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CN107887475A - 氧化钨电子传输层的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

氧化钨电子传输层的制备方法及其产品和应用 Download PDF

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CN107887475A CN201711168429.1A CN201711168429A CN107887475A CN 107887475 A CN107887475 A CN 107887475A CN 201711168429 A CN201711168429 A CN 201711168429A CN 107887475 A CN107887475 A CN 107887475A
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oxide electron
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何丹农
杜以博
林琳
周移
金彩虹
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Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
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Abstract

本发明涉及氧化钨电子传输层的制备方法及其产品和应用，一种氧化钨电子传输层由WOx低温制备，可在导电玻璃基底上大批量合成，包括：量取5ml醇溶液，称取一定量六氯化钨溶于溶剂醇之中，搅拌至溶液完全溶解，得到黄色的溶液；继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；在清洗后的FTO导电玻璃上旋涂30s；旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热；重复2~4遍，得到性能良好的氧化钨电子传输层材料。在150°C制得的电子传输层获得了8.3%的效率。该方法制备的电子传输层不用经过高温烧结等复杂过程，制备方法工艺和流程简便，参数可调范围宽，可重复性强，消耗能量低，有效地降低了电池的制作成本，有利于技术的大规模推广。

Description

氧化钨电子传输层的制备方法及其产品和应用
技术领域
本发明涉及一种氧化钨电子传输层的制备方法及其产品和应用，属于无机纳米材料及合成技术领域。
背景技术
在太阳能电池研究领域中，钙钛矿太阳能电池作为一种新型的太阳能电池有巨大的应用潜力，光电转换效率已从最初的4%到现在的22%。钙钛矿材料有着优良的综合性能，能够同时完成入射光的吸收、光生载流子的激发、输运、分离等多个过程，消光系数高且带隙宽度合适，能够同时传输电子和空穴。钙钛矿太阳能电池结构简单，可在温和条件下低温制备。
电子传输层作为电荷分离和传输作的载体，是太阳电池的关键部分和光电转换的基础，其性能直接影响和决定太阳电池的效率。如何提高电子传输层的载流子传输速率，减少电子-空穴对的复合是提高太阳电池总光电转换效率和实用化的关键技术之一。
在整个能量转换过程中，首要考虑的是光吸收和载流子迁移率问题。无论何种材料都存在载流子的扩散输运与界面反应过程，需要材料具有大孔道、多孔性、高表面和高电子迁移率。因此必须要不断发现和发展新材料，通过不同组分、不同结构和表面性质的控制，实现高比表面积和高载流子传输的材料和结构的制备，实现太阳电池的高效转化。作为钙钛矿太阳电池的核心部分之一，电子传输材料通常为TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、WO3、CeO2等无机半导体材料，在这些材料中，TiO2和ZnO作为一种对环境友好的光功能材料，性质稳定，无毒无害，在实际应用中工艺流程简单，操作条件容易控制，无二次污染，近年来迅速成为优异的太阳电池材料。通常传统的TiO2电子传输层通常需要500摄氏度左右的高退火温度来消除有机的模板和添加剂，然而退火造成了高的制造成本，高温烧结能耗大，工艺复杂，不利于钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用，高温烧结工艺也阻碍了钙钛矿太阳能电池在柔性基底上的应用。因此为了提升制备流程，应该制备低温的电子传输层来取代，以便以后在塑料基底上制备柔性钙钛矿太阳电池。
采用WOx等纳米材料作为钙钛矿电池致密层的制备方法，目前报道较少。WOx是化学上稳定的半导体，带隙宽（2-3eV），电子迁移率高（10-20cm2V-1s-1），而且具有比TiO2更高的迁移率。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于：提供一种氧化钨电子传输层的制备方法。
本发明的再一目的在于：提供上述方法制备的产品。
本发明的又一目的在于：提供上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种氧化钨电子传输层的制备方法，该电子传输层是由WOx低温制备，可在导电玻璃基底上大批量合成；包括如下工艺步骤：
（1）量取5ml醇溶液，称取一定量六氯化钨溶于溶剂醇之中，搅拌至溶液完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上旋涂30s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热；
（5）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复2~4遍，得到性能良好的氧化钨电子传输层材料。
在上述方案基础上，步骤（1）中所述的溶剂为正丙醇、异丙醇、正丁醇；WCl6溶液的浓度为0.01~0.1 摩尔/升。
步骤（3）中所述的旋涂速度为2500~3500rmp。
步骤（4）中所述的加热时间为10~25分钟。
本发明提供一种氧化钨电子传输层，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明提供一种氧化钨电子传输层作为钙钛矿太阳能电池电子传输层的应用。
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。形貌均一，纯度高，稳定性强，能够大批量合成，可广泛应用于钙钛矿电池等领域，在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了8.3%的传输效率。
该方法制备的电子传输层是由氧化钨组成，氧化钨电子传输层不用经过高温烧结等复杂过程，可在低温下制备，该制备方法工艺和流程简便，参数可调范围宽，可重复性强，有利于技术的大规模推广，消耗能量低，有效地降低了电池的制作成本，是一种具备商业前景的制备方法。
附图说明
图1：由实施例2制得的氧化钨的X射线粉末衍射图谱；
图2：由实施例2制得的氧化钨薄膜的低倍扫描电镜照片；
图3：由实施例2制得的氧化钨薄膜的高倍扫描电镜照片；
图4：由实施例2制得的氧化钨薄膜的AFM平面图；
图5：由实施例2制得的氧化钨薄膜的AFM立体图；
图6：由实施例2制得的氧化钨薄膜和钙钛矿薄膜的紫外-可见光吸收曲线；
图7：钙钛矿太阳能电池结构示意图；
图8：由实施例2制得的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。本领域技术人员将会理解，以下实施例仅为本发明的优选实施例，其目的仅在于更好理解本发明的内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）量取5ml正丙醇溶液，称取0.5g六氯化钨，六氯化钨溶在正丙醇之中，得到溶度为0.1g/ml，搅拌至完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上以3000rmp的速度旋涂30s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热15分钟；
（5）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复3遍，得到性能稳定的氧化钨电子传输层材料；
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了7.8%的传输效率。
实施例2
（1）量取5ml异丙醇溶液，称取0.25g六氯化钨，六氯化钨溶在异丙醇之中，得到溶度为0.05g/ml，搅拌至完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上以2500rmp的速度旋涂40s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热25分钟；
（5）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复3遍，得到性能稳定的氧化钨电子传输层材料；
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了8.3%的传输效率。如图1的氧化钨的X射线粉末衍射图谱、图2的氧化钨薄膜的低倍扫描电镜照片、图3的氧化钨薄膜的高倍扫描电镜照片、图4的氧化钨薄膜的AFM平面图、图5的氧化钨薄膜的AFM立体图和图6的氧化钨薄膜和钙钛矿薄膜的紫外-可见光吸收曲线所示。
钙钛矿太阳能电池结构如图7，该钙钛矿太阳能电池的I-V曲线如图8。
实施例3
（1）量取5ml正丁醇溶液，称取0.5g六氯化钨，六氯化钨溶在正丁醇之中，得到溶度为0.1g/ml，搅拌至完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上以3500rmp的速度旋涂30s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热20分钟；
（5）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复3遍，得到性能稳定的氧化钨电子传输层材料；
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了6.7%的传输效率。
实施例4
（1）量取5ml异丙醇溶液，称取0.25g六氯化钨，六氯化钨溶在异丙醇之中，得到溶度为0.05g/ml，搅拌至完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上以3500rmp的速度旋涂25s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热15分钟；
（5）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复2遍，得到性能稳定的氧化钨电子传输层材料；
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了7.7%的传输效率。
实施例5
（1）量取5ml正丙醇溶液，称取0.25g六氯化钨，六氯化钨溶在正丙醇之中，得到溶度为0.05g/ml，搅拌至完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上以3000rmp的速度旋涂20s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热15分钟；
（5）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复4遍，得到性能稳定的氧化钨电子传输层材料；
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了7.4%的传输效率。
实施例6
5ml正丁醇溶液，称取0.25g六氯化钨，六氯化钨溶在正丁醇之中，得到溶度为0.05g/ml，搅拌至完全溶解，得到黄色的溶液；
（1）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（2）在清洗后的FTO导电玻璃上以4000rmp的速度旋涂20s；
（3）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热10分钟；
（4）为了获得较好的薄膜质量，将上述（3）（4）步骤重复3遍，得到性能稳定的氧化钨电子传输层材料；
通过上述制备方法得到的氧化钨薄膜，其晶型与标准粉末衍射卡片(JCPDS: 36-1451)相吻合。在制备的电子传输层的基础上旋涂钙钛矿层、空穴传输层Spiro-OMeTAD，并蒸镀电极层Au，制备的钙钛矿太阳能电池获得了6.1%的传输效率。

Claims (6)

1.一种氧化钨电子传输层的制备方法，其特征在于：由WOx低温制备，可在导电玻璃基底上大批量合成；包括如下工艺步骤：
（1）量取5ml醇溶液，称取一定量六氯化钨溶于溶剂醇之中，搅拌至溶液完全溶解，得到黄色的溶液；
（2）继续搅拌，黄色溶液变为透明的浅蓝色溶液；
（3）在清洗后的FTO导电玻璃上旋涂30s；
（4）旋涂后的基底在烘箱中150摄氏度加热；
（5）将上述（3）（4）步骤重复2~4遍，得到性能良好的氧化钨电子传输层材料。
2.根据权利要求书1所述氧化钨电子传输层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的溶剂为正丙醇、异丙醇或正丁醇；WCl6溶液的浓度为0.01~0.1 摩尔/升。
3.根据权利要求书1所述氧化钨电子传输层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的旋涂速度为2500~3500rmp。
4.根据权利要求书1所述氧化钨电子传输层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的加热时间为10~25分钟。
5.一种氧化钨电子传输层，其特征在于根据权利要求1-4任一所述方法制备得到。
6.一种根据权利要求5所述氧化钨电子传输层作为钙钛矿太阳能电池电子传输层的应用。
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