一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿的太阳能电池及其制备方法，利用该方法所制备的钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率，可高达20％以上，并且具备很好的长期的稳定性；引入的稀土金属离子量很少，不会明显增加钙钛矿太阳能电池的成本。

Organic-inorganic hybrid perovskite solar cells doped with rare earth metal ions and their preparation methods

The invention discloses an organic-inorganic hybrid perovskite solar cell doped with a small amount of rare earth metal ions and a preparation method thereof. The perovskite solar cell prepared by the method has high photoelectric conversion efficiency, can be as high as 20%, and has good long-term stability; and the rare earth metal ionization is introduced. The amount of subunits is very small, which will not obviously increase the cost of perovskite solar cells.

【技术实现步骤摘要】
一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿的太阳能电池及其制备方法。技术背景能源问题是当今社会面临的重大问题之一，太阳能电池可以有效的将光能转换成电能，是一种清洁高效的再生能源。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池是近些年发展出的一种具有高效率、低成本的新型太阳能电池，常规的钙钛矿太阳能电池面临着严重的稳定性的挑战和提升效率的迫切需求。在该类电池的制备过程和实际使用的过程中，电池的钙钛矿光活性材料不可避免的产生大量的缺陷，而此类缺陷会导致严重的载流子的复合和短路通道的产生，从而导致钙钛矿电池效率的下降、材料的分解甚至完全失效。因此，制备出一种解决了这些问题的可以长期使用的高效、稳定的钙钛矿太阳能电池对于商业化是至关重要的。稀土是指镧系的15种元素外加Sc、Y共17中金属元素。目前已有一些钙钛矿的太阳能电池试图解决这一问题，如在钙钛矿材料中添加具有还原性的次磷酸、添加具有氧化能力的苯醌、添加甲胺的水溶液提供碱性环境等等。但这些技术都具有明显的局限性，如只能消除其中单一缺陷，并且不是一种长效机制，且自身可能是不稳定性因素的来源，因而这类钙钛矿太阳能电池难以保持长时间的高效。
技术实现思路
本专利技术即是针对现在上述已有钙钛矿太阳能电池的不足，提供一种高效、高稳的钙钛矿太阳能电池及其制备的方法。本专利技术在有机无机杂化钙钛矿材料中引入少量稀土金属离子(La、Ce、Pr、Tm、Er、Eu、Yb等)做为钙钛矿太阳能电池的光活性层，起到提升效率和稳定性的作用，电池的结构特征为具备正负两个电极，使用有机小分子、聚合物、无机物做为电子和空穴传输材料，该种钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换性能和良好的稳定性。其包括如下的步骤：(1)步骤一，制备少量稀土金属离子掺杂的钙钛矿光活性层的前驱体溶液(2)步骤二，清洗氧化铟锡、氟掺杂氧化锡透明导电基底等。(3)步骤三，在透明导电基底上通过旋涂、喷涂或者电化学的方法在透明导电基底上制备窗口层，即第一层传输层材料。(4)步骤四，通过两步法(先沉积无机物种，再沉积有机物种)或者一步法(同时沉积无机和有机物种)的方法制备少量稀土金属离子掺杂的钙钛矿光活性层，其厚度介于100-5000nm之间。(5)步骤五，在少量稀土金属离子掺杂的钙钛矿光活性层上通过旋涂、喷涂等工艺制备第二层传输层材料。(6)步骤六，在高真空的条件下，通过溅射、蒸镀等工艺将金属电极(或者通过印刷的办法将碳电极)沉积在第二层传输层材料上。步骤一中所指的稀土金属离子包括La、Ce、Pr、Tm、Er、Eu、Yb的二价、三价、四价金属离子。前驱体溶液中包含稀土金属离子、氯化铅、卤化甲胺、氯化甲脒、卤化铯等。其中稀土金属离子量介于0.001％-5.0％之间(稀土金属离子和Pb之比)。步骤四中所指的两步法是指先制备含稀土金属离子的卤化铅的薄膜，再在制备好的卤化铅的薄膜上旋涂阳离子的前驱体溶液。一步法是指将制备好的稀土金属离子掺杂的钙钛矿薄膜的前驱体溶液通过一次性成膜的方法制备。上述方法制备得到的少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，具有以下的优点：利用该方法所制备的钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率，可高达20％以上，并且具备很好的长期的稳定性；引入的稀土金属离子量很少，不会明显增加钙钛矿太阳能电池的成本。附图说明图1是本专利技术实施例一的少量稀土离子的掺杂的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率测试曲线图；图2是本专利技术实施例二的少量稀土离子掺杂及无稀土离子掺杂的钙钛矿太阳能电池的光电转化性能统计值及长期稳定性测试结果对比图；图3是本专利技术实施例三的少量稀土离子掺杂以及无稀土离子掺杂的钙钛矿太阳能电池的光稳定性测试结果对比图；图4是本专利技术实施例四的少量稀土离子的掺杂以及无稀土离子掺杂的钙钛矿太阳能电池的热稳定性测试结果对比图。具体实施方式以下结合具体的实施方式，对本专利技术所述的一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池及其制备方法进行描述，目的是为了公众更好的理解所述的
技术实现思路
，而不是对所述
技术实现思路
的限制，事实上，在以相同或近似的原理对所述的太阳能电池及其制备方法进行的改进，都在本专利技术所要求保护的技术方案之内。实施例一超声的方法清洗氧化铟锡透明导电基底，将1.5％质量含量的氧化锡水溶液通过旋涂的工艺涂覆成膜。称取22.5mg的乙酰丙酮稀土金属离子固体，将其溶于1mL的二甲基甲酰胺中，形成50nmol/mL的溶液。配制500mg/mL的PbI2的二甲基甲酰胺溶液1mL，移取35uL的乙酰丙酮稀土金属离子溶液加入PbI2溶液中。在玻璃基底上，利用旋涂先制备PbI2的薄膜，70℃退火，再将碘甲胺的异丙醇溶液旋涂在PbI2的薄膜上，150℃退火即可制备出有少量稀土掺杂的钙钛矿光活性层。将小分子的空穴传输层溶液涂覆在已经制备好的少量稀土掺杂的钙钛矿光活性层上，在高真空的条件下，将金属银电极沉积在空穴传输层上，测试其光电转换效率曲线，该类型的太阳能电池的光电转化效率很高，可达20％以上，且正向(从短路电流到开路电压)反向(扫描方向从开路电压到短路电流)扫差别很小，表现出优异的光电转换性能。图1是少量稀土离子的掺杂的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率测试曲线，其是在一个标准太阳光下，通过对器件进行电压-电流曲线扫描，包括正扫(从短路电流到开路电压)和反扫(扫描方向从开路电压到短路电流)，由图可知，该类型的太阳能电池的光电转化效率很高，可达20％以上，且正反扫扫差别很小，表现出优异的光电转换性能。实施例二以氧化铟锡为透明导电基底，利用TiO2做为电子传输层。称取30.0mg的乙酰丙酮稀土金属固体，将其溶于1mL的二甲基甲酰胺中，形成50nmol/mL的溶液。称取461mgPbI2，159mg碘甲胺，加入1mL二甲基甲酰胺溶液，移取30uL的乙酰丙酮稀土金属离子溶液加入前驱体溶液中。旋涂制备少量稀土金属离子掺杂的钙钛矿薄膜，在制备过程中打200uL的乙醚，100℃退火10分钟，将高分子聚合物空穴传输层的溶液涂覆在少量稀土金属离子掺杂的钙钛矿薄膜上，在高真空的条件下，将金属银电极沉积在空穴传输层上，测试其光电转换效率。将该太阳能电池置于惰性氛围中，每隔一段时间测试其光电转换效率，将类似方法制备的无稀土金属离子掺杂的钙钛矿太阳能电池置于同样条件下做为对比，结果表明有少量稀土离子掺杂的钙钛矿太阳能电池器件的长期稳定性同未掺杂的器件相比较而言得到明显的提升，其在放置8000小时后仍可保持原有效率的90％以上，而未掺杂的器件已降至10％左右。其平均原始效率也从原有未掺杂的17％左右上升至19％以上。图2是少量稀土离子掺杂及无稀土离子掺杂的钙钛矿太阳能电池的光电转化性能统计值及长期稳定性测试结果对比，其光电转化效率是通过对器件进行电压-电流曲线扫描得到，器件的稳定性测试是将器件在暗态的条件下放置一定的时间进行测量，结果表明有少量稀土离子掺杂的钙钛矿太阳能电池器件的长期稳定性同未掺杂的器件相比较而言得到明显的提升，其在放置8000小时后仍可保持原有效率的90％以上，而未掺杂的器件已降至10％左右。其平均原始效率也从原有未掺杂的17％左右上升至19％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池具备正负两个电极，使用有机小分子、聚合物或无机物做为电子和空穴传输材料；在制备过程中，将少量稀土元素金属离子引入有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的钙钛矿光活性层中，起到提升效率和稳定性的作用。

【技术特征摘要】
1.一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池具备正负两个电极，使用有机小分子、聚合物或无机物做为电子和空穴传输材料；在制备过程中，将少量稀土元素金属离子引入有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的钙钛矿光活性层中，起到提升效率和稳定性的作用。2.如权利要求1所述的一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿光活性层为有机无机杂化的铅卤钙钛矿材料，其通过旋涂工艺、印刷工艺或喷涂工艺来制备。3.如权利要求1所述的一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池的受光面电极为氧化铟锡透明电极或氟掺杂氧化锡透明电极，所述太阳能电池的背电极为金属电极或碳电极。4.如权利要求1所述的一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在所述钙钛矿光活性层中引入的稀土金属离子包括但不仅限于La、Ce、Pr、Tm、Er、Eu或Yb的二价和三价金属离子。5.如权利要求1所述的一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在所述钙钛矿光活性层中引入的稀土金属离子和铅的摩尔比介于0.001％-5.0％。6.如权利要求1所述的一种少量稀土金属离子掺杂的有机无机...

【专利技术属性】
技术研发人员：周欢萍，王立刚，严纯华，孙聆东，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11