一种Cu掺杂Ga2-XInXO3固溶体纳米材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术的一种Cu掺杂Ga2‑

【技术实现步骤摘要】
一种Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及了一种无机金属氧化物纳米材料的合成方法，以及将其应用于钙钛矿太阳电池。

技术介绍

[0002]低成本、环境友好、绿色可持续的太阳能光伏技术在未来愈发重要。钙钛矿太阳能电池自2009年问世以来，光电转换效率从初始的3.8％迅速提升到了25.7％，表现出巨大的商业化潜力。钙钛矿太阳电池通常由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极组成。根据钙钛矿太阳电池结构的不同可以分为正置结构和倒置结构。
[0003]正置结构为nip型结构。目前高效率的正置结构型钙钛矿太阳电池通常使用有机空穴传输材料Spiro
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OMeTAD，但这种有机空穴传输材料的空穴迁移率较差。常使用Li
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TFSI和4
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叔丁基吡啶作为添加剂改善Spiro
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OMeTAD的空穴迁移能力。但这类添加剂在高温、高湿度条件下，容易破坏钙钛矿吸光层，加速器件的性能衰减。此外，这类有机空穴传输材料的成本较高，不利于钙钛矿太阳电池的商业化推广。无机空穴传输材料具有制备工艺简单，成本低，材料稳定好等优点。但钙钛矿吸光材料不耐极性溶剂、氧气、高温的特点限制了在其上方的空穴传输材料的沉积条件，继而限制了许多无机空穴传输材料的使用。倒置结构是在钙钛矿太阳电池中使用无机空穴传输材料一个好的解决方案。倒置结构为pin型结构。由于空穴传输层直接沉积在透明导电玻璃上方，从而不需要考虑空穴传输层的沉积条件对钙钛矿吸光层的影响。此外，透明导电玻璃的耐热温度通常可以达到400～500℃，这极大的拓展了空穴传输材料的选取范围。目前在倒置结构钙钛矿太阳电池中，研究者们已经探索并研究了多种无机空穴传输材料。在倒置结构钙钛矿太阳电池中，最常用的无机空穴传输材料为纳米NiO
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。但NiO
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材料的电子迁移率较低，在其上沉积的钙钛矿吸光层薄膜结晶性不好，并且与钙钛矿吸光层材料的能带排列仍待优化。除了NiO
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材料外，一些其它的金属氧化物同样合适作为空穴传输材料。
[0004]Ga2O3是一种新兴的超宽带隙半导体材料，广泛应用于紫外线探测器和电子传感器。这类材料可以在紫外波长区域保持显著的透明度，十分适合作为光电器件的窗口层材料。但由于镓类金属氧化物材料的价带位置与钙钛矿吸光材料的价带位置存在较大的不匹配，这类材料难以作为空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中使用。据报道，通过将Cu掺杂入Ga2O3，可以产生与钙钛矿吸光材料价带相匹配的杂质能级，从而提供了除Ga2O3价带以外的额外空穴传导通道。基于Cu掺杂Ga2O3材料作为空穴传输层的钙钛矿太阳电池光电转换效率已经达到19.5％，但相比于其它无机金属氧化物光电转换效率仍然存在不足。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种新型镓类金属氧化物材料，并将其作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳电池，进一步提高了基于镓类金属氧化物为空穴传输材料的钙钛矿太阳电池的光电转换效率。
[0006]本专利技术的第一目的在于提供一种Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的制备方法。本专利技术的第二目的在于将Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料作为空穴传输材料应用于倒置结构的钙钛矿太阳电池。
[0007]本专利技术采取的技术方案如下：
[0008]一种Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)用去离子水配置浓度为0.05g/mL的聚醚P123溶液；
[0010]2)用去离子水配置浓度为0.028g/mL的氢氧化钾溶液；
[0011]3)将反应物硝酸镓、硝酸铟、硝酸铜混合放入烧杯，并加入步骤1)配置好的聚醚P123溶液，搅拌形成均匀混合溶液；其中，每1mmol硝酸镓使用3.42mL聚醚P123溶液，按摩尔比，硝酸镓:硝酸铟:硝酸铜＝1:(0.111～0.667):(0.034～0.051)，优选1:0.25:0.038；
[0012]4)在搅拌条件下，向步骤3)得到的溶液缓慢加入乙二醇，继续搅拌形成均匀混合溶液；每1mmol硝酸镓使用2.92mL乙二醇；
[0013]5)在搅拌条件下，向步骤4)得到的溶液缓慢加入步骤2)配置好的氢氧化钾溶液，继续搅拌形成均匀混合溶液；每1mmol硝酸镓使用6.25mL氢氧化钾溶液；
[0014]6)搅拌结束后，将步骤5)得到的均匀混合溶液转移至反应釜，210摄氏度加热50分钟；
[0015]7)待步骤6)中的水热反应结束且反应釜冷却后，依次用水、氨水、异丙醇清洗反应产物，离心去除上清液，得到Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米颗粒。
[0016]一种Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的应用，是以所述固溶体纳米材料作为空穴传输层，制备钙钛矿太阳电池，包括以下步骤：
[0017]1)清洗导电玻璃基底，将FTO依次在去离子水、异丙醇、无水乙醇中超声清洗15分钟，再紫外臭氧处理15分钟，所述FTO为掺杂氟的SnO2导电玻璃；
[0018]2)制备空穴传输层，先将Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米颗粒分散在体积比为1:1的二甲基亚砜和异丙醇混合溶剂中，再旋涂在步骤1)处理好的FTO上，旋涂参数设置为6000rpm，60s，100℃退火后得到空穴传输层，旋涂和退火过程重复三次，以达到合适厚度；
[0019]3)制备钙钛矿层，将反应物溴甲胺，溴化铅，碘化铯，碘甲脒，碘化铅按摩尔比例1:1.9:2.3:10:11.4混合,溶于体积比为1:4的二甲基亚砜和二甲基甲酰胺混合溶剂中(每1摩尔溴甲胺使用9.2mL二甲基亚砜和二甲基甲酰胺混合溶剂)，再加入总溶液体积比1％的丙烯酸羟乙酯制备成钙钛矿前驱液，将钙钛矿前驱溶液用两步旋涂法旋涂在空穴传输层上，第一步旋涂参数设置为500rpm，5s，第二步旋涂参数设置为5000rpm，45s，第二步旋涂结束前30s时滴加氯苯反溶剂，旋涂结束后，100℃退火10分钟，得到钙钛矿层；
[0020]4)制备界面钝化层，用异丙醇配置浓度为1mg/mL的苯乙基碘化胺溶液，旋涂在钙钛矿层上，100℃退火10分钟，得到界面钝化层；
[0021]5)制备电子传输层，用氯苯配置浓度为20mg/mL的[6,6]‑
苯基C61丁酸甲酯溶液，旋涂在界面钝化层上，自然干燥后，再使用蒸发镀膜机蒸镀一层8nm厚的浴铜灵，得到电子传输层；
[0022]6)制备电极，使用蒸发镀膜机在电子传输层表面蒸镀一层厚度80nm的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的制备方法，包括以下步骤：1)用去离子水配置浓度为0.05g/mL的聚醚P123溶液；2)用去离子水配置浓度为0.028g/mL的氢氧化钾溶液；3)将反应物硝酸镓、硝酸铟、硝酸铜混合放入烧杯，并加入步骤1)配置好的聚醚P123溶液，搅拌形成均匀混合溶液；其中，每1mmol硝酸镓使用3.42mL聚醚P123溶液，按摩尔比，硝酸镓:硝酸铟:硝酸铜＝1:(0.111～0.667):(0.034～0.051)；4)在搅拌条件下，向步骤3)得到的溶液缓慢加入乙二醇，继续搅拌形成均匀混合溶液；每1mmol硝酸镓使用2.92mL乙二醇；5)在搅拌条件下，向步骤4)得到的溶液缓慢加入步骤2)配置好的氢氧化钾溶液，继续搅拌形成均匀混合溶液；每1mmol硝酸镓使用6.25mL氢氧化钾溶液；6)搅拌结束后，将步骤5)得到的均匀混合溶液转移至反应釜，210摄氏度加热50分钟；7)待步骤6)中的水热反应结束且反应釜冷却后，依次用水、氨水、异丙醇清洗反应产物，离心去除上清液，得到Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的一种Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，按摩尔比，硝酸镓:硝酸铟:硝酸铜＝1:0.25:0.038。3.一种权利要求1所述的Cu掺杂Ga2‑
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O3固溶体纳米材料的应用，是以所述固溶体纳米材料作为空穴传输层，制备钙钛矿太阳电池，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘喜哲，张洁静，杨清云，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：