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CN115347121B - 一种基于dds表面修饰的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

一种基于dds表面修饰的钙钛矿太阳能电池 Download PDF

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CN115347121B CN202211113738.XA CN202211113738A CN115347121B CN 115347121 B CN115347121 B CN 115347121B CN 202211113738 A CN202211113738 A CN 202211113738A CN 115347121 B CN115347121 B CN 115347121B
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Abstract

本发明提供了一种基于DDS表面修饰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层叠的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、DDS表面修饰层、空穴传输层和金属电极。本发明的钙钛矿太阳能电池在钙钛矿吸收层和空穴传输层之间设置了DDS表面修饰层，DDS分子可以与钙钛矿结构中未配位的铅、碘离子形成配位键，有效钝化钙钛矿薄膜表面的缺陷，减少非辐射复合中心；同时，DDS表面修饰层的引入能够使钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿层和空穴传输层之间能级更好地匹配，减少载流子传输损耗，使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高至24％以上。

Description

一种基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池，由于其制备成本较低、光电转换效率高、以及可柔性制备等优点，一举成为了太阳能光伏领域中的一个重要研究方向。现有技术中存在的钙钛矿太阳能电池通常包括FTO玻璃基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层以及电极。在接受太阳光照射时，钙钛矿吸收层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿吸收层传输到电子传输层，最后被FTO玻璃基底收集；空穴从钙钛矿吸收层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，从而形成电流。
尽管如此，钙钛矿太阳能电池的器件效率和稳定性依然是限制其商业化发展的主要问题。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在2017年达到17％，后在2022年通过大面积全钙钛矿叠层光伏组件技术，将光电转换效率提高到了21.7％，是目前公开的钙钛矿光伏组件的世界最高的光电转换效率，然而，该光电转换效率仍旧较低。
发明内容
影响钙钛矿太阳能电池光电转换效率的因素之一是钙钛矿薄膜表面的缺陷。在溶液法制备的钙钛矿薄膜中，无法控制薄膜的结晶取向，钙钛矿结构中存在未配位的铅、碘离子，意味着在成膜过程中会出现钙钛矿结构的无序性，产生缺陷。在载流子传输过程中这些缺陷会形成非辐射复合中心，影响载流子的传输过程，继而影响太阳能电池器件效率。
影响钙钛矿太阳能电池光电转换效率的另一个因素是不同膜层之间的能级匹配问题。现有技术中的空穴传输层和钙钛矿吸收层之间存在能级失配的问题，能级的失配会提高载流子在传输过程中的能量壁垒，增加载流子的传输损耗，从而降低钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供了一种基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括自下而上依次层叠的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、DDS表面修饰层、空穴传输层和金属电极。
本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，还可以具有这样的技术特征，其中，透明导电基底为掺氟氧化锡透明导电材料。
本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，还可以具有这样的技术特征，其中，电子传输层为二氧化锡。
本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，还可以具有这样的技术特征，其中，钙钛矿吸收层为CsxFAyMA1-x-yPb(IzBr1-z)3，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，还可以具有这样的技术特征，其中，DDS表面修饰层为DDS，DDS表面修饰层的厚度为1-10nm。
本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，还可以具有这样的技术特征，其中，空穴传输层为2,2",7,7"-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、叔丁基吡啶、双三氟甲磺酰亚胺锂和钴基(III)双三氟甲烷磺酰亚胺盐的混合物。
本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，还可以具有这样的技术特征，其中，金属电极为金属金。
发明的作用与效果
由于本发明提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次层叠的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、DDS表面修饰层、空穴传输层和金属电极。
本发明的钙钛矿太阳能电池在钙钛矿吸收层和空穴传输层之间设置了DDS表面修饰层，DDS分子可以与钙钛矿结构中未配位的铅、碘离子形成配位键，有效钝化钙钛矿薄膜表面的缺陷，减少非辐射复合中心；DDS表面修饰层的引入能够使钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿层和空穴传输层之间能级更好地匹配，减少载流子传输损耗，使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高至24％以上。
附图说明
图1是本发明实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池和未经DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池(标准器件)的电流-电压曲线图。
图3是本发明实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池的能级排列图。
具体实施方式
在本发明中使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
下述实施例中所采用的试剂为普通商业途径购得，未注明的实验操作及实验条件参考本领域的常规操作及常规条件。
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
图1是本发明实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
如图1所示，本发明的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池100由透明导电基底6、电子传输层5、钙钛矿吸收层4、DDS表面修饰层3、空穴传输层2和金属电极1自下而上依次层叠而成。
其中，透明导电基底6为掺氟氧化锡透明导电材料。
电子传输层5为二氧化锡。
钙钛矿吸收层4为Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3。
DDS表面修饰层3为DDS，DDS表面修饰层的厚度为5nm。
空穴传输层2为2,2",7,7"-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、叔丁基吡啶、双三氟甲磺酰亚胺锂和钴基(III)双三氟甲烷磺酰亚胺盐的混合物。
金属电极1为金属金，厚度为80nm。
本实施例提供的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其制备步骤如下：
步骤1，制备透明导电基底：将掺氟氧化锡透明导电材料切割，刻蚀，超声清洗，紫外臭氧处理，得到透明导电基底，具体过程为：
将掺氟氧化锡透明导电材料切割成1.7cm×1.5cm大小，并激光刻蚀电极图案，将刻蚀好的掺氟氧化锡透明导电材料分别在玻璃水、去离子水、无水乙醇及异丙醇中进行超声清洗，清洗时间均为10min，然后将其置于紫外臭氧机中处理15min，得到透明导电基底；
步骤2，制备电子传输层：将二氧化锡水溶液旋涂于透明导电基底上，退火处理，得到电子传输层，具体过程为：
将质量浓度为3％的二氧化锡水溶液旋涂于透明导电基底上，旋涂速率为4000rpm/min，旋涂时间为30s，旋涂结束后，150℃退火30min，冷却至室温后，得到电子传输层；
步骤3，制备钙钛矿吸收层：将钙钛矿前驱体溶液旋涂于电子传输层上，退火处理，得到钙钛矿吸收层，具体过程为：
将钙钛矿前驱体溶液旋涂于电子传输层上，分两步旋涂，旋涂速率分别为1000rpm/min和6000rpm/min，旋涂时间分别为10s和30s，在旋涂结束前的10s内，动态滴加100μL的反溶剂氯苯，旋涂结束后，100℃退火40min，得到钙钛矿吸收层，
其中，钙钛矿前驱体溶液的制备过程如下：
步骤3-1，将PbI2均匀溶解在N,N-二甲基甲酰胺/二甲基亚砜的混合溶剂(DMF和DMSO的体积比为4:1)中，PbI2的浓度为1.5M，180℃加热搅拌10min，冷却至室温后加入FAI粉末(FA为甲脒(NH2CH＝NH2 +))，FAI和PbI2的摩尔比为1:1.09，得到FAPbI3溶液，
步骤3-2，将PbBr2均匀溶解在N,N-二甲基甲酰胺/二甲基亚砜的混合溶剂(DMF和DMSO的体积比为4:1)中，PbBr2的浓度为1.5M，180℃加热搅拌10min，冷却至室温后加入MABr粉末(MA为甲胺(CH3NH3 +))，MABr和PbBr2的摩尔比为1:1.09，得到MAPbBr3溶液，
步骤3-3，将FAPbI3溶液和MAPbBr3溶液按体积比5:1混合，加入5％体积百分比的CsI溶液(CsI溶于DMF/DMSO中，CsI的浓度为1.5M，DMF和DMSO的体积比为4:1)，即得Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3钙钛矿前驱体溶液；
步骤4，制备DDS表面修饰层：将DDS异丙醇溶液旋涂于钙钛矿吸收层上，形成DDS表面修饰层，具体过程为：
将2mg/mL的DDS异丙醇溶液旋涂于钙钛矿吸收层表面，旋涂速率为4000rpm/min，旋涂时间为30s，旋涂结束后，100℃退火8min，形成DDS表面修饰层，其厚度为5nm；
步骤5，制备空穴传输层：将空穴传输材料溶液旋涂到DDS表面修饰层上，得到空穴传输层，具体过程为：
将空穴传输材料溶液(73.5mg Spiro-OMeTAD、29μL叔丁基吡啶、17μL LiTFSI和8μL FK209溶于1mL氯苯中，制得空穴传输材料溶液)旋涂到DDS表面修饰层上，旋涂速率为4000rpm/min，旋涂时间为30s，得到空穴传输层；
步骤6，制备电极：在空穴传输层上蒸镀电极，即得基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，具体过程为：
采用真空蒸镀法，在真空度小于10-5Pa，蒸发速率为的条件下，在空穴传输层上蒸镀80nm厚的金电极，即得基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池。
图2是本发明实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池和未经DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池(标准器件)的电流-电压曲线图。由图2可知，未经DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池(标准器件)的开路电压为1.14V，短路电流为24.54mA/cm2，填充因子为73.9％，光电转换效率为20.70％；而实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.16V，短路电流为24.65mA/cm2，填充因子为84.0％，光电转换效率高达24.02％。基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高，是由于DDS分子可以与钙钛矿结构中未配位的铅、碘离子形成配位键，有效钝化钙钛矿薄膜表面的缺陷，减少非辐射复合中心；同时，DDS分子的引入能够使钙钛矿吸收层和空穴传输层之间的能级更好地匹配，减少了载流子传输损耗。
图3是本发明实施例的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池的能级排列图。如图3所示，经过DDS分子表面修饰之后，钙钛矿吸收层的价带最大值和导带最小值都向上发生了移动，因此使得钙钛矿吸收层和空穴传输层之间能级匹配更好。
以上是对实施例的详细描述，方便本领域的技术人员能正确理解和使用本发明。凡本领域的技术人员依据本发明在现有技术基础上，不经过创新性的劳动，仅通过分析、类推或有限列举等方法得到的改进或修改技术方案，都应该在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
包括自下而上依次层叠的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸收层、DDS表面修饰层、空穴传输层和金属电极。
2.根据权利要求1所述的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
其中，所述透明导电基底为掺氟氧化锡透明导电材料。
3.根据权利要求1所述的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
其中，所述电子传输层为二氧化锡。
4.根据权利要求1所述的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
其中，所述钙钛矿吸收层为CsxFAyMA1-x-yPb(IzBr1-z)3，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
5.根据权利要求1所述的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
其中，所述DDS表面修饰层为DDS，
所述DDS表面修饰层的厚度为1-10nm。
6.根据权利要求1所述的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
其中，所述空穴传输层为2,2",7,7"-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、叔丁基吡啶、双三氟甲磺酰亚胺锂和钴基(III)双三氟甲烷磺酰亚胺盐的混合物。
7.根据权利要求1所述的基于DDS表面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，
其中，所述金属电极为金属金。
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