一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术的一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的制备方法及应用属于纳米材料制备技术领域。将镧源材料和铜源材料混合，在搅拌条件下，依次加入聚醚P123溶液，加入乙二醇，加入氢氧化钾溶液，转移至反应釜，210摄氏度加热50min，冷却后，通过离心去除上清液，再依次用稀氨水、异丙醇清洗反应产物，得到铜掺杂氢氧化镧纳米材料。制备的铜掺杂氢氧化镧纳米材料作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳电池。本发明专利技术具有制备工艺简单、重复性好、成本低廉、原料来源广泛等优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种铜掺杂氢氧化镧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氢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]近年来，钙钛矿太阳电池由于成本低、制造工艺简单、光电转换效率高、以及可制备成柔性、透明及叠层电池等优点受到了广泛关注。钙钛矿太阳电池根据器件的结构设计可以划分为两类结构，分别为正置结构和倒置结构。正置结构的钙钛矿太阳电池为nip型结构，具体为在导电玻璃上依次沉积电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极层。倒置结构的钙钛矿太阳电池为pin型结构，具体为在导电玻璃上依次沉积空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、金属电极层。目前，倒置结构的钙钛矿太阳电池的光电转换效率低于正置结构的钙钛矿太阳电池，但倒置结构的钙钛矿太阳电池有着独特的优势，如更低的滞后、稳定性好、在串联太阳电池中有广阔的应用前景等等。
[0003]空穴传输层在钙钛矿太阳电池中不可或缺，其起到了阻挡电子和传导空穴的作用，显著影响着钙钛矿太阳电池的性能表现。目前大多数钙钛矿太阳电池使用的空穴传输材料主要为有机物，例如Spiro
‑
OMeTAD和PEDOT:PSS等等。Spiro
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OMeTAD常用于正置结构的钙钛矿太阳电池。由于Spiro
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OMeTAD的空穴传输能力较差，常在Spiro
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OMeTAD中使用Li
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TFSI和4
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叔丁基吡啶作为添加剂改善其空穴传输能力。但这类添加剂在温度较高和湿度较高条件下，容易破坏钙钛矿层。PEDOT:PSS常用于倒置结构的钙钛矿太阳电池，其具有吸湿性和酸性的特点。一方面，PEDOT:PSS的吸湿性会导致其从空气中吸收水分，从而导致钙钛矿层的分解。另一方面，PEDOT:PSS的酸性会腐蚀导电玻璃电极。因此，基于有机空穴传输材料的钙钛矿太阳电池普遍稳定性较差。此外，有机空穴传输材料还具有制造和提纯工艺复杂，价格高昂等缺点。这些缺点阻碍着钙钛矿太阳电池的商业化应用与推广。
[0004]为了解决这一问题，研究人员试图在钙钛矿太阳电池中使用制造简单、成本低、稳定性好的无机空穴传输材料。正置结构的钙钛矿太阳电池的空穴传输层沉积在钙钛矿层上方，而钙钛矿层具有不耐极性溶剂、高温、高湿度的特点。许多无机空穴传输材料的纳米颗粒常常需要分散在极性溶剂中，这使得无机空穴传输材料难以直接旋涂在钙钛矿层上方。在倒置结构的钙钛矿太阳电池中，空穴传输层直接旋涂在导电玻璃的上方，退火将极性溶剂蒸干后再旋涂钙钛矿层，这避免了极性溶剂与钙钛矿层的接触。因此，常将无机空穴传输材料应用于倒置结构的钙钛矿太阳电池。目前，在倒置结构的钙钛矿太阳电池中常见的无机空穴传输材料主要以金属氧化物为主，常见的有：NiO
X
、CoO
X
、CuO
X
、CuGaO2等等。
[0005]除了无机金属氧化物，无机金属氢氧化物同样具有制造工艺简单、成本低、稳定性好的特点，并且无机金属氢氧化物相比无机金属氧化物通常具有更好的低温结晶性。但在钙钛矿太阳电池领域，大部分无机金属氢氧化物的研究主要集中在器件界面钝化的作用上，将无机金属氢氧化物作为载流子传输材料的研究仍然较少。目前，已经有研究者合成了Nb(OH)5，并将其作为电子传输材料成功应用于钙钛矿太阳电池中，但其光电转换效率仍然
相对较低。因此，进一步开发具有更高光电转换效率的、性能更稳定的、基于无机金属氢氧化物的钙钛矿太阳电池有利于促进钙钛矿太阳电池的商业化发展。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种新型无机金属氢氧化物纳米材料(铜掺杂氢氧化镧纳米材料)，并将其作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳电池，使得基于无机金属氢氧化物空穴传输材料的钙钛矿太阳电池获得了良好的光电转换效率。此外，本专利技术首次将无机金属氢氧化物作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳电池，拓展了钙钛矿太阳电池空穴传输材料的选取范围。
[0007]本专利技术的第一目的在于提供一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的制备方法。本专利技术的第二目的在于将铜掺杂氢氧化镧纳米材料作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳电池。
[0008]本专利技术采取的技术方案如下：
[0009]一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]1)用去离子水配置浓度为50mg/mL的聚醚P123溶液；
[0011]2)将镧源材料和铜源材料混合放入烧杯，材料中铜的摩尔量是镧的10～40％，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 La
3+
使用3.125mL聚醚P123溶液；
[0012]3)继续向步骤2)得到的溶液缓慢加入乙二醇，继续搅拌形成均匀混合溶液；其中，每1mmol La
3+
使用2.734mL乙二醇；
[0013]4)用去离子水配置浓度为0.5M的氢氧化钾溶液；
[0014]5)在搅拌条件下，向步骤3)得到的溶液缓慢加入配置好的氢氧化钾溶液，搅拌形成均匀混合溶液；其中，每1mmol La
3+
使用6.25mL氢氧化钾溶液；
[0015]6)将步骤5)得到的溶液转移至反应釜，210摄氏度加热50min；
[0016]7)待步骤6)中的水热反应结束且反应釜冷却后，通过离心去除上清液，得到粗产物，再依次用稀氨水、异丙醇清洗反应产物，最终得到铜掺杂氢氧化镧纳米材料。
[0017]更进一步的，步骤2)中的镧源材料和铜源材料可以选取硝酸盐或硫酸盐。优选硝酸镧和硝酸铜，硝酸铜的摩尔量是硝酸镧的10％～40％，优选25％。
[0018]一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的应用，是将上述铜掺杂氢氧化镧纳米材料作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳电池，包括以下步骤：
[0019]1)将刻蚀好的1.5cm
×
1.5cm的氟掺杂二氧化锡导电玻璃基底依次在异丙醇、去离子水、乙醇中超声清洗15min，再紫外臭氧处理15min；
[0020]2)将前述合成好的铜掺杂氢氧化镧纳米材料用细胞粉碎机分散在体积比为1:1的二甲基亚砜和异丙醇混合溶剂中，再将其旋涂在透明导电玻璃衬底上，旋涂参数设置为7000r/m，50s，旋涂结束后，置于100℃的加热板上退火10min，重复旋涂和退火过程四次，得到空穴传输层；
[0021]3)将溴甲胺，溴化铅，碘化铯，碘甲脒，碘化铅按1:1.9:2.3:10:11.4的摩尔比例混合,再溶于体积比为4:1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合溶剂中，每1mmol溴甲胺使用9.2mL混合溶剂，最后加入混合溶剂总体积1％的丙烯酸羟乙酯，混合均匀后得到钙钛矿前体溶液；
[0022]4)将所述钙钛矿前体溶液用两步旋涂法旋涂在空穴传输层上，参数设置为：第一步旋涂为500r/m，5s，第二步旋涂为5000r/m，45s；旋涂结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜掺杂氢氧化镧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50mg/mL的聚醚P123溶液；2)将镧源材料和铜源材料混合放入烧杯，材料中铜的摩尔量是镧的10～40％，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 La
3+
使用3.125mL聚醚P123溶液；3)继续向步骤2)得到的溶液缓慢加入乙二醇，继续搅拌形成均匀混合溶液；其中，每1mmol La
3+
使用2.734mL乙二醇；4)用去离子水配置浓度为0.5M的氢氧化钾溶液；5)在搅拌条件下，向步骤3)得到的溶液缓慢加入配置好的氢氧化钾溶液，搅拌形成均匀混合溶液；其中，每1mmol La
3+
使用6.25mL氢氧化钾溶液；6)将步骤5)得到的溶液转移至反应釜，210摄氏度加热50min；7)待步骤6)中的水热反应结束且反应釜冷却后，通过离心去除上清液，得到粗产物，再依次用稀氨水、异丙醇清洗反应产物，最终得到铜掺杂氢氧化镧纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中的镧源材料和铜源材料是硝酸镧和硝酸铜，硝酸铜的摩尔量是硝酸镧的25％。3.一种铜掺杂氢氧化镧纳米材料的应用，是将权利要求1制备的铜掺杂氢氧化镧纳米材料作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳电池，包括以下步骤：1)将刻蚀好的1.5cm
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1.5cm的氟掺杂二氧化锡导电玻璃基底依次在异丙醇、去离子水、乙醇中超声清洗15min，再紫外臭氧处理15min；2)将...

【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：