一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：（1）FTO透明导电玻璃基片清洗和TiO2薄膜制备，沉积上TiO2，放入烘箱中备用；（2）Bis‑PCBM和DMC复合膜制备；（3）旋涂于已沉积上TiO2的FTO上；（4）钙钛矿薄膜的制备；（5）Spiro‑OMeTAD薄膜制备，旋涂于步骤（4）中FTO上；（6）采用蒸镀方法在Spiro‑OMeTAD薄膜上蒸镀MoO3和Ag电极。本发明专利技术的方法可提高薄膜电子迁移率和电导率，促进器件光电转换效率的提高，薄膜表面更加光滑，可作为后续钙钛矿层沉积和生长的良好衬底，可以减缓钙钛矿层的降解过程，提高器件的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法
本专利技术属于光伏器件领域，具体涉及一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法。
技术介绍
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其独特的光学特性以及简单的制备工艺被认为是可以与无机硅太阳能电池相媲美的一种能源形式。经过几年的发展，尽管其光电转换效率已超过22%，但是制造高效率和长期稳定的钙钛矿太阳能电池是实现其商业化的必要条件。钙钛矿太阳能电池有平面型和多孔型两种器件结构，平面型钙钛矿电池以其简单的制备工艺以及低温薄膜处理技术得到广泛关注。在平面结构中，除了钙钛矿层本身外，相邻界面层的结构也强烈地影响器件的稳定性。理想的界面材料应具有理想的物理，化学和电子性能，包括适当的能级，高导电性，高耐溶剂性低光吸收。此外，界面膜需要具有良好的润湿性，作为钙钛矿薄膜沉积和生长的底层。近来，各种界面材料已被用于平面结构PSC中，以防止水分，氧气，和紫外光进入钙钛矿层，目的在于提高电池的稳定性。目前报道的最先进的钙钛矿太阳能电池采用二氧化钛（TiO2）作为电子传输层（ETL）的结构。虽然二氧化钛具有良好的电子选择性，但对氧气和紫外线的表面吸附可能限制钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的进一步提高。人们从材料，薄膜制备技术，器件结构以及物理机制进行了一系列的深入研究。其中通过调整TiO2和钙钛矿层之间的界面性质是进一步提高钙钛矿的效率和稳定性的有效策略。富勒烯材料作为修饰层能够有效减缓钙钛矿的分解，但是富勒烯材料的电子迁移率和电导率低的内在问题仍然可能限制了它们在电池中的潜在应用。改善富勒烯的电子迁移率和电导率的一个策略是利用n型掺杂技术，通过从n型掺杂剂到主体材料的有效电子转移来增加自由电子浓度。但是由于缺乏有效和稳定的n型掺杂剂，对于n掺杂的电子选择性材料的研究报道很少。此外，溶液处理的薄膜的化学掺杂与真空蒸发相比更具挑战性，因为在多层薄膜沉积过程中需要考虑溶剂侵蚀的问题。与基于碱金属或碱金属盐的无机n型掺杂剂相比，有机基n型掺杂剂被认为是实现溶液处理膜掺杂的替代方案，因为它们在常用有机溶剂有很好的溶解性并且不会发生原子扩散。（五甲基环戊二烯)钴（DMC）具有3.3eV甚至更低的电离能，这使得它成为强有力的还原剂和n-掺杂更广泛的主体材料。本专利技术利用DMC的强还原能力，基于溶液处理掺杂工艺，成功实现了苯基-C70-丁酸甲酯的双加合物（Bis-PCBM）的高效n型掺杂。并提供了n型掺杂电子传输层TiO2层构成双层结构电子传输层的钙钛矿电池的制备方法，DMC掺杂提供了一系列调整能级的作用，改善了Bi-PCBM薄膜的电子迁移率和提高薄膜电导率，从而在阴极侧提供了有效的电子提取。Bis-PCBM：DMC复合膜也呈现稳定的三维框架，具有良好的耐溶剂性，可延缓钙钛矿层的降解过程。另外，DMC掺杂的Bis-PCBM薄膜表现出光滑的形态，这有利于随后的钙钛矿薄膜的沉积和生长。已开发的新型ETL展示了制造高效稳定的平面钙钛矿太阳能电池的潜在商业应用。此外，该发现还提供了使用DMC-类似金属茂实现富勒烯的n型掺杂的新途径。
技术实现思路
要解决的技术问题：针对现有的钙钛矿稳定性差的缺点，一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法，利用DMC的强还原能力，基于溶液处理掺杂工艺，成功实现了Bis-PCBM的高效n型掺杂，改善了BiS-PCBM薄膜的电子迁移率和提高薄膜电导率，在阴极侧提供了有效的电子提取，并且减少了器件内部缺陷，抑制了钙钛矿的分解，制备了高效且稳定的钙钛矿太阳能电池。技术方案：一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：（1）FTO透明导电玻璃基片清洗和TiO2薄膜制备：将FTO透明导电玻璃基片用去离子水、丙酮、乙醇反复超声清洗3次，然后在100℃下干燥至完全去除溶剂和水分，将处理后的FTO透明导电玻璃基片用紫外灯和臭氧处理25min，再把处理后的FTO透明导电玻璃基片沉积上电子传输层TiO2，放入100℃烘箱中备用；（2）Bis-PCBM和DMC复合膜制备：将5mgBis-PCBM溶解在2-8mL氯苯中，搅拌4h得Bis-PCBM溶液，再将掺杂剂DMC溶解于乙醇中制备成前驱体溶液，浓度为0.2-0.8mg/mL，将前驱体溶液掺杂在Bis-PCBM溶液中；（3）旋涂于已沉积上电子传输层TiO2的FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min；（4）钙钛矿薄膜的制备：将180mg碘化甲铵、553mg碘化铅溶于1mL二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶液中，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7，搅拌5h，得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（3）中FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min；（5）2,2',7'-四-（N,N-二-对-甲氧基苯基胺）-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）薄膜制备：将90mgSpiro-OMeTAD溶于1mL氯苯中，搅拌3h得Spiro-OMeTAD溶液，旋涂于步骤（4）中FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s，即得均匀的空穴传输层；（6）MoO3和Ag电极制备：采用蒸镀方法在Spiro-OMeTAD薄膜上蒸镀MoO3和Ag电极。进一步优选的，步骤（1）中TiO2的沉积方法为4.5mL四氯化钛溶液加入200mL超纯水中，70℃下沉积反应1h。进一步优选的，步骤（2）中前驱体溶液和Bis-PCBM溶液的体积比为0.05%-1.0%。进一步优选的，步骤（6）中MoO3厚度为10nm，Ag电极厚度为100nm。本专利技术所述的方法所制备的钙钛矿电池。本专利技术所述的钙钛矿电池的器件结构为：FTO/TiO2/Bis-PCBM:DMC/钙钛矿薄膜/Spiro-OMeTAD/MoO3/Ag。有益效果：本专利技术的一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法，具有以下优势：（1）通过一种新的溶液处理的方法实现了富勒烯的n型掺杂；（2）DMC的掺杂能调节Bis-PCBM薄膜的能级，提高薄膜电子迁移率和电导率，进而提高器件短路电流，促进器件光电转换效率的提高；（3）使用DMC掺杂Bis-PCBM后，薄膜表面更加光滑，可作为后续钙钛矿层沉积和生长的良好衬底，使钙钛矿薄膜结晶更加均匀致密；（4）Bis-PCBM/DMC复合膜也呈现稳定的三维框架，具有良好的耐溶剂性，可以减缓钙钛矿层的降解过程，提高器件的稳定性；（5）将Bis-PCBM：DMC复合膜加工在TiO2层上后，能够钝化TiO2表面，减少钙钛矿太阳能电池内部缺陷，有效改善器件的迟滞现象；（6）方法新颖，制作工艺简单便捷，制备难度低，器件性能稳定。附图说明图1为本专利技术钙钛矿电池的结构示意图。图2中图a为TiO2膜的原子力显微镜图像；图b为旋涂在TiO2膜上的Bis-PCBM膜的原子力显微镜图像；图c为旋涂在TiO2膜上的Bis-PCBM:DMC（掺杂度为0.1wt%）复合膜的原子力显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1） FTO透明导电玻璃基片清洗和TiO2薄膜制备：将FTO透明导电玻璃基片用去离子水、丙酮、乙醇反复超声清洗3次，然后在100℃下干燥至完全去除溶剂和水分，将处理后的FTO透明导电玻璃基片用紫外灯和臭氧处理25 min，再把处理后的FTO透明导电玻璃基片沉积上电子传输层TiO2，放入100℃烘箱中备用；（2） Bis‑PCBM和DMC复合膜制备：将5mg Bis‑PCBM溶解在2‑8mL氯苯中，搅拌4h得Bis‑PCBM溶液，再将掺杂剂DMC溶解于乙醇中制备成前驱体溶液，浓度为0.2‑0.8mg/mL，将前驱体溶液掺杂在Bis‑PCBM溶液中；（3） 旋涂于已沉积上电子传输层TiO2的FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min；（4） 钙钛矿薄膜的制备：将180mg碘化甲铵、553mg碘化铅溶于1mL 二甲基亚砜和γ‑丁内酯的混合溶液中，二甲基亚砜和γ‑丁内酯的体积比为3:7，搅拌5h，得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（3）中FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000 r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯作为反溶剂，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min；（5） Spiro‑OMeTAD薄膜制备：将90mgSpiro‑OMeTAD溶于1mL氯苯中，搅拌3h得Spiro‑OMeTAD溶液，旋涂于步骤（4）中FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度为4000 r/min，旋涂时间为40s，即得均匀的空穴传输层；（6） MoO3和Ag电极制备：采用蒸镀方法在Spiro‑OMeTAD薄膜上蒸镀MoO3和Ag电极。...

【技术特征摘要】
1.一种n型掺杂电子传输层和TiO2层的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）FTO透明导电玻璃基片清洗和TiO2薄膜制备：将FTO透明导电玻璃基片用去离子水、丙酮、乙醇反复超声清洗3次，然后在100℃下干燥至完全去除溶剂和水分，将处理后的FTO透明导电玻璃基片用紫外灯和臭氧处理25min，再把处理后的FTO透明导电玻璃基片沉积上电子传输层TiO2，放入100℃烘箱中备用；（2）Bis-PCBM和DMC复合膜制备：将5mgBis-PCBM溶解在2-8mL氯苯中，搅拌4h得Bis-PCBM溶液，再将掺杂剂DMC溶解于乙醇中制备成前驱体溶液，浓度为0.2-0.8mg/mL，将前驱体溶液掺杂在Bis-PCBM溶液中；（3）旋涂于已沉积上电子传输层TiO2的FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s，旋涂后进行退火处理，退火温度为100℃，时间为10min；（4）钙钛矿薄膜的制备：将180mg碘化甲铵、553mg碘化铅溶于1mL二甲基亚砜和γ-丁内酯的混合溶液中，二甲基亚砜和γ-丁内酯的体积比为3:7，搅拌5h，得钙钛矿溶液，旋涂于步骤（3）中FTO透明导电玻璃基片上，旋涂速度分别为低速2000r/min，时间20s，高速4000r/min，时间40s，在高速阶段的第20s滴加氯苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王照奎，廖良生，叶青青，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32