基亚砜、γ-丁内酯、乙二胺、四丙基溴化铵以体积比18:7:7:
1混合后搅拌12分钟得到混合溶剂；
（2）钙钛矿前驱体溶液配制，按重量份计，将碘化亚锡0.7份、羰基钴1.5份、甲基溴化胺
4份、二氟化钒0.25份与混合溶剂35份混合，在温度为110℃的条件下搅拌4小时混合均匀，得到钙钛矿前驱溶液；
（3）制备钙钛矿薄膜，将钙钛矿前驱溶液加热到100℃，在TiO2介孔层上旋涂制备得到薄膜，旋涂过程在惰性气体保护气箱中进行，旋涂条件为2000转/min，旋涂30s，完成后静置
20分钟，然后在120℃处理5分钟后，调节温度至105℃继续处理15分钟，完成后自然冷却至室温；
（4）钙钛矿薄膜处理，按重量份计，取1,8-二碘辛烷2.5份、阳离子表面活性剂0.9份、异丙醇100份混合均匀，得到复合处理液，然后将钙钛矿薄膜浸入复合处理液中处理25分钟，完成后用异丙醇冲洗，然后在100℃的氮气氛围中干燥20分钟，即得。

[0013] 经检测，光电转换效率为6.39%，开路电压为0.52V，电池的短路电流为20.43mA/cm²，填充因子为63.41%。

[0014] 实施例2一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，所述太阳能电池由下到上依次为：FTO 导电玻璃层、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层；其中，所述致密层厚度为50nm，TiO2介孔层厚度为300nm，空穴传输层厚度为60nm，电极层厚度为
180nm；钙钛矿层为钙钛矿薄膜，厚度为220nm；
其中，所述FTO 导电玻璃方块电阻为14Ω/cm²，透过率大于80%；所述TiO2致密层利用浓度为0.6mol/L的二异丙氧基双乙酰丙酮钛乙醇溶液，浸提3次，浸提速率为0.3mm/s，每次浸提完成后静置10分钟，然后在100℃的条件下干燥20分钟，即得；所述TiO2介孔层为采用二氧化钛浆料旋涂液OPV-18NRT，旋涂完成后在530℃条件下退火40分钟，即得；
所述空穴传输层所用溶液按重量份计包括：Spiro-OMeTAD 5份、六氟磷酸锂0.2份、丙酮25份、氯苯60份；所述电极层为在空穴传输层表面刮涂碳浆料，静置处理30分钟后，在温度为110℃的真空条件下干燥得到；
所述钙钛矿层的制备方法包括以下步骤：
（1）混合溶剂配制，将二甲基亚砜、γ-丁内酯、乙二胺、四丙基溴化铵以体积比20:8:6:
1混合后搅拌15分钟得到混合溶剂；
（2）钙钛矿前驱体溶液配制，按重量份计，将碘化亚锡0.8份、羰基钴1.4份、甲基溴化胺
3.5份、二氟化钒0.2份与混合溶剂40份混合，在温度为105℃的条件下搅拌3.5小时混合均匀，得到钙钛矿前驱溶液；
（3）制备钙钛矿薄膜，将钙钛矿前驱溶液加热到100℃，在TiO2介孔层上旋涂制备得到薄膜，旋涂过程在惰性气体保护气箱中进行，旋涂条件为2000转/min，旋涂30s，完成后静置
20分钟，然后在120℃处理5分钟后，调节温度至105℃继续处理15分钟，完成后自然冷却至室温；
（4）钙钛矿薄膜处理，按重量份计，取1,8-二碘辛烷2份、阳离子表面活性剂1.2份、异丙醇100份混合均匀，得到复合处理液，然后将钙钛矿薄膜浸入复合处理液中处理30分钟，完成后用异丙醇冲洗，然后在100℃的氮气氛围中干燥20分钟，即得。

[0015] 经检测，光电转换效率为6.28%，开路电压为0.47V，电池的短路电流为19.92mA/cm²，填充因子为62.07%。

[0016] 实施例3一种提高二维钙钛矿太阳能电池光电转换率的方法，所述太阳能电池由下到上依次为：FTO 导电玻璃层、TiO2致密层、TiO2介孔层、钙钛矿层、空穴吸收层、电极层；其中，所述致密层厚度为30nm，TiO2介孔层厚度为500nm，空穴传输层厚度为180nm，电极层厚度为
60nm；钙钛矿层为钙钛矿薄膜，厚度为320nm；
其中，所述FTO 导电玻璃方块电阻为14Ω/cm²，透过率大于80%；所述TiO2致密层利用浓度为0.4mol/L的二异丙氧基双乙酰丙酮钛乙醇溶液，浸提3次，浸提速率为0.3mm/s，每次浸提完成后静置10分钟，然后在100℃的条件下干燥20分钟，即得；所述TiO2介孔层为采用二氧化钛浆料旋涂液OPV-18NRT，旋涂完成后在530℃条件下退火40分钟，即得；
所述空穴传输层所用溶液按重量份计包括：Spiro-OMeTAD 3份、六氟磷酸锂0.4份、丙酮20份、氯苯50份；所述电极层为在空穴传输层表面刮涂碳浆料，静置处理30分钟后，在温度为110℃的真空条件下干燥得到；
所述钙钛矿层的制备方法包括以下步骤：
（1）混合溶剂配制，将二甲基亚砜、γ-丁内酯、乙二胺、四丙基溴化铵以体积比16:6:8:
1混合后搅拌10分钟得到混合溶剂；
（2）钙钛矿前驱体溶液配制，按重量份计，将碘化亚锡0.6份、羰基钴1.6份、甲基溴化胺
4.5份、二氟化钒0.3份与混合溶剂30份混合，在温度为115℃的条件下搅拌4.5小时混合均匀，得到钙钛矿前驱溶液；
（3）制备钙钛矿薄膜，将钙钛矿前驱溶液加热到100℃，在TiO2介孔层上旋涂制备得到薄膜，旋涂过程在惰性气体保护气箱中进行，旋涂条件为2000转/min，旋涂30s，完成后静置
20分钟，然后在120℃处理5分钟后，调节温度至105℃继续处理15分钟，完成后自然冷却至室温；
（4）钙钛矿薄膜处理，按重量份计，取1,8-二碘辛烷3份、阳离子表面活性剂0.6份、异丙醇100份混合均匀，得到复合处理液，然后将钙钛矿薄膜浸入复合处理液中处理20分钟，完成后用异丙醇冲洗，然后在100℃的氮气氛围中干燥20分钟，即得。

[0017] 经检测，光电转换效率为6.32%，开路电压为0.51V，电池的短路电流为20.35mA/cm²，填充因子为63.28%，能量转化效率为2.41%。

[0018] 以申请号为2018101540560中实施例作为对照组辅助评价本申请中钙钛矿太阳能光伏电池光伏性能，其中太阳能电池器件的光电转换效率为3.17％，开路电压为0.34V，短路电流为17.63mA/cm2，填充因子为52.84％。

[0019] 实施例1-3以及对照组的钙钛矿太阳能光伏电池光伏特性检测结果，如图1所示，从图1中结果可以看出，实施例相比对照组光电转换效率和短路电流有了一定提高，具有相对较好的电池性能。

[0020] 为了评价以上各组所制备钙钛矿太阳能光伏电池光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对各组制备的电池进行J-V曲线测试，结果如图1所示；其中开路电压为0.82V，电池的短路电流为7.25mA/cm²，填充因子为0.41，能量转化效率为2.41%。

[0021] 为了评价钙钛矿太阳能光伏电池的稳定性，将按各组方法制备完成的钙钛矿太阳能光伏电池进行不封装处理，置于相对湿度为40%，温度约为25℃的黑暗环境中，测试其效率随时间的变化，具体结果如图2所示，可以看出，在40天后，本申请中所制备的钙钛矿太阳能光伏电池效率保持率达到96.8-97.3%，对照组中为初始效率的95.2%，说明本发明中制备方法相比现有技术电池性能的稳定性有了进一步提高。

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