一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法。钙钛矿光太阳电池在制备过程中，通过优化溶剂配比，首次选用N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、γ‑丁内酯(GBL)三元混合溶剂配制钙钛矿前驱液，相较于以往的二元混合溶剂，极大地提升了钙钛矿薄膜的结晶质量，三个溶剂在该比值下制得的钙钛矿吸收层增大了晶粒尺寸，减少了晶界处缺陷所带来的载流子复合损失，使得载流子寿命得到增加，最终提升了钙钛矿太阳电池器件的光电转化效率，改善了器件的串并联电阻。

A preparation method of perovskite solar cells with ternary mixed solvents

The invention discloses a preparation method of a perovskite solar cell with ternary mixed solvent. In the preparation of perovskite photovoltaic cells, the ternary mixed solvents of N, N dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), gamma butyrolactone (GBL) were selected for the first time to prepare perovskite precursor solution by optimizing the solvent ratio. Compared with the binary mixed solvents in the past, the crystallization quality of perovskite films was greatly improved. Perovskite absorption layer was prepared by the three solvents at this ratio. The grain size is increased, the carrier recombination loss caused by defects at grain boundary is reduced, and the carrier lifetime is increased. Finally, the photoelectric conversion efficiency of perovskite solar cell devices is improved, and the series-parallel resistance of devices is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法
本专利技术属于太阳能光伏
，具体为一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法。
技术介绍
近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳电池因其卓越的光电性能受到广泛关注，钙钛矿电池的研究不断发展，然而传统二元混合溶剂低温制备的多晶钙钛矿薄膜，晶粒尺寸小，晶界处存在的大量缺陷会引起严重的载流子复合，影响电池器件的光电转化效率。因此需要一种制备方法，能够制备出高质量大晶粒的钙钛矿薄膜以提升钙钛矿太阳能电池效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，使用γ-丁内酯(GBL)、二甲基亚砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂配制钙钛矿前驱液，通过调控三者比例得到最佳的溶剂配方，制备出高质量的钙钛矿薄膜，进而得到高效稳定的钙钛矿太阳电池。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，包括以下步骤：S1、以碘化铅、甲脒基碘和碘化铯为溶质，以γ-丁内酯、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺为三元混合溶剂制备混合溶液；其中γ-丁内酯、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为：(0-1)：(0.4～1)：(0～4)；将混合溶液搅拌均匀并过滤得到钙钛矿前驱液；S2、清洗并干燥FTO玻璃基底；S3、在FTO玻璃基底上留出蒸镀电极正极位置，固定在器皿内，在FTO玻璃基底上制备TiO2电子传输层；S4、将钙钛矿前驱液涂布在TiO2电子传输层上，制得钙钛矿吸收层；S5、在钙钛矿吸收层上制备Spiro-OMeTAD空穴传输层；S6、在Spiro-OMeTAD空穴传输层和FTO玻璃基底上蒸镀电极，制得三元混合溶剂钙钛矿太阳电池。本专利技术的进一步改进在于：优选的，步骤S1中，溶质碘化铅、甲脒基碘和碘化铯的摩尔比为1：(0.85～1)：(0～0.15)；将溶质按照1.1～1.3mol/L的浓度溶解在三元混合溶剂中；混合溶液搅拌温度为55～65℃。优选的，步骤S2中，分别以丙酮、异丙醇、乙醇和超纯水作为清洗液超声清洗FTO玻璃基底，每类清洗液清洗时间>20min；FTO玻璃基底清洗后，用氮气吹干备用。优选的，步骤S3中，紫外臭氧处理FTO玻璃基底10～15min后留出蒸镀电极正极位置；制备TiO2电子传输层的具体步骤为：将稀释后的TiCl4淹没FTO玻璃基底后恒温反应，在FTO玻璃基底上沉积出TiO2电子传输层。优选的，稀释TiCl4时，TiCl4溶液温度保持为0℃，稀释至TiCl4和水的体积比为(0.02～0.0225)：1；恒温反应温度为65～75℃，反应时间为50～60min。优选的，步骤S4中，制备钙钛矿传输层具体步骤为：清洗涂布有TiO2电子传输层的FTO玻璃基底后进行第一次退火处理和紫外臭氧处理，移取钙钛矿前驱液通过旋涂法均匀涂布在TiO2电子传输层上，钙钛矿前驱液用量与TiO2电子传输层面积的关系为9.6～11μL/cm2；旋涂后进行第二次退火处理并冷却，制得钙钛矿吸收层。优选的，步骤S4中，第一次退火处理温度为180～200℃，时间20～30min；紫外臭氧处理时间为5～10min；旋涂工艺分为两个阶段，依次为1000～2000rmp，5～15s和3500～4500rpm，35～45s；在距离第二阶段结束剩于20～25s时，滴加100～150μL氯苯在钙钛矿前驱液表面；第二次退火处理温度为100～160℃，时间为10～60min；退火后冷却至室温。优选的，步骤S5中，将Spiro-OMeTAD溶液通过旋涂工艺涂布在钙钛矿吸收层，Spiro-OMeTAD溶液用量与钙钛矿薄膜面积关系为8～9.6μL/cm2，旋涂工艺分为两个阶段：2000～4000rmp，0s和5000～6000rpm，25～50s；旋涂后避光干燥保存5～6h，制得Spiro-OMeTAD空穴传输层。优选的，步骤S5中，Spiro-OMeTAD溶液的制备过程为：将Spiro-OMeTAD的氯苯溶液、Li-TFSI溶液和tBP按照体积比500:(8～14):(15～21)混合，制得混合溶液，其中Spiro-OMeTAD的氯苯溶液的浓度为0.45～0.90mg/mL，Li-TFSL的浓度为170～520mg/mL；将混合溶液常温避光搅拌5～6h，过滤后得到Spiro-OMeTAD溶液。优选的，步骤S6中，在蒸发舱室内蒸镀厚度为100～120nm的Au电极。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的钙钛矿光太阳电池在制备过程中，通过优化溶剂配比，首次选用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、γ-丁内酯(GBL)三元混合溶剂配制钙钛矿前驱液，相较于以往的二元混合溶剂，极大地提升了钙钛矿薄膜的结晶质量，三个溶剂在该比值下制得的钙钛矿吸收层有着较大的晶粒尺寸，减少了晶界处缺陷所带来的载流子复合损失，使得载流子寿命得到增加，最终提升了钙钛矿太阳电池器件的光电转化效率，改善了器件的串并联电阻；(2)制备过程中，通过多个清洗液清洗基底玻璃，能够有效去除基底玻璃表面的有机污渍；通过紫外臭氧处理FTO玻璃基板及包括不同层的玻璃基板，提高基板表面润湿性，使前驱液能够更好的平铺在玻璃基板上；在制备TiO2电子传输层过程中，将TiCl4溶液逐滴加入至水中，保证加入过程中混合溶液的温度始终为0℃，为下一步通过温度精准控制薄膜厚度做准备；在制备钙钛矿吸收层和Spiro-OMeTAD空穴传输层过程中将旋涂工艺分为不同的阶段，每个阶段的转速与时间不同，通过该工艺涂布出的薄膜，表面平整性好，厚度均匀；在制备Spiro-OMeTAD空穴传输层过程中使用Li-TFSI和tBP且按比例混合能够增加空穴层的空穴传输率；通过控制钙钛矿前驱液中主要成分的比例，精细控制制备过程参数，使得上述方法制备出的钙钛矿太阳能电池最高获得19.85％的光电转化效率。其优异的光电性能及器件效率将有助于推动钙钛矿太阳电池走向商业应用。【附图说明】图1为本专利技术实施例1中所述方法与传统二元混合溶剂(GBL:DMSO＝7:3)制备的钙钛矿太阳电池光电转化效率对比图。图2为本专利技术实施例1中所述方法与传统二元混合溶剂制备的钙钛矿太阳电池外量子效率对比图。图3为本专利技术实施例1中所述方法与传统二元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜扫描电子显微镜(SEM)对比图；图3(a)为传统二元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜的平面扫描电镜图；图3(b)为三元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜的平面扫描电镜图；图3(c)为传统二元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜的截面扫描电镜图；图3(d)为三元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜的截面扫描电镜图。图4为本专利技术实施例1中所述方法与传统二元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜紫外吸收对比图。图5为本专利技术实施例1中所述方法与传统二元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜稳态荧光对比图。图6为本专利技术实施例1中所述方法与传统二元混合溶剂制备的钙钛矿薄膜荧光寿命对比图。【具体实施方式】下面结合具体的实施例及附图对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术公开了一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，具体包括以下步骤：S1、制备钙钛矿前驱液(1)制备溶质，称取混合溶质碘化铅(PbI2)、甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以碘化铅、甲脒基碘和碘化铯为溶质，以γ‑丁内酯、二甲基亚砜和N,N‑二甲基甲酰胺为三元混合溶剂制备混合溶液；其中γ‑丁内酯、二甲基亚砜和N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为：(0‑1)：(0.4～1)：(0～4)；将混合溶液搅拌均匀并过滤得到钙钛矿前驱液；S2、清洗并干燥FTO玻璃基底；S3、在FTO玻璃基底上留出蒸镀电极正极位置，固定在器皿内，在FTO玻璃基底上制备TiO2电子传输层；S4、将钙钛矿前驱液涂布在TiO2电子传输层上，制得钙钛矿吸收层；S5、在钙钛矿吸收层上制备Spiro‑OMeTAD空穴传输层；S6、在Spiro‑OMeTAD空穴传输层和FTO玻璃基底上蒸镀电极，制得三元混合溶剂钙钛矿太阳电池。

【技术特征摘要】
1.一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以碘化铅、甲脒基碘和碘化铯为溶质，以γ-丁内酯、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺为三元混合溶剂制备混合溶液；其中γ-丁内酯、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为：(0-1)：(0.4～1)：(0～4)；将混合溶液搅拌均匀并过滤得到钙钛矿前驱液；S2、清洗并干燥FTO玻璃基底；S3、在FTO玻璃基底上留出蒸镀电极正极位置，固定在器皿内，在FTO玻璃基底上制备TiO2电子传输层；S4、将钙钛矿前驱液涂布在TiO2电子传输层上，制得钙钛矿吸收层；S5、在钙钛矿吸收层上制备Spiro-OMeTAD空穴传输层；S6、在Spiro-OMeTAD空穴传输层和FTO玻璃基底上蒸镀电极，制得三元混合溶剂钙钛矿太阳电池。2.根据权利要求1所述的一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S1中，溶质碘化铅、甲脒基碘和碘化铯的摩尔比为1：(0.85～1)：(0～0.15)；将溶质按照1.1～1.3mol/L的浓度溶解在三元混合溶剂中；混合溶液搅拌温度为55～65℃。3.根据权利要求1所述的一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S2中，分别以丙酮、异丙醇、乙醇和超纯水作为清洗液超声清洗FTO玻璃基底，每类清洗液清洗时间>20min；FTO玻璃基底清洗后，用氮气吹干备用。4.根据权利要求1所述的一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S3中，紫外臭氧处理FTO玻璃基底10～15min后留出蒸镀电极正极位置；制备TiO2电子传输层的具体步骤为：将稀释后的TiCl4淹没FTO玻璃基底后恒温反应，在FTO玻璃基底上沉积出TiO2电子传输层。5.根据权利要求4所述的一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于，稀释TiCl4时，TiCl4溶液温度保持为0℃，稀释至TiCl4和水的体积比为(0.02～0.0225)：1；恒温反应温度为65～75℃，反应时间为50～60min。6.根据权利要求1所述的一种三元混合溶剂的钙钛矿太阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵奎，牛天启，陆静，刘生忠，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61