一种钙钛矿电子传输层的制备方法技术

本发明专利技术提供一种钙钛矿电子传输层的制备方法，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。本发明专利技术以四氯化钛的水溶液为源溶液，以五氯化铌的醇溶液为掺杂液，通过改变源溶液与掺杂液的溶质摩尔比来控制最终成膜材料的铌元素取代比，从而连续调节其能级能带位置；通过调整源溶液中溶剂水与掺杂液中醇的比例，控制最终成膜材料的形貌，以实现致密层与介孔层的一次性制备，实现了无迟滞钙钛矿电池的构建；并且整个制备过程均在一百摄氏度以下完成，对衬底要求不高，同时能源耗散低。

A preparation method of perovskite electron transport layer

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿电子传输层的制备方法
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种掺杂氧化钛的钙钛矿电子传输层制备方法。
技术介绍
作为新兴光伏技术之一，钙钛矿太阳能电池被誉为发展最快的光伏技术，截至2019年，其光伏转换效率已经可以达到25％以上。这种光伏电池结构往往使用一种三明治型，p-i-n或者n-i-p结构，即使用一种n型半导体电子传输层和一种p型半导体空穴传输层将i型钙钛矿光吸收层夹在中间以实现载流子的提取，因此，钙钛矿光伏电池的能量转换效率不仅决定于钙钛矿光吸收材料，也与载流子传输层的质量息息相关。氧化钛作为钙钛矿电池的电子传输层由来已久，已有文献报道利用氧化钛致密层-介孔层的复合，可以获得22％以上的光伏转换效率[1]，但是氧化钛材料本身也存在弊端，首先氧化钛材料导电性较差，并且作为电子传输层仅需要极薄的一层厚度，但采用溅射或者旋涂等工艺制备很容易制备不均匀，采用原子层沉积技术则制备时长过高(10nm约需要数小时)，因此以上制备方法与大面积制备的需求均不相适应；此外氧化钛的低导电性和高缺陷使得表面易积聚电荷，使得器件呈现低填充因子和高迟滞(J-V测试不同扫描方向曲线不重合)。为了解决这些问题，选择合适的氧化钛制备和掺杂改性方法是十分有必要的。针对氧化钛电子传输层的掺杂改性目前已有很多方法，所涉及元素几乎横跨元素周期表上的所有金属元素，一些非金属元素以及其相对应的单质和化合物的使用也有所报道(F、C等)。对于元素掺杂而言，最重要的是半径的匹配，相似的离子半径不仅能提高替位式掺杂的固溶度，还可以减少掺杂时晶体内的应力作用，减少位错等缺陷的产生。在氧化钛晶体中，钛金属为四价态，一种离子半径相似的五价金属是最佳的选择。铌金属(Nb)因具有与与钛相似的离子半径(Nb5+约70pm，Ti4+约68pm)，且其正五价形式能够稳定存在，被广泛选为氧化钛电子传输材料的掺杂剂。一些工作选择将Nb：TiO2纳米结构生长到衬底之上[2]，但这种方式所制备的纳米颗粒仅能作为介孔层为钙钛矿材料提供支架结构，为了构成完整电池，还需要其他工艺制备氧化钛致密层以阻止钙钛矿-衬底的直接接触；同样的，采用涂覆-退火工艺制备的Nb:TiO2薄膜仅能作为致密层，其介孔结构需要其他步骤二次制[3]；当然，也有研究选择直接放弃介孔层，仅利用一层Nb:TiO2薄膜构筑平面结构电池，但这些工作构筑的器件均表现出较大的迟滞[4]。除此之外，氧化钛的结晶往往需要几百度的高温，这大大增加了器件制备的成本并限制了器件衬底的选择范围，比如用于柔性器件的PET衬底无法承受大于100℃的高温。很多工作尝试去实现氧化钛的低温结晶，比如更换Ti源以实现不同的反应路径，或者通过紫外处理以使得样品结晶[5]，但均无法解决丢失介孔层的性能下降。[1]Yang,W.S.；Park,B.W.；Jung,E.H.；Jeon,N.J.；Kim,Y.C.；Lee,D.U.；Shin,S.S.；Seo,J.；Kim,E.K.；Noh,J.H.；etal.IodideManagementinFormamidinium-Lead-Halide-BasedPerovskiteLayersforEfficientSolarCells.Science2017,356,1376–1379.[2]Yang,M.；Guo,R.；Kadel,K.；Liu,Y.；O’Shea,K.；Bone,R.；Wang,X.；He,J.；Li,W.ImprovedChargeTransportofNb-DopedTiO2NanorodsinMethylammoniumLeadIodideBromidePerovskiteSolarCells.J.Mater.Chem.A2014,2,19616–19622.[3]Yin,X.；Guo,Y.；Xue,Z.；Xu,P.；He,M.；Liu,B.PerformanceEnhancementofPerovskite-SensitizedMesoscopicSolarCellsUsingNb-DopedTiO2CompactLayer.NanoRes.2015,8,1997–2003.[4]Yin,G.；Ma,J.；Jiang,H.；Li,J.；Yang,D.；Gao,F.；Zeng,J.；Liu,Z.；Liu,S.F.EnhancingEfficiencyandStabilityofPerovskiteSolarCellsthroughNb-DopingofTiO2atLowTemperature.ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,10752–10758.[5]Jeong,I.；Jung,H.；Park,M.；Park,J.S.；Son,H.J.；Joo,J.；Lee,J.；Ko,M.J.ATailoredTiO2ElectronSelectiveLayerforHigh-PerformanceFlexiblePerovskiteSolarCellsviaLowTemperatureUVProcess.NanoEnergy2016,28,380–389.
技术实现思路
针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种钙钛矿电子传输层及其制备方法。本专利技术以四氯化钛的水溶液为源溶液，以五氯化铌的醇溶液为掺杂液，通过改变源溶液与掺杂液的溶质摩尔比来控制最终成膜材料的铌元素取代比，从而连续调节其能级能带位置；通过调整源溶液中溶剂水与掺杂液中醇的比例，控制最终成膜材料的形貌，以实现致密层与介孔层的一次性制备，实现无迟滞钙钛矿电池的构建。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种钙钛矿电子传输层的制备方法，包括以下步骤：步骤1.冷冻超纯水使其为冰水混合状态，在0～4℃下搅拌，并逐滴加入液态四氯化钛，滴加完毕后，在室温下搅拌至冰水混合物恰好溶解，得到源溶液，溶液整体呈现淡黄色澄清透明，然后置于0～4℃下存放；步骤2.将五氯化铌粉末加入醇中，在室温下搅拌至完全溶解，得到掺杂液；步骤3.将衬底依次用丙酮、乙醇、水超声清洗，而后置于紫外-臭氧环境中处理使表面亲水；步骤4.将步骤3处理后的衬底置于反应容器中，先滴加掺杂液，再滴加源溶液至衬底完全浸没，其中，Nb元素的摩尔量小于或等于Nb和Ti总元素摩尔量的10％(即nNb/n(Nb+Ti)≤10％)；步骤5.将反应容器用不透气薄膜密封，然后加热反应；步骤6.反应结束后取出衬底，依次浸入水-醇-水中清洗，除去残余反应液后即得到所述钙钛矿电子传输层。进一步地，步骤1的源溶液中四氯化钛的浓度为0.01～0.5mol/L。进一步地，步骤2所述醇为甲醇或无水乙醇，所述醇可以溶解五氯化铌但不会造成水解，且沸点较低，在水浴时比水优先蒸发，掺杂液中五氯化铌的浓度为0.01～0.1mol/L。进一步地，步骤3所述衬底为透明导电氧化物衬底，具体为氟掺杂氧化锡(FTO)，锑掺杂氧化锡(ATO)等。进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钙钛矿电子传输层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1.冷冻超纯水使其为冰水混合状态，在0～4℃下搅拌，并逐滴加入液态四氯化钛，滴加完毕后，在室温下搅拌至冰水混合物溶解，得到源溶液，然后置于0～4℃下存放；/n步骤2.将五氯化铌粉末加入醇中，在室温下搅拌至完全溶解，得到掺杂液；/n步骤3.清洗衬底，而后进行亲水处理；/n步骤4.将步骤3处理后的衬底置于反应容器中，先滴加掺杂液，再滴加源溶液至衬底完全浸没，其中，n

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿电子传输层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.冷冻超纯水使其为冰水混合状态，在0～4℃下搅拌，并逐滴加入液态四氯化钛，滴加完毕后，在室温下搅拌至冰水混合物溶解，得到源溶液，然后置于0～4℃下存放；
步骤2.将五氯化铌粉末加入醇中，在室温下搅拌至完全溶解，得到掺杂液；
步骤3.清洗衬底，而后进行亲水处理；
步骤4.将步骤3处理后的衬底置于反应容器中，先滴加掺杂液，再滴加源溶液至衬底完全浸没，其中，nNb/n(Nb+Ti)≤10％；
步骤5.将反应容器密封，然后进行加热反应；
步骤6.反应结束后取出衬底，依次浸入水-醇-水中清洗，除去残余反应液后即得到所述钙钛矿电子传输层。


2.如权利要求1所述钙钛矿电子传输层的制备方法，其特征在于，步骤1源溶液中四氯化钛的浓度为0.01～0.5mol/L。


3.如权利要求1所述钙钛矿电子传输层的制备方法，其特征在于，步骤2所述醇为甲醇或无水乙醇。

【专利技术属性】
技术研发人员：熊杰，孙浩轩，晏超贻，王显福，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51