掺金属NiOx纳米晶的制备方法及空穴传输层和太阳能电池技术

本发明专利技术涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种掺金属NiOx纳米晶的制备方法及空穴传输层和太阳能电池，制备方法包括以下步骤：S1、将可溶性镍盐和可溶性金属盐溶解于去离子水，充分搅拌，形成混合溶液；S2、向混合溶液以30μL/s

【技术实现步骤摘要】
掺金属NiOx纳米晶的制备方法及空穴传输层和太阳能电池


[0001]本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种掺金属NiOx纳米晶的制备方法及空穴传输层和太阳能电池。

技术介绍

[0002]随着能源危机的日益严峻，开发新型可再生的清洁能源是一种有效的解决方案。而在众多新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池以其高效、原材料价格低廉、制备方法简单等优点脱颖而出，在近10年得到了飞速的发展。
[0003]目前，高效钙钛矿太阳能电池的空穴传输层主要为有机空穴传输材料，如SpiroOMe
‑
TAD(2,2',7,7'
‑
四[N,N
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]‑
9,9'
‑
螺二芴)、PTAA(聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺])、Poly
‑
TPD(聚[双(4
‑
苯基)(4
‑
丁基苯基)胺])、PEDOT:PSS(聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩)
‑
聚苯乙烯磺酸)等，但有机空穴传输材料价格昂贵，限制了钙钛矿太阳能电池制备成本的进一步降低。同时，这些有机空穴传输材料的热稳定较差、表面疏水不利于钙钛矿前驱体的浸润等缺点，限制了钙钛矿太阳能电池的大面积生产、长期工作稳定性和使用寿命。因此，无机空穴传输材料因化学稳定性较好、空穴迁移率较高以及制备成本低的优点，对钙钛矿太阳能电池而言具有十分重要的意义。而无机空穴传输材料又包括：NiO(氧化镍)、CuO2(氧化亚铜)、CuSCN(硫氰酸亚铜)、CoO(氧化钴)等。
[0004]而通过NiOx纳米晶作为宽禁带的P型氧化物，具有空穴迁移率高、寄生吸收少、热稳定性好等优点，是作为空穴传输层的理想材料。其中，NiOx中Ni离子主要为2价与3价的混合价态。但是，在采用NiOx纳米晶制备空穴传输层的过程中，易出现NiOx纳米晶分布不均匀、纯度低、粒径大等缺陷，从而导致ITO衬底的覆盖率下降、使NiOx薄膜粗糙度显著提升而影响形成高致密的钙钛矿薄膜，影响器件性能；以及NiOx纯度不高引入大量的缺陷能级，成为载流子复合中心，致使效率下降。同时，NiOx纳米晶表面高价态的Ni离子容易与钙钛矿发生氧化还原反应，导致钙钛矿的退化，从而影响钙钛矿太阳能电池的稳定性和使用寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对NiOx纳米晶在制备钙钛矿太阳能电池空穴传输层时，存在分布不均匀、纯度低、粒径大以及易于钙钛矿发生氧化还原反应等技术缺陷，提供了一种掺金属NiOx纳米晶的制备方法、空穴传输层及钙钛矿太阳能电池，具有能量转化效率高、热稳定性好的优点。
[0006]本专利技术的构思之一在于，采用可溶性镍盐与可溶性金属盐的混合溶液，在氨水滴加下反应，获取掺杂均匀的沉淀。
[0007]具体的，金属离子在氨水滴加下，将发生离子反应，如镍离子反应方程式为NH3·
H2O+Ni
2+
→
Ni(OH)2↓
。相应的镁离子反应方程式为NH3·
H2O+Mg
2+
→
+Mg(OH)2↓
，以及采用铜盐或钴盐时，生成Cu(OH)2和Co(OH)2等沉淀。
[0008]进一步的，采用合适比例的金属离子和镍离子在混合溶液中，通过氨水滴加反应
时，将获取微量掺杂的沉淀物。
[0009]具体的，以镁掺杂作为示例。其中，可溶性镍盐包括Ni(NO3)2(硝酸镍)、NiSO4(硫酸镍)和NiCl2(氯化镍)等，优选为Ni(NO3)2·
6H2O；而可溶性镁盐包括MgCl2(氯化镁)、MgSO4(硫酸镁)、Mg(NO3)2(硝酸镁)、C
12
H
28
Mg3O
23
(柠檬酸镁)等，优选为MgCl2。
[0010]从而，将微量的可溶性镁盐与可溶性镍盐溶于去离子水中，以获取镍盐和镁盐的混合溶液，并通过滴定NH3·
H2O(氨水)获取沉淀物。离子反应方程式为：
[0011]NH3·
H2O+Ni
2+
+Mg
2+
→
Ni(OH)2↓
+Mg(OH)2↓
。
[0012]进一步的，在氨水滴加过程中，控制氨水的滴加速度，从而使获取的沉淀物的粒度更细、更均匀。
[0013]进一步的，在沉淀物析出后，通过离心洗涤的方式对沉淀物进行清洗，去除水溶性离子(如NH
4+
、NiO3‑
等)，获得高纯度的氢氧化镍与氢氧化镁混合物，进一步的，将离心洗涤后的沉淀进行真空干燥，去除沉淀物中的水分。
[0014]进一步的，将真空干燥后的沉淀物进行烧结，以获取掺镁的NiOx纳米晶。反应方程式为：
[0015]Ni(OH)2+Mg(OH)
2+
O2→
NiO
X
+MgO
x
+H2O。
[0016]值得说明的是，本专利技术通过Mg元素掺杂后，实现了对Ni
3+
、Ni
4+
等高价态镍离子的钝化，避免了高价态的Ni离子与生长于空穴传输层的钙钛矿反应，进而提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和使用寿命。同时，高纯度和粒度较细的掺金属NiOx纳米晶还将提高ITO衬底的覆盖率、使生长的钙钛矿更加致密和均匀，使薄膜质量更高，从而进一步提升器件的性能。
[0017]实际上，想要获取其他掺金属NiOx纳米晶时，可以采用与可溶性镁盐相同的处理步骤。如采用可溶性铜盐时，包括：CuCl2(氯化铜)、CuSO4(硫酸铜)和Cu(NO3)2(硝酸铜)；采用可溶性钴盐时，包括：CoCl2(氯化钴)、CoSO4(硫酸钴)和Co(NO3)2(硝酸钴)。
[0018]进一步的，烧结的方程式为Ni(OH)2+Cu(OH)
2+
O2→
NiO
X
+CuO
x
+H2O，或，Ni(OH)2+Co(OH)
2+
O2→
NiO
X
+CoO
x
+H2O，进而获取掺铜，或，掺钴的NiOx纳米晶。
[0019]因此，Cu离子和Co离子的掺杂也可钝化Ni
3+
、Ni
4+
等高价态镍离子，从而提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和使用寿命。同时，由于Mg离子、Cu离子和Co离子，这些金属离子的掺杂量相较于Ni离子而言，掺量比较小，在对Ni离子钝化效果方面基本相似，不会存在影响钙钛矿太阳能电池器件性能情况较大的情形发生。而且，由于都是可溶性金属离子，在去离子水中的离子方程式基本相同，唯一不同的是因不同金属中间物的熔点，在烧结时，采取的烧结温度略有差别。
[0020]进一步的，由于NiOx在制备的钙钛矿太阳能电池中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺金属NiOx纳米晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将可溶性镍盐和可溶性金属盐溶解于去离子水，充分搅拌，形成混合溶液；可溶性镍盐与去离子水的溶解比为0.5mmol/mL，混合溶液中金属离子与镍离子的摩尔比为0.001
‑
0.01：1；S2、向混合溶液以30μL/s
‑
80μL/s的速度滴加氨水；完全电离后铵离子与镍离子的摩尔比为2.9
‑
3.3：1；S3、充分搅拌，静置待沉淀物析出；S4、使用去离子水对析出的沉淀物进行离心洗涤；S5、对离心洗涤后的沉淀物进行真空干燥；S6、将干燥后的沉淀物进行烧结，获取掺金属NiOx纳米晶。2.如权利要求1所述的掺金属NiOx纳米晶的制备方法，其特征在于，可溶性金属盐包括：可溶性镁盐、铜盐和钴盐；采用可溶性镁盐时，将干燥后的沉淀物依次以270℃
‑
300℃烧结2h
‑
4h，以340℃
‑
370℃烧结0.5h
‑
1h后，获取掺镁NiOx纳米晶；采用可溶性铜盐时，在步骤S6中，干燥后的沉淀物依次以185℃烧结0.5h
‑
1h，以270℃
‑
300℃烧结2h
‑
4h后，获取掺铜NiOx纳米晶；采用可溶性钴盐时，在步骤S6中，干燥后的沉淀物依次以60℃
‑
70℃烧结0.5h
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1h，以270℃
‑
300℃烧结2h
‑
4h后，获取掺钴NiOx纳米晶。3.如权利要求2所述的掺金属NiOx纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：王植平，李升，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：