一种基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
文献发布时间：2024-01-17 01:27:33
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于MBene(硼烯)二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池作为其代表凭借优异的光电性能、简单的制备工艺及低廉的成本，近年来在光伏领域中得到了广泛关注和快速发展。至2022年，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过25％，该效率已和硅基太阳能电池的光电转换效率相当。
传输层位于活性层与电极之间，是用来促进电荷传输的界面层。其中，电子传输层材料需要具备高电子亲和能及电子迁移率、良好的能级匹配等因素。在目前已有的电子传输材料中，SnO
通过在钙钛矿太阳能电池中引入合适的界面修饰层可有效改善钙钛矿与氧化锡电子传输层的能级差，同时改善钙钛矿薄膜成膜性，提高钙钛矿薄膜的结晶性，降低钙钛矿薄膜中的晶界以及缺陷，对于提高钙钛矿太阳能电池的性能以及稳定性具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明通过在电子传输层与钙钛矿吸光层中间添加一层MBene二维纳米材料界面修饰层来制备一种具有高光电转换效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括：阴极基底、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和阳极电极；所述界面修饰层所用材料为MBene二维纳米材料。
进一步地，所述阴极基底为铟锡氧化物玻璃(ITO玻璃)或氟掺杂氧化锡玻璃(FTO玻璃)；所述电子传输层为SnO
进一步地，所述阴极基底的厚度为120～180nm；所述电子传输层的厚度为30～50nm；所述界面修饰层的厚度为10～20nm；所述钙钛矿吸光层的厚度为300～500nm；所述空穴传输层的厚度为100～200nm；所述阳极电极的厚度为80～100nm。
进一步地，所述MBene二维纳米材料是Mo
进一步地，所述界面修饰层的前驱体溶液为0.01～1毫克/毫升MBene二维纳米材料的二甲基亚砜溶液。
本发明提供的一种上述的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)对所述阴极基底进行表面处理，得到表面处理后的阴极基底表面；
(2)在步骤(1)所述表面处理后的阴极基底表面上依次旋涂电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；
(3)在步骤(2)所述空穴传输层的表面蒸镀阳极电极，得到所述基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
进一步地，步骤(1)所述阴极基底的表面处理包括：首先依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇对阴极基底各超声清洗15-20分钟；然后在70-80℃真空干燥箱中烘干；最后对清洗烘干后的阴极基底表面进行10-15分钟的等离子表面处理。
优选地，步骤(1)所述表面处理包括：依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；然后在80℃真空干燥箱中烘干；最后对清洗烘干后的阴极基底表面进行10分钟的等离子表面处理。
进一步地，步骤(2)所述电子传输层的旋涂包括：将SnO
优选地，所述旋涂的转速为2000-5000转/分钟，旋涂的时间为20-60秒；退火处理的温度为120-180℃，退火处理的时间为30-60分钟；所述SnO
更优选地，所述旋涂的转速为3600转/分钟，旋涂的时间为30秒；退火处理的温度为150℃，退火处理的时间为30分钟。
进一步地，步骤(2)所述界面修饰层的旋涂包括：将MBene二维纳米材料溶液旋涂在电子传输层表面上，然后进行退火处理，得到所述界面修饰层；
优选地，所述旋涂的转速为1000-6000转/分钟，旋涂的时间为20～50秒；退火的温度为60-150℃，退火的时间为5-20分钟；所述MBene二维纳米材料溶液的浓度为0.01-1mg/mL，所述MBene二维纳米材料溶液的溶剂为DMSO。
更优选地，旋涂的转速为4000转/分钟，旋涂的时间为30秒；退火温度为100℃，退火时间为10分钟。
优选地，所述MBene二维纳米材料溶液的制备方法为：将氢氟酸溶液中加入M
更优选地，所述M
进一步地，步骤(2)所述钙钛矿吸光层的旋涂包括：将甲基碘化铵、碘化铅加入DMF和DMSO的混合溶剂中，搅拌均匀，形成钙钛矿前驱液；将钙钛矿前驱液旋涂在界面修饰层上，然后退火处理，得到所述钙钛矿吸光层。
优选地，所述旋涂的转速为2000-5000转/分钟，旋涂的时间为30-60秒；所述退火处理的温度为60-120℃，退火处理的时间为10-40分钟。
更优选地，所述旋涂的转速为3500转/分钟，旋涂的时间为40秒，所述退火处理的温度为100℃，退火处理的时间为30分钟。
优选地，所述搅拌均匀，可以在60℃条件下搅拌，使得甲基碘化铵和碘化铅完全溶解。
优选地，所述DMF和DMSO的体积比为3：1-5：1；在所述钙钛矿前驱液中，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1-1.5摩尔/升。
更优选地，在所述钙钛矿前驱液中，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1.3摩尔/升。
进一步地，步骤(2)所述空穴传输层的旋涂包括：将空穴传输层材料粉末溶解在氯苯中，并向其中添加4-叔丁基吡啶和双三氟甲基磺酰亚胺锂盐，并搅拌混合均匀得到混合溶液，然后以4000～5000rpm下旋涂30～40s旋涂在所述钙钛矿吸光层上，得到所述空穴传输层；
具体为：
(1)溶液的制备：将空穴传输层材料粉末溶解在氯苯中，并向其中添加4-叔丁基吡啶和双三氟甲基磺酰亚胺锂盐，并隔夜搅拌；
(2)空穴传输层的制备：将制备好的溶液旋涂在上述旋涂了活性层的薄膜基板上，在4000～5000rpm下旋涂30～40s，并在大气环境下隔夜氧化。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池的制备方法，通过在电子传输层和钙钛矿吸光层间加入MBene二维纳米材料界面修饰层，可以减少它与钙钛矿吸光层间的能级差，更有利于光生电子的收集。
(2)本发明提供的基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池，通过增加了界面修饰层提高了钙钛矿薄膜的结晶性，使得钙钛矿内部缺陷降低，改善薄膜的光电性能，有利于提高稳定性。
(3)本发明提供的基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池与没有MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池相比，电池的电流密度、开路电压和填充因子都有明显提升，稳定性也有所改善。
附图说明
图1为本发明的一种基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池器件的结构示意图。
图2为本发明的一种基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池器件的制备工艺流程简图。
图3为实施例1与对比例1制备的钙钛矿太阳能电池器件的电流密度与电压关系图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例提供一种基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池，如图1所示，由下至上包括阴极基底、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层以及阳极电极。
上述基于MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池的制备工艺如图2所示，包括如下步骤：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗15-20分钟；此后在70-80℃干燥箱中烘干。
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)进行10-15分钟的表面等离子体处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数。
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂SnO
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂MBene二维纳米材料前驱液；所述MBene二维纳米材料界面修饰层制备工艺为：将MBene二维纳米材料分散到二甲基亚砜溶液中形成前驱液，浓度为0.01-1毫克/毫升，充分搅拌溶解后将MBene二维纳米材料前驱液旋涂到氧化锡电子传输层上，转速为1000-6000转/分钟，时间为20-50秒，随后60-150℃退火5-20分钟，形成MBene二维纳米材料界面修饰层。
步骤5、在上述MBene二维纳米材料界面修饰层表面旋涂钙钛矿前驱液，转速为2000-5000转/分钟，旋涂时间为30-60秒，随后在加热台上60-120℃退火10-40分钟，形成钙钛矿吸光层。
步骤6、在上述钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层。
步骤7、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极电极银(Ag)，其厚度为80-100nm。
上述步骤结束后得到基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
下面结合附图，对本发明性能较优实施例进一步详细说明。
以下实施例及对比例中所用MBene二维纳米材料溶液的制备方法为：将10mL氢氟酸溶液(20％)中加入0.25g(Mo
实施例1
本实施例1中的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池器件结构：ITO/SnO
上述钙钛矿太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇对阴极基底(ITO)各超声清洗20分钟；此后在80℃干燥箱中烘干；
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的表面等离子体处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数；
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂SnO
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂MBene二维纳米材料前驱液；所述MBene二维纳米材料界面修饰层制备工艺为：将MBene二维纳米材料分散到二甲基亚砜溶液中形成前驱液，浓度为0.1毫克/毫升，充分搅拌溶解后将MBene二维纳米材料前驱液旋涂到氧化锡电子传输层，转速为4000转/分钟，时间为30秒，随后100℃退火10分钟，形成MBene二维纳米材料界面修饰层。
步骤5、在上述界面修饰层表面旋涂钙钛矿前驱液。所述钙钛矿吸光层制备工艺为：将甲基碘化铵和碘化铅按1:1摩尔比溶解到DMF和DMSO的混合溶液(DMF和DMSO的体积比为4：1)中形成钙钛矿前驱液，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1.3摩尔/升，60℃条件拌至完全溶解后旋涂到界面修饰层上，转速为3500转/分钟，时间为40秒，100℃退火30分钟，形成钙钛矿吸光层。
步骤6、在上述钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层溶液，转速为4000转/分钟，时间为30秒，并在大气环境下隔夜氧化。所述空穴传输层溶液为72.3毫克Spiro-OMeTAD粉末溶解在1mL氯苯中，并向其中添加29微升4-叔丁基吡啶和17.5μL双三氟甲基磺酰亚胺锂盐(520mg/mL在乙腈中)后隔夜搅拌的混合溶液。
步骤7、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极电极银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后得到基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
对比例1
对比例1与实施例1的步骤基本相同，唯一不同之处在于缺少步骤4，其余参数均与实施例1相同，对比例1制得的一种不含MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
图3为实施例1的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池与对比例1不含MBene二维纳米材料界面修饰层钙钛矿太阳能电池的电流密度与电压关系曲线图。从图3可以看出，对比例1以MaPbI
实施例2
本实施例2中的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池器件结构：ITO/SnO
上述钙钛矿太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此后在80℃干燥箱中烘干；
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的表面等离子体处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数；
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂SnO
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂MBene二维纳米材料前驱液；所述MBene二维纳米材料界面修饰层制备工艺为：将MBene二维纳米材料分散到二甲基亚砜溶液中形成前驱液，浓度为0.1毫克/毫升，充分搅拌溶解后将MBene二维纳米材料前驱液旋涂到氧化锡电子传输层，转速为1000转/分钟，时间为30秒，随后100℃退火10分钟，形成MBene二维纳米材料界面修饰层。
步骤5、在上述界面修饰层表面旋涂钙钛矿前驱液。所述钙钛矿吸光层制备工艺为：将甲基碘化铵和碘化铅按1:1摩尔比溶解到DMF和DMSO的混合溶液(DMF和DMSO的体积比为4：1)中形成钙钛矿前驱液，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1.3摩尔/升，60℃条件拌至完全溶解后旋涂到界面修饰层上，转速为3500转/分钟，时间为40秒，100℃退火30分钟，形成钙钛矿吸光层。
步骤6、在上述钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层溶液，转速为4000转/分钟，时间为30秒，并在大气环境下隔夜氧化。所述空穴传输层溶液为72.3毫克Spiro-OMeTAD粉末溶解在1mL氯苯中，并向其中添加29微升4-叔丁基吡啶和17.5μL双三氟甲基磺酰亚胺锂盐(520mg/mL在乙腈中)后隔夜搅拌的混合溶液。
步骤7、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极电极银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后得到基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
实施例3
本实施例3中的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池器件结构：ITO/SnO
上述钙钛矿太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此后在80℃干燥箱中烘干；
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的表面等离子体处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数；
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂SnO
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂MBene二维纳米材料前驱液；所述MBene二维纳米材料界面修饰层制备工艺为：将MBene二维纳米材料分散到二甲基亚砜溶液中形成前驱液，浓度为0.1毫克/毫升，充分搅拌溶解后将MBene二维纳米材料前驱液旋涂到氧化锡电子传输层，转速为2000转/分钟，时间为30秒，随后100℃退火10分钟，形成MBene二维纳米材料界面修饰层。
步骤5、在上述界面修饰层表面旋涂钙钛矿前驱液。所述钙钛矿吸光层制备工艺为：将甲基碘化铵和碘化铅按1:1摩尔比溶解到DMF和DMSO的混合溶液(DMF和DMSO的体积比为4：1)中形成钙钛矿前驱液，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1.3摩尔/升，60℃条件拌至完全溶解后旋涂到界面修饰层上，转速为3500转/分钟，时间为40秒，100℃退火30分钟，形成钙钛矿吸光层。
步骤6、在上述钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层溶液，转速为4000转/分钟，时间为30秒，并在大气环境下隔夜氧化。所述空穴传输层溶液为72.3毫克Spiro-OMeTAD粉末溶解在1mL氯苯中，并向其中添加29微升4-叔丁基吡啶和17.5μL双三氟甲基磺酰亚胺锂盐(520mg/mL在乙腈中)后隔夜搅拌的混合溶液。
步骤7、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极电极银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后得到基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
实施例4
本实施例4中的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池器件结构：ITO/SnO
上述钙钛矿太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此后在80℃干燥箱中烘干；
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的表面等离子体处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数；
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂SnO
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂MBene二维纳米材料前驱液；所述MBene二维纳米材料界面修饰层制备工艺为：将MBene二维纳米材料分散到二甲基亚砜溶液中形成前驱液，浓度为0.1毫克/毫升，充分搅拌溶解后将MBene二维纳米材料前驱液旋涂到氧化锡电子传输层，转速为3000转/分钟，时间为30秒，随后100℃退火10分钟，形成MBene二维纳米材料界面修饰层。
步骤5、在上述界面修饰层表面旋涂钙钛矿前驱液。所述钙钛矿吸光层制备工艺为：将甲基碘化铵和碘化铅按1:1摩尔比溶解到DMF和DMSO的混合溶液(DMF和DMSO的体积比为4：1)中形成钙钛矿前驱液，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1.3摩尔/升，60℃条件拌至完全溶解后旋涂到界面修饰层上，转速为3500转/分钟，时间为40秒，100℃退火30分钟，形成钙钛矿吸光层。
步骤6、在上述钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层溶液，转速为4000转/分钟，时间为30秒，并在大气环境下隔夜氧化。所述空穴传输层溶液为72.3毫克Spiro-OMeTAD粉末溶解在1mL氯苯中，并向其中添加29微升4-叔丁基吡啶和17.5μL双三氟甲基磺酰亚胺锂盐(520mg/mL在乙腈中)后隔夜搅拌的混合溶液。
步骤7、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极电极银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后得到基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
实施例5
本实施例5中的基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池器件结构：ITO/SnO
上述钙钛矿太阳能电池的制备工艺流程如下：
步骤1、依次用洗洁精、去离子水、丙酮、无水乙醇、异丙醇各超声清洗20分钟；此后在80℃干燥箱中烘干；
步骤2、对所述清洗烘干的阴极基底(ITO)表面进行10分钟的表面等离子体处理，该处理方法利用微波下生成臭氧的强氧化性来清洗ITO表面残留有机物等，同时可以使ITO表面氧空位提高，提高ITO表面的功函数；
步骤3、在经过步骤2处理过的ITO表面旋涂SnO
步骤4、在上述电子传输层表面旋涂MBene二维纳米材料前驱液；所述MBene二维纳米材料界面修饰层制备工艺为：将MBene二维纳米材料分散到二甲基亚砜溶液中形成前驱液，浓度为0.1毫克/毫升，充分搅拌溶解后将MBene二维纳米材料前驱液旋涂到氧化锡电子传输层，转速为5000转/分钟，时间为30秒，随后100℃退火10分钟，形成MBene二维纳米材料界面修饰层。
步骤5、在上述界面修饰层表面旋涂钙钛矿前驱液。所述钙钛矿吸光层制备工艺为：将甲基碘化铵和碘化铅按1:1摩尔比溶解到DMF和DMSO的混合溶液(DMF和DMSO的体积比为4：1)中形成钙钛矿前驱液，甲基碘化铵和碘化铅的浓度均为1.3摩尔/升，60℃条件拌至完全溶解后旋涂到界面修饰层上，转速为3500转/分钟，时间为40秒，100℃退火30分钟，形成钙钛矿吸光层。
步骤6、在上述钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层溶液，转速为4000转/分钟，时间为30秒，并在大气环境下隔夜氧化。所述空穴传输层溶液为72.3毫克Spiro-OMeTAD粉末溶解在1mL氯苯中，并向其中添加29微升4-叔丁基吡啶和17.5μL双三氟甲基磺酰亚胺锂盐(520mg/mL在乙腈中)后隔夜搅拌的混合溶液。
步骤7、在上述空穴传输层表面蒸镀阳极电极银，其厚度为100nm。
上述步骤结束后得到基于MBene二维纳米材料界面修饰层的钙钛矿太阳能电池。
表1为实施例1-5与对比例1制备得到的钙钛矿太阳能电池器件的各参数对比。
表1实施例1-5与对比例1的各参数对比
从表1可以发现，实施例1的短路电流密度(Jsc)从22.34mA/cm
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。