锌掺杂氧化镍空穴传输层反置钙钛矿太阳能电池及制备方法技术

本发明专利技术属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种锌掺杂氧化镍空穴传输层反置钙钛矿太阳能电池及其制备方法。反置钙钛矿太阳能电池为：（1）、FTO玻璃；（2）、制备锌掺杂氧化镍空穴传输层；（3）、制备钙钛矿体异质结薄膜；（4）、在钙钛矿层上制备电子传输层；（5）、电极修饰层；（6）、金属电极。本发明专利技术采用全新的空穴传输层，通过掺杂锌优化氧化镍薄膜得到高透光率，高电导率，高功函与钙钛矿匹配良好的空穴提取层，其性能优化、结构稳定。

【技术实现步骤摘要】
锌掺杂氧化镍空穴传输层反置钙钛矿太阳能电池及制备方法
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池制备的
，特别涉及一种锌掺杂氧化镍空穴传输层高效钙钛矿太阳能电池及制备方法。
技术介绍
钙钛矿太阳能电池自2009年第一次报道以来，能量转换效率日新月异，由最初的3.8%提升到了22.1%。钙钛矿太阳能电池的横空出世为太阳能电池的发展带来了新希望。钙钛矿吸光层两侧分别是电子传输层和空穴传输层，其中空穴传输层提取空穴的能力直接决定着太阳能电池的光电转换效率，可见空穴传输层的重要性不言而喻。目前大多数高光电转换效率的太阳能电池所使用的空穴传输层为有机空穴传输层（如PEDOT：PSS、PTAA、spiro-OMeTAD等），但是有机空穴传输材料制备工艺复杂，价格昂贵，并不满足大规模生产的要求。因此，找到替代有机空穴传输层的无机材料至关重要。氧化镍是一种宽禁带p型半导体材料，禁带宽度为3.6eV，与钙钛矿能级匹配，并且在可见光范围内具有高透光度，适合用于钙钛矿太阳能电池等光电子器件中，但其较低的电导率一直是该空穴传输层的劣势所在，而掺杂可最大限度的改变这一现状。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现存的技术不足，提供了一种利用廉价新材料（氧化镍）制备的锌掺杂氧化镍空穴传输层高效钙钛矿太阳能电池，改善了电池串联电阻，通过提高空穴提取效率从而优化电池性能，为开发廉价高效的钙钛矿太阳能电池提供了一种新思路。本专利技术还提供了上述太阳能电池的制备方法。为了克服已经存在的技术不足，本专利技术的技术方案为：本专利技术公开了一种锌掺杂氧化镍空穴传输层反置高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于采用以下制备方法制成：（1）、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；（2）、制备锌掺杂氧化镍空穴传输层；（3）、制备钙钛矿体异质结薄膜；（4）、在钙钛矿层上制备电子传输层；（5）、在电子传输层上制备电极修饰层；（6）、在电极修饰层上制备金属电极，从而获得太阳能电池；所述锌掺杂氧化镍空穴传输层是采用以下方法制成：将硝酸锌与硝酸镍按比例混合于乙二胺和乙二醇的混合溶剂中，制成混合前驱液，然后置于磁力搅拌器上搅拌十二个小时，过滤后得到澄清液，然后旋涂澄清液40s于氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）基板，最后把所得基板放到快速退火炉里400℃退火3600s，得到锌掺杂氧化镍空穴传输层。上述的反置钙钛矿太阳能电池，优选的：所述硝酸锌与硝酸镍的摩尔比为3-7:97-93，乙二胺和乙二醇的体积比为1:10，硝酸锌与硝酸镍在混合溶剂中的浓度为1M。上述的反置钙钛矿太阳能电池，优选的：所述FTO玻璃的厚度为300nm；锌掺杂氧化镍空穴传输层的厚度为30nm；钙钛矿体异质结薄膜的厚度为250nm；电子传输层的厚度为30nm；电极修饰层的厚度为10nm；金属电极的厚度为60nm。本专利技术还公开了一种权利要求1所述的锌掺杂氧化镍空穴传输层反置钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于采用以下步骤：（1）将FTO透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上1cm宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.6×1.7cm长方形，用碱液超声清洗30-60min，再用酒精超声清洗30-60min，最后用去离子水超声清洗10-30min，放入烘干箱干燥以备用；（2）将硝酸锌与硝酸镍按比例混合于乙二胺和乙二醇的混合溶剂中，然后将混合前驱液置于磁力搅拌器上搅拌十二个小时，过滤后得到澄清液，然后旋涂硝酸锌和硝酸镍混合前驱体溶液40s于氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）基板，最后把所得基板放到快速退火炉里400℃退火3600s得到锌掺杂氧化镍空穴传输层；（3）把醋酸铅和碘甲胺溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上搅拌30min得到钙钛矿前驱体溶液，然后旋涂前驱液并100℃退火10分钟得到钙钛矿吸光层；（4）在手套箱中旋涂浓度为15-20mg/ml的PCBM的氯苯溶液，最后旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极。上述本专利技术，硝酸锌与硝酸镍按比例混合于乙二胺和乙二醇的混合溶剂中，400℃退火其反应机理是这样的:硝酸锌与硝酸镍在混合溶剂中完全溶解，旋涂成膜后进行的高温退火使得硝酸镍产生了一个简单的氧化还原反应。其中，温度高于110℃时开始分解并形成碱式盐，继续加热生成棕黑色的三氧化二镍和绿色的氧化亚镍的混合物，400℃时生成棕黑色的三氧化二镍和氧化亚镍混合物。至于硝酸锌高温反应生成的氧化锌在氧气气氛下会与氧化镍发生反应，锌元素替位掺杂进入到了镍的晶格位，但由于两者半径相差不大，使其未发生明显晶格畸变。本专利技术将硝酸锌与硝酸镍混合制成锌掺杂氧化镍薄膜作为空穴传输层，其由于氧化镍的非化学计量特性使得其内部存在自缺陷，而这种缺陷主要是有形成能最低的镍空位组成。锌元素的替位掺杂进一步降低了该形成能使得镍空位增多，从而导致半导体空穴浓度的提高，因而半导体空穴传输层的导电性和空穴提取能力大幅增强，其最终结果直接决定了太阳能电池器件性能的提高。本专利技术的锌掺杂氧化镍空穴传输层反置钙钛矿太阳能电池，包括空穴传输层、光吸收层、电子传输层、电极修饰层、金属电极。本专利技术首次将硝酸锌与硝酸镍混合制成锌掺杂氧化镍薄膜作为空穴传输层，并制备了电池。改善了电池串联电阻，并获得了19.5%的光电转换效率。通过旋涂法制备光活性层，且其厚度在200-250nm之间。常用无机电子传输材料有TiO2、ZnO、SnO2等，有机电子传输材料有PCBM等，通过旋涂法制备的PCBM电子传输层厚度为30nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为10nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度为60nm。本专利技术锌掺杂氧化镍空穴传输层高效钙钛矿太阳能电池，采用全新的空穴传输层，通过掺杂锌优化氧化镍薄膜得到高透光率，高电导率，高功函与钙钛矿匹配良好的空穴提取层，通过组装进而得到高效钙钛矿太阳能电池。首先将硝酸锌与硝酸镍前驱体溶液按比例混合，然后旋涂到氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）上，通过退火加热得到高性能锌掺杂氧化镍薄膜，提高了薄膜透光度及空穴提取效率，进而优化了电池串联电阻，提高了电池光电转换效率。本专利技术得到的空穴传输层与传统的空穴传输材料相比，半导体薄膜具有高的电导率，高的功函，器件具有高效率、强稳定性等优点。其优化的性能和稳定的结构为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供了新的思路。附图说明图1为本专利技术的太阳能电池结构示意图，图2为未掺锌（左）和掺锌（右）的氧化镍SEM图图3为未掺锌和掺锌的氧化镍空穴传输层/钙钛矿太阳能电池的I-V曲线。其中1.FTO,2.空穴传输层,3.光吸收层，4.电子传输层，5.电极修饰层，6.Ag电极。具体实施方式实施例1（1）制备传统反型平面异质结太阳能电池结构示意图如图1。将FTO透明导电玻璃切成1.6cm的长条，接着贴上一厘米宽的胶带，然后用锌粉和浓盐酸与水体积比为1:5的稀盐酸刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗残余的锌粉，把刻蚀好的玻璃切成1.6×1.7cm长方形，用碱液超声清洗30-60min，再用酒精超声清洗30-60min，最后用去离子水超声清洗10-30min，然后放入烘干箱干燥以备用；（2）将硝酸镍溶于乙二胺和乙二醇的混合溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锌掺杂氧化镍空穴传输层反置高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于采用以下制备方法制成：（1）、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；（2）、制备锌掺杂氧化镍空穴传输层；（3）、制备钙钛矿体异质结薄膜；（4）、在钙钛矿层上制备电子传输层；（5）、在电子传输层上制备电极修饰层；（6）、在电极修饰层上制备金属电极，从而获得太阳能电池；所述锌掺杂氧化镍空穴传输层是采用以下方法制成：将硝酸锌与硝酸镍按比例混合于乙二胺和乙二醇的混合溶剂中，制成混合前驱液，然后置于磁力搅拌器上搅拌十二个小时，过滤后得到澄清液，然后旋涂澄清液40s于氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）基板，最后把所得基板放到快速退火炉里400℃退火3600s，得到锌掺杂氧化镍空穴传输层。

【技术特征摘要】
1.一种锌掺杂氧化镍空穴传输层反置高效钙钛矿太阳能电池，其特征在于采用以下制备方法制成：（1）、以FTO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；（2）、制备锌掺杂氧化镍空穴传输层；（3）、制备钙钛矿体异质结薄膜；（4）、在钙钛矿层上制备电子传输层；（5）、在电子传输层上制备电极修饰层；（6）、在电极修饰层上制备金属电极，从而获得太阳能电池；所述锌掺杂氧化镍空穴传输层是采用以下方法制成：将硝酸锌与硝酸镍按比例混合于乙二胺和乙二醇的混合溶剂中，制成混合前驱液，然后置于磁力搅拌器上搅拌十二个小时，过滤后得到澄清液，然后旋涂澄清液40s于氟掺杂氧化锡玻璃（FTO玻璃）基板，最后把所得基板放到快速退火炉里400℃退火3600s，得到锌掺杂氧化镍空穴传输层。2.根据权利要求1所述的反置钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述硝酸锌与硝酸镍的摩尔比为3-7:97-93，乙二胺和乙二醇的体积比为1:10，硝酸锌与硝酸镍在混合溶剂中的浓度为1M。3.根据权利要求1所述的反置钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述FTO玻璃的厚度为300nm；锌掺杂氧化镍空穴传输层的厚度为30nm；钙钛矿体异质结薄膜的厚度为250nm；电子传输层的厚度为30nm；电极修饰层的厚度为10nm；金属电...

【专利技术属性】
技术研发人员：万兴兴，曹丙强，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37