一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池及其制备方法

1.本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池在短短几年内就实现了功率转换效率(pces)的快速增长，成为太阳能电池领域冉冉升起的新星。具有不同性能的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的pce从2009年的3.8％增加到2023年的25.8％。钙钛矿太阳能电池凭借其钙钛矿吸光材料强的光吸收能力，低的非辐射复合率，可调的带隙，相对较高的载流子迁移率，较长的载流子扩散长度以及溶液法制备的可加工性等优点，使得其在光伏领域的研究得到了快速发展。
3.钙钛矿光吸收层是钙钛矿太阳能电池结构中的核心部件，光被钙钛矿材料吸收，通过光伏效应将光转变成电。钙钛矿吸光材料一般应具备相对较好的电化学稳定性、合适的带隙、宽的吸收光谱、高的载流子迁移率，并且应易于制备。在钙钛矿材料结构中可以通过改变晶体的化学结构改善载流子迁移率、晶体能级、吸收光谱来提高电池光伏性能。钙钛矿吸光材料的光谱吸收范围是280-800nm波长的光，提高钙钛矿层的光谱吸收范围和吸收率，是提高转换效率的有效途径之一，但如何提高钙钛矿薄膜的光谱吸收范围和吸收率是一项技术难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池及其制备方法，通过在钙钛矿太阳能电池中设置植物色素有机修饰层，有效地提高了钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池，由上到下依次包括导电玻璃衬底、电子传输层、钙钛矿光吸收层、植物色素有机修饰层、空穴传输层、金属电极层；所述植物色素有机修饰层是通过将含植物色素的前驱体溶液旋涂在钙钛矿光吸收层上表面。
7.进一步地，所述植物色素为叶绿酸、叶绿素、叶绿素a、竹叶色素、叶绿素铜络盐、叶绿酸铁钠盐、叶绿素锌钠、茶绿树、叶绿素铜、叶绿素铜钠、绿茶粉、菠菜色素、草莓绿色素、番茄红素、藏红花色素、甜椒红色素、辣椒橙色素、辣椒红色素、栀子黄色素、栀子绿色素、天然胡萝卜素、混合类胡萝卜素、玉米黄、胭脂俗橙色素、南瓜黄色素、沙棘黄、密蒙黄色素、柑橘披黄色素、苜蓿色素、万寿菊色素、银杏黄色素、柑橘黄、枸杞色素、苦瓜色素、蒲公英色素、虾青素、消旋虾青素、辣椒红素、a-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-阿朴-8
’‑
胡萝卜酸乙酯、β-阿朴-8
’‑
胡萝卜素醛、叶黄素、叶黄素双胭脂树素酯、叶黄素单胭脂树素酯、胭脂树素、斑蝥黄、藏红花酸、紫杉紫素中的任意一种。
8.一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤一：对导电玻璃衬底进行清洗，使用氮气吹干后，进行紫外臭氧预处理，形成
厚度为导电玻璃衬底；
10.步骤二：在导电玻璃衬底上方制备厚度为20-70nm的电子传输层；
11.步骤三：配制碘化铅混合溶液，将其旋涂在电子传输层的基底上制备碘化铅薄膜，在70℃的温度条件下退火10s，形成碘化铅薄膜；
12.步骤四：配置混合前驱体溶液，将其涂覆在碘化铅薄膜表面，在150℃的温度条件下退火15min，形成厚度为400-900nm的钙钛矿光吸收层；
13.步骤五：配置含植物色素的前驱体溶液，随后将其旋涂在钙钛矿光吸收层上表面，在100℃的温度条件下退火10min，形成植物色素有机修饰层；
14.步骤六：在植物色素有机修饰层上方制备厚度为150-300nm的空穴传输层；
15.步骤七：在空穴传输层上方制备厚度为50-200nm的金属电极层。
16.进一步地，步骤二中，所述电子传输层的原料为氧化锌、二氧化锡、二氧化钛、富勒烯c60或者二氧化铈中的任意一种。
17.进一步地，步骤三中，所述碘化铅混合溶液包括固液比为600mg:9mg:900μl:100μl的碘化铅、氯化铅、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜。
18.进一步地，步骤四中，所述前驱体溶液是将ch3nh3i、ch3nh3br、ch3nh3cl、ch(nh2)2i、ch(nh2)2br、ch(nh2)2cl、csi、ki、cscl、csbr、ch3ch2nh3cl、ch3ch2nh3br、ch3ch2nh3i、ch3ch2ch2nh3i、ch3ch2ch2nh3br、ch3ch2ch2nh3cl中的任意一种或多种与异丙醇混合制得，浓度为10mg/ml。
19.进一步地，步骤五中，所述含植物色素的前驱体溶液是通过将植物色素与异丙醇混合制得，浓度为1-50mg/ml。
20.进一步地，步骤七中，所述金属电极层是通过磁控溅射法或者热蒸发法制备。
21.本发明的有益效果：
22.本发明通过在钙钛矿太阳能电池中设置植物色素有机修饰层，利用植物色素中未成键的孤对电子可以与钙钛矿活性层晶界和晶面上不配位的pb
2+
缺陷进行稳定结合的特点，起到减少缺陷的作用，进而提高晶界和晶面的稳定性，减少载流子的非辐射复合，从而达到提高载流子寿命的目的。植物色素在光照条件下，吸收一定频率的有色光后，分子内电子将会发生振动跃迁现象，由于这种吸光后的能级跃迁特性以及对不同频率光产生不同程度的跃迁特点，将其应用于钙钛矿太阳能电池中，可改善钙钛矿太阳能电池的吸光强度，提高电池对光的吸收能力。同时由于植物色素天然具有的特性，使得植物色素能够自发的进行光生伏特效应，参与钙钛矿活性层的光电转化活动，再经过两边的电子/空穴提取，由此提高钙钛矿太阳能电池的光电转换性能。
23.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明太阳能电池的结构示意图；
26.图2为本发明实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层和对比例1中钙钛矿吸收层的水接触角测试图；
27.图3为本发明实施例1和对比例1制备的太阳能电池的j-v测试曲线图；
28.图4本发明实施例1实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层和对比例1中钙钛矿吸收层的紫外吸收光谱测试图；
29.图5为本发明实施例1实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层和对比例1中钙钛矿吸收层的稳定性测试结果图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
33.步骤一：对导电玻璃衬底进行清洗，使用氮气吹干后，进行紫外臭氧预处理，形成厚度为导电玻璃衬底；
34.步骤二：使用二氧化锡为原料，在导电玻璃衬底上方制备厚度为50nm的电子传输层；
35.步骤三：将300mg碘化铅、4.5mg氯化铅、450μln,n-二甲基甲酰胺和50μl二甲基亚砜搅拌混合，配制成碘化铅混合溶液，将其旋涂在电子传输层的基底上制备碘化铅薄膜，在70℃的温度条件下退火10s，形成碘化铅薄膜；
36.步骤四：将ch(nh2)2i与异丙醇混合，配置成浓度为10mg/ml的混合前驱体溶液，将其涂覆在碘化铅薄膜表面，在150℃的温度条件下退火15min，形成厚度为800nm的钙钛矿光吸收层；
37.步骤五：将天然胡萝卜素与异丙醇混合，配置成浓度为40mg/ml的含植物色素的前驱体溶液，随后将其旋涂在钙钛矿光吸收层上表面，在100℃的温度条件下退火10min，形成植物色素有机修饰层；
38.步骤六：在植物色素有机修饰层上方制备厚度为200nm的空穴传输层；
39.步骤七：通过磁控溅射法，在空穴传输层上方制备厚度为150nm的金属电极层，制得太阳能电池。
40.该太阳能电池的结构示意图如图1所示。
41.对比例1
42.一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，不设置植物色素有机修饰层，其他制备步骤与实施例1相同。
43.性能检测
44.a、对本发明实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层和对比例1中钙钛矿吸收层进行水接触角测试，测试结果见图2，由图2可知，实施例1修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层的水接触角为67.5
°
，而对比例1中未修饰植物色素有机修饰
层的钙钛矿吸收层的水接触角为62.6
°
，水接触角度越大，说明其疏水性能越好，以此得出结论：通过植物色素修饰层的添加，增强了钙钛矿吸收层的疏水性质，使得水分子更难进入钙钛矿吸收层内部，提升了钙钛矿吸收层的湿度稳定性。
45.b、对本发明实施例1和对比例1制备的太阳能电池进行j-v性能测试，测试结果见图3，由图3可知，实施例1制备的太阳能电池含有植物色素有机修饰层，光电转换效率为23.48％，对比例1制备的太阳能电池不含有植物色素有机修饰层，光电转换效率为21.85％，因此，本发明通过在钙钛矿太阳能电池中设置植物色素有机修饰层，可有效增强钙钛矿太阳能电池对光的吸收能力，并提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
46.c、对本发明实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层和对比例1中的钛矿光吸收层进行紫外吸收光谱测试，测试结果见图4，由图4可知，实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层在300-800nm的波长范围内的光吸收强度远远超过对比例1中的钛矿光吸收层。
47.d、在湿度50％，温度35℃的环境中，对本发明实施例1中修饰了植物色素有机修饰层的钙钛矿光吸收层和对比例1中钙钛矿吸收层进行湿度稳定性跟踪测试，测试结果见图5，图5中展示了第1天和第80天的照片，从图中可以看出对比例1在80天后完全分解，而实施例1在80天后虽有部分分解，但分解程度远低于对比例1，因此修饰了植物色素有机修饰层后，可有效提高稳定性。
48.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
49.以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池，其特征在于，由上到下依次包括导电玻璃衬底、电子传输层、钙钛矿光吸收层、植物色素有机修饰层、空穴传输层、金属电极层；所述植物色素有机修饰层是通过将含植物色素的前驱体溶液旋涂在钙钛矿光吸收层上表面，再经退火处理形成。2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池，其特征在于，所述植物色素为叶绿酸、叶绿素、叶绿素a、竹叶色素、叶绿素铜络盐、叶绿酸铁钠盐、叶绿素锌钠、茶绿树、叶绿素铜、叶绿素铜钠、绿茶粉、菠菜色素、草莓绿色素、番茄红素、藏红花色素、甜椒红色素、辣椒橙色素、辣椒红色素、栀子黄色素、栀子绿色素、天然胡萝卜素、混合类胡萝卜素、玉米黄、胭脂俗橙色素、南瓜黄色素、沙棘黄、密蒙黄色素、柑橘披黄色素、苜蓿色素、万寿菊色素、银杏黄色素、柑橘黄、枸杞色素、苦瓜色素、蒲公英色素、虾青素、消旋虾青素、辣椒红素、a-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-阿朴-8
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胡萝卜酸乙酯、β-阿朴-8
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胡萝卜素醛、叶黄素、叶黄素双胭脂树素酯、叶黄素单胭脂树素酯、胭脂树素、斑蝥黄、藏红花酸、紫杉紫素中的任意一种。3.一种如权利要求1所述的钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对导电玻璃衬底进行清洗，使用氮气吹干后，进行紫外臭氧预处理，形成厚度为导电玻璃衬底；步骤二：在导电玻璃衬底上方制备厚度为20-70nm的电子传输层；步骤三：配制碘化铅混合溶液，将其旋涂在电子传输层的基底上制备碘化铅薄膜，在70℃的温度条件下退火10s，形成碘化铅薄膜；步骤四：配置混合前驱体溶液，将其涂覆在碘化铅薄膜表面，在150℃的温度条件下退火15min，形成厚度为400-900nm的钙钛矿光吸收层；步骤五：配置含植物色素的前驱体溶液，随后将其旋涂在钙钛矿光吸收层上表面，在100℃的温度条件下处理10min，形成植物色素有机修饰层；步骤六：在植物色素有机修饰层上方制备厚度为150-300nm的空穴传输层；步骤七：在空穴传输层上方制备厚度为50-200nm的金属电极层。4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述电子传输层的原料为氧化锌、二氧化锡、二氧化钛、富勒烯c60或者二氧化铈中的任意一种。5.根据权利要求3所述的一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述碘化铅混合溶液包括固液比为600mg:9mg:900μl:100μl的碘化铅、氯化铅、n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜。6.根据权利要求3所述的一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述前驱体溶液是将ch3nh3i、ch3nh3br、ch3nh3cl、ch(nh2)2i、ch(nh2)2br、ch(nh2)2cl、csi、ki、cscl、csbr、ch3ch2nh3cl、ch3ch2nh3br、ch3ch2nh3i、ch3ch2ch2nh3i、ch3ch2ch2nh3br、ch3ch2ch2nh3cl中的任意一种或多种与异丙醇混合制得，浓度为10mg/ml。7.根据权利要求3所述的一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述含植物色素的前驱体溶液是通过将植物色素与异丙醇混合制得，浓度为1-50mg/ml。
8.根据权利要求3所述的一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤七中，所述金属电极层是通过磁控溅射法或者热蒸发法制备。

技术总结
本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，公开了一种钙钛矿/色素敏化修饰太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池由上到下依次包括导电玻璃衬底、电子传输层、钙钛矿光吸收层、植物色素有机修饰层、空穴传输层、金属电极层，通过在钙钛矿太阳能电池中设置植物色素有机修饰层，利用植物色素中未成键的孤对电子可以与钙钛矿活性层晶界和晶面上不配位的Pb


技术研发人员：侯山月 马柱 黄跃龙 李炎林 马鑫浩 杜卓维 陈义 羊俊波 游伟
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/9/9