一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。依次由ITO导电玻璃衬底/水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层/钙钛矿活性层/醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层/BCP空穴阻挡层/Ag阳极组成。本发明专利技术将水溶性碳量子点掺杂进入PEDOT:PSS空穴传输层，利用碳量子点高的导电性与表面活性降低PEDOT与PSS之间库伦作用力，提高其导电能力，平衡电池载流子传输。同时将醇溶性碳量子点掺杂进入PCBM电子传输层，利用其较小的尺寸渗透进入多晶钙钛矿间隙，钝化钙钛矿层晶界缺陷，提高载流子传输，进而提高钙钛矿电池性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
钙钛矿太阳能电池以其制造成本低和效率高等优点得到了世界各地学者的广泛研究，其中以PEDOT:PSS为空穴传输层，以PCBM为电子传输层的反型钙钛矿电池以其稳定的性能得到广泛应用，尽管PSS的加入一定程度上提高了PEDOT的导电能力，但是两者之间较大的库伦作用力影响薄膜特性，进而限制了器件电子传输性能。另一方面钙钛矿层制作过程中多晶材料之间晶粒间隙的存在使得离子传输造成光浸润现象，因此阻碍了电池中电荷传输，影响其性能提高。在本专利技术中通过简单水热方法分别合成低成本环保型水溶性与醇溶性碳量子点材料，并将其分别掺杂进入水溶性的PEDOT:PSS与醇溶的PCBM中，利用碳量子点高的导电性与表面活性掺杂PSDOT:PSS降低PEDOT与PSS之间库伦作用力，提高其导电能力，平衡电池载流子传输。同时将醇溶性碳量子点掺杂进入PCBM电子传输层，利用其较小的尺寸渗透进入多晶钙钛矿间隙，钝化钙钛矿层晶界缺陷，提高载流子传输，进而提高钙钛矿电池性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本专利技术所述的一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池，从下至上，依次由ITO导电玻璃衬底/水溶性碳量子点掺杂的聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)空穴传输层/钙钛矿活性层/醇溶性碳量子点掺杂的[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)电子传输层/浴铜灵(BCP)空穴阻挡层/Ag阳极组成。本专利技术通过简单水热方法分别合成低成本环保型水溶性与醇溶性碳量子点材料。将水溶性碳量子点掺杂进入PEDOT:PSS空穴传输层，利用碳量子点高的导电性与表面活性降低PEDOT与PSS之间库伦作用力，提高其导电能力，平衡电池载流子传输。同时将醇溶性碳量子点掺杂进入PCBM电子传输层，利用其较小的尺寸渗透进入多晶钙钛矿间隙，钝化钙钛矿层晶界缺陷，提高载流子传输，进而提高钙钛矿电池性能。其中，钙钛矿活性层的厚度为250～350nm，PEDOT:PSS空穴传输层厚度为20～30nm，PCBM电子传输层厚度为30～40nm，BCP空穴阻挡层厚度为5～8nm。碳量子点尺寸为5～9nm，Ag阳极的厚度为80～120nm。本专利技术所述的一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其步骤包括：1、碳量子点合成；2、水溶性碳量子点掺杂的PEDOT：PSS空穴传输层的制备；3、钙钛矿活性层的制备；4、醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层的制备；5、BCP层制备；6、Ag电极的制备等步骤。具体步骤如下：1)碳量子点的合成。a)水溶性碳量子点的合成将0.5～1.5g柠檬酸与0.5～1.5g硫脲(两者质量比为1：0.95～1.05)加入到5～15mL超纯水中，超声搅拌20～40min至形成透明澄清溶液，将溶液转移至反应釜，140～180℃水热条件下反应3～5h，自然冷却至室温；然后将产物加入到25～35mL无水乙醇中，在12000～16000r/min转速下离心10～20min；重复将所得沉淀物加入到无水乙醇中再离心操作步骤1～2次，最后将产物转入冷冻干燥器，在-80～-50℃下冷冻干燥45～50小时，得到水溶性碳量子点，量子点尺寸为5～9nm；b)醇溶性碳量子点的合成将0.5～1.5g柠檬酸与0.5～1.5g尿素(两者质量比为1：0.95～1.05)加入8～15mL超纯水中，超声搅拌20～40min至形成透明澄清溶液，油浴条件下冷凝回流150～170℃反应5～8h，自然冷却至室温，在10000～14000r/min转速下离心13～17min，然后将所得沉淀物加入到25～35mL去离子水中，在10000～14000r/min转速下离心13～17min；重复将所得沉淀物加入到去离子水中再离心操作步骤1～2次，而后将产物转入冷冻干燥器，-80～-50℃冷冻干燥45～50小时，再将干燥产物加入到25～35mL、浓度1mg/mL的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液中，搅拌4～8h后在50～70℃温度下旋转蒸发，产物在50～70℃条件下真空烘干1～3h得到醇溶性碳量子点，量子点尺寸为5～9nm；2)衬底的处理将ITO导电玻璃衬底分别用洗涤剂、丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗10～20分钟，清洗后用氮气吹干；3)空穴传输层的制备将2～5mg水溶性碳量子点加入到5～8mL的PEDOT:PSS溶液中(掺杂比例0.3～0.6mg/mL)，冰水浴条件下超声震荡25～35min，然后用0.22um过滤头过滤，得到水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS溶液；将清洗过后的ITO导电玻璃衬底在3000～5000rpm条件下旋涂水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS溶液40～60s，然后将ITO导电玻璃衬底在130～150℃条件下退火10～20min，从而在ITO导电玻璃衬底上制得水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层，厚度为20～30nm；4)钙钛矿活性层的制备a，活性层溶液的配制室温条件下，将450～500mg碘化铅(PdI2)与150～200mg甲基碘化胺(MAI)(摩尔比为1：1～1.4)溶于0.5～1.5mLDMF中，然后在400～600rpm的搅拌速度下搅拌10～14h，得到钙钛矿活性层溶液；b，活性层的制备在3000～5000rpm条件下，在水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂钙钛矿活性层溶液25～35s，在旋涂开始的第5～8s时向旋涂的钙钛矿活性层溶液上滴加300～700uL氯苯作为反溶剂，得到厚度为250～350nm钙钛矿活性层；5)PCBM电子传输层的制备室温条件下，将15～25mg的PCBM材料溶于0.5～1.5mL氯苯中，然后在400～600rpm的搅拌速度下搅拌1～3h；再将0.5～1.5mg醇溶性碳量子点溶于上述溶液，搅拌9～12h，得到醇溶性碳量子点掺杂的PCBM溶液(掺杂比例0.5～2mg/mL)；然后在3000～5000rpm条件下，在钙钛矿活性层上旋涂醇溶性碳量子点掺杂的PCBM溶液40～60s，得到厚度为30～40nm的醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层；6)BCP层空穴阻挡层的制备在压强为1×10-3～1×10-5Pa条件下，在醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层上蒸镀5～8nm厚的BCP，生长速率为7)Ag电极制备在压强为1×10-3～1×10-5Pa条件下，在BCP层上蒸镀Ag(国药集团化学试剂有限公司)电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备得到本专利技术所述的基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池。附图说明图1：本专利技术所述的基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；图2：本专利技术制备的基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池(反型结构)与传统未经碳点改性的钙钛矿太阳能电池(反型结构)的光电流曲线。如图1所示，1为玻璃，2为ITO导电薄膜，3为水溶性碳量子点掺杂的PE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其步骤如下：1)衬底的处理将ITO导电玻璃衬底分别用洗涤剂、丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗10～20分钟，清洗后用氮气吹干；2)空穴传输层的制备将2～5mg水溶性碳量子点加入到5～8mL的PEDOT:PSS溶液中，冰水浴条件下超声震荡25～35min，然后用0.22um过滤头过滤，得到水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS溶液；将清洗过后的ITO导电玻璃衬底在3000～5000rpm条件下旋涂水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS溶液40～60s，然后将ITO导电玻璃衬底在130～150℃条件下退火10～20min，从而在ITO导电玻璃衬底上制得水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层，厚度为20～30nm；3)钙钛矿活性层的制备在3000～5000rpm条件下，在水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂钙钛矿活性层溶液25～35s，在旋涂开始的第5～8s时向旋涂的钙钛矿活性层溶液上滴加300～700uL氯苯作为反溶剂，得到厚度为250～350nm钙钛矿活性层；4)PCBM电子传输层的制备室温条件下，将15～25mg的PCBM材料溶于0.5～1.5mL氯苯中，在400～600rpm的搅拌速度下搅拌1～3h；再将0.5～1.5mg醇溶性碳量子点溶于上述溶液，搅拌9～12h，得到醇溶性碳量子点掺杂的PCBM溶液；然后在3000～5000rpm条件下，在钙钛矿活性层上旋涂醇溶性碳量子点掺杂的PCBM溶液40～60s，得到厚度为30～40nm的醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层；5)BCP层空穴阻挡层的制备在压强为1×10...

【技术特征摘要】
1.一种基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其步骤如下：1)衬底的处理将ITO导电玻璃衬底分别用洗涤剂、丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗10～20分钟，清洗后用氮气吹干；2)空穴传输层的制备将2～5mg水溶性碳量子点加入到5～8mL的PEDOT:PSS溶液中，冰水浴条件下超声震荡25～35min，然后用0.22um过滤头过滤，得到水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS溶液；将清洗过后的ITO导电玻璃衬底在3000～5000rpm条件下旋涂水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS溶液40～60s，然后将ITO导电玻璃衬底在130～150℃条件下退火10～20min，从而在ITO导电玻璃衬底上制得水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层，厚度为20～30nm；3)钙钛矿活性层的制备在3000～5000rpm条件下，在水溶性碳量子点掺杂的PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂钙钛矿活性层溶液25～35s，在旋涂开始的第5～8s时向旋涂的钙钛矿活性层溶液上滴加300～700uL氯苯作为反溶剂，得到厚度为250～350nm钙钛矿活性层；4)PCBM电子传输层的制备室温条件下，将15～25mg的PCBM材料溶于0.5～1.5mL氯苯中，在400～600rpm的搅拌速度下搅拌1～3h；再将0.5～1.5mg醇溶性碳量子点溶于上述溶液，搅拌9～12h，得到醇溶性碳量子点掺杂的PCBM溶液；然后在3000～5000rpm条件下，在钙钛矿活性层上旋涂醇溶性碳量子点掺杂的PCBM溶液40～60s，得到厚度为30～40nm的醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层；5)BCP层空穴阻挡层的制备在压强为1×10-3～1×10-5Pa条件下，在醇溶性碳量子点掺杂的PCBM电子传输层上蒸镀5～8nm厚的BCP，生长速率为6)Ag电极制备在压强为1×10-3～1×10-5Pa条件下，在BCP层上蒸镀Ag电极，厚度为80～120nm，生长速度为进而制备得到基于水溶性和醇溶性碳量子点共同掺杂的钙钛矿太阳能电池。2.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文滨，李质奇，刘春雨，沈亮，张馨元，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22