SnO2团簇胶体、SnO2团簇电子传输层及制备方法与在钙钛矿太阳能电池中的应用技术

本发明专利技术公开SnO2团簇胶体、SnO2团簇电子传输层及制备方法与在钙钛矿太阳能电池中的应用。该SnO2团簇胶体的制备，包括：将碘、丙酮、低元醇、锡盐混合，滴加水，搅拌，得到SnO2团簇胶体。该SnO2团簇电子传输层是将SnO2团簇胶体溶液沉积在导电基底上并在退火所得。本发明专利技术的SnO2团簇粒子均匀、稳定，粒径可低至1.5nm。将本发明专利技术制的SnO2团簇电子传输层应用于钙钛矿太阳能电池时，刚性平面结构电池可获得超过21％的光电转化效率，柔性平面结构电池可获得超过18％的光电转化效率。本发明专利技术为低温、柔性太阳能电池的大面积、快速制备打下了坚实的基础，同时在光电器件、传感器等其它领域亦具有广阔的应用前景。广阔的应用前景。广阔的应用前景。

SnO2 cluster colloid, SnO2 cluster electron transport layer, preparation method and application in perovskite solar cells

【技术实现步骤摘要】
SnO2团簇胶体、SnO2团簇电子传输层及制备方法与在钙钛矿太阳能电池中的应用


[0001]本专利技术属于光电子材料与器件领域，具体涉及一种SnO2团簇胶体、SnO2团簇电子传输层及制备方法与在钙钛矿太阳能电池中的应用。

技术介绍

[0002]能源是人类社会生存和发展不可或缺的重要物质基础。但是传统化石燃料如石油、天然气、煤等是不可持续能源，消耗很快，且它们是导致全球气候变化、有害气体排放和环境恶化的主要因素。因此，大力发展可再生能源成了当今世界关注的焦点。太阳能是地球上储存最丰富的可再生能源，太阳能电池通过光伏效应将光能转化为电能，供生产生活需要。钙钛矿太阳能电池是近年来研究进展最为迅速的一种光伏技术，其制备工艺简单，成本较低，能量转化效率高，具有很大的应用前景。
[0003]卤化物钙钛矿吸光材料具有双极性，可以分离并传输电子和空穴，但是其电子和空穴的传输不平衡，传输空穴比传输电子更高效，因此必须引入优异的电子传输层来补偿电子传输。常用的电子传输层材料为TiO2，但其电子迁移率低，制备温度高，不利于电池的低成本、快速制备，以及柔性器件的发展；此外，TiO2具有光催化活性，在紫外光下催化钙钛矿的分解，造成器件的不稳定。 SnO2是一种性能优异的电子传输材料，其电子迁移率比TiO2高两个数量级，且可低温制备。基于SnO2电子传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率高，且稳定性也有所提高。
[0004]通过合成SnO2胶体进而制备SnO2电子传输层是最常用的方法。直接将 SnCl2或SnCl4等锡盐在去离子水中进行水解可得SnO2纳米粒子。但是这种水解可控性差，所得的SnO2粒径分散性大，易聚集，胶体溶液不稳定；导致所制备的SnO2电子传输层及太阳能电池的重复性差。Yang等通过加入硫脲或其它有机物作为分散剂和稳定剂，可制得粒径在3
‑
5nm左右的稳定SnO2量子点胶体溶液(Adv.Mater.2018,30,1706023)，但是有机物添加剂会阻碍电子的快速传输，需要较高温度退火来去除，高温过程能耗高且不适合于低温制备要求。更为重要的是，5nm及更大尺寸的SnO2纳米粒子在粗糙的ITO(或FTO)表面无法形成致密堆积，不利于高效阻隔光生空穴。因此，专利技术一种工艺流程简单、可低温制备、成本低、重复性高的新方法，以获得亚纳米级、稳定、无难挥发有机添加剂的SnO2粒子胶体溶液，进而制备性能优异的SnO2电子传输层和高效平面钙钛矿太阳能电池是十分必要的。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种SnO2团簇胶体、 SnO2团簇电子传输层及制备方法与在钙钛矿太阳能电池中的应用。
[0006]本专利技术所要解决的问题是提供一种室温制备、粒径小、稳定性及重复性好的SnO2团簇胶体和基于SnO2团簇电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
[0007]本专利技术在室温条件下合成稳定的SnO2团簇胶体溶液，该SnO2团簇粒径可低至1
‑
1.5nm；使用该SnO2团簇通过低温退火工艺制备高质量的超薄电子传输层，进而获得了具有高重复性能、高光电转化效率的平面结构钙钛矿太阳能电池(效率超过21％)。同时，这种SnO2团簇具有优异的低温溶液加工性能，适合于制备高效率的柔性钙钛矿太阳能电池(光电转化效率高达18.1％)和大面积钙钛矿太阳能电池(1cm2的电池光电转化效率达19.7％)。
[0008]所述SnO2团簇是SnBr4等锡盐溶解在碘、丙酮、水、乙醇混合溶液中可控水解所得；所述的电子传输层是SnO2团簇胶体溶液加工后在80
‑
180℃下退火所得；所述的钙钛矿太阳能电池包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。
[0009]所述的透明导电衬底为FTO、ITO导电玻璃或ITO/PEN柔性基底。
[0010]所述钙钛矿吸光层为FA
x
MA1‑
x
PbI3。
[0011]优选地，所述的空穴传输层为68mM的2，2
’
，7，7
’‑
四[N，N
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]‑
9，9
’‑
螺二芴，26mM的双三氟甲基磺酸亚酰胺锂和55mM的 4
‑
叔丁基吡啶的混合溶液经旋涂所得，所用的溶剂是体积比为10：1的氯苯和乙腈的混合物。
[0012]所述的金属电极为金电极。
[0013]本专利技术提供的SnO2团簇电子传输层是溶液法制备的SnO2团簇溶胶成膜后经80
‑
180℃退火所得的。
[0014]本专利技术提供的SnO2团簇胶体的制备方法，包括如下步骤：
[0015](1)将碘和丙酮溶解在低元醇中，混合均匀，得到混合溶液(黄色澄清的混合溶液)；
[0016](2)于封口瓶中将锡盐与步骤(1)所述混合溶液混合均匀(优选搅拌15 分钟)，得到锡盐的醇溶液；
[0017](3)在0
‑
15℃的条件下往步骤(2)所述锡盐的醇溶液中滴加水，搅拌处理，得到SnO2团簇胶体(淡黄色澄清的胶体溶液)。
[0018]进一步地，步骤(1)所述碘在混合溶液中的浓度为0.2
‑
4mmol/L；所述丙酮与低元醇的体积比为100
‑
1500μL：50mL；所述所述低元醇为乙醇、异丙醇、甲醇中的一种以上；步骤(2)所述锡盐在所述混合溶液中的浓度为5
‑
100 mmol/L；所述锡盐为SnBr4、SnCl4、SnCl2中的一种以上。
[0019]优选地，步骤(1)所述碘在混合溶液中的浓度为0.4mmol/L。
[0020]优选地，步骤(1)所述丙酮与低元醇的体积比为800μL：50mL。
[0021]优选地，步骤(2)所述锡盐在所述混合溶液的浓度为22mmol/L。
[0022]优选地，步骤(2)所述锡盐选用SnBr4。
[0023]进一步地，步骤(3)中，往锡盐的醇溶液中滴加水时，锡盐的醇溶液置于冰水浴中；步骤(3)所述水与锡盐的醇溶液的体积比为50
‑
1000μL：10mL；所述搅拌处理的时间为2
‑
12h。
[0024]优选地，步骤(3)所述水与锡盐的醇溶液的体积比为400μL：10mL。
[0025]优选地，步骤(3)所述搅拌处理的时间为12h。
[0026]步骤(3)所述SnO2团簇溶液是SnBr4等锡盐在丙酮、碘、无水乙醇的混合溶液中加去离子水可控水解所得到的。
[0027]本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的SnO2团簇胶体。
[0028]本专利技术提供的SnO2团簇电子传输层的制备方法，包括如下步骤：
[0029]采用匀胶机将所述SnO2团簇胶体旋涂在基底上，升温进行退火处理，得到所述SnO2团簇电子传输层。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SnO2团簇胶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将碘和丙酮溶解在低元醇中，混合均匀，得到混合溶液；(2)将锡盐与步骤(1)所述混合溶液混合均匀，得到锡盐的醇溶液；(3)在0
‑
15℃的条件下往步骤(2)所述锡盐的醇溶液中滴加水，搅拌处理，得到SnO2团簇胶体。2.根据权利要求1所述的SnO2团簇胶体的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碘在混合溶液中的浓度为0.2
‑
4mmol/L；步骤(1)所述低元醇为乙醇、异丙醇、甲醇中的一种以上；所述丙酮与低元醇的体积比为100
‑
1500μL：50mL；步骤(2)所述锡盐所述锡盐与所述混合溶液的摩尔体积比为5
‑
100：1mmol/L；所述锡盐为SnBr4、SnCl4、SnCl2中的一种以上。3.根据权利要求1所述的SnO2团簇胶体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，往锡盐的醇溶液中滴加水时，锡盐的醇溶液置于冰水浴中；步骤(3)所述水与锡盐的醇溶液的体积比为50
‑
1000μL：10mL；所述搅拌处理的时间为2
‑
12h。4.一种由权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法制得的SnO2团簇胶体。5.一种SnO2团簇电子传输层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述SnO2团簇胶体旋涂在基底上，升温进行退火处理，得到所述SnO2团簇电子传输层。6.根据权利要求5所述的SnO2团簇电子传输层的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为80
‑
180℃，退火处理的时间为15
‑
60分钟。7.一种由权利要求5
‑
6任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅年庆，黄淑敏，李培育，张果戈，杜军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：