具有近红外光谱响应的低维钙钛矿太阳能电池及制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种具有近红外光谱响应的低维钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

相对于传统的三维(3D)钙钛矿，低维钙钛矿材料(2D,1D,0D等)由于其结构多样性和更好的稳定性，引起人们的关注。如今，许多2D、1D或0D钙钛矿材料已被报道，并在光电器件中显示出应用潜力。然而，低维钙钛矿通常意味着大的带隙，极大地限制了它们的广泛应用。以太阳能电池为例，目前的低维钙钛矿太阳能电池只能利用波长＜700nm的光，这从根本上决定了它们难以实现高的转化效率。

事实上，低维钙钛矿含有有机和无机成分，并且应该能够表现出这两种成分的组合性质。与传统钙钛矿中的简单有机铵阳离子(BA、PEA等)不同，有机半导体阳离子可能在低维钙钛矿的光电性质调节中发挥更积极的作用。然而，与3D钙钛矿相比，低维钙钛矿在光电响应和器件效率方面仍存在巨大差距。要实现高效率的低维钙钛矿电池，其面临的首要问题是如何拓宽其光谱响应范围。

发明内容

基于此，本发明的目的是针对低维钙钛矿的宽带隙以及窄光谱响应问题，提供一种具有近红外光谱响应的低维钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该方法可以利用花青碘化物染料自身的碘盐特性使其能够与金属卤化物相互作用并形成低维钙钛矿；同时，低维钙钛矿自身的规整结构将促进花青染料的分子排列和结晶，从而有利于光生电荷的传输。将所得的低维钙钛矿应用于太阳能电池，可有效拓宽低维钙钛矿电池的光谱响应范围。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种具有近红外光谱响应的低维钙钛矿太阳能电池，所述的低维钙钛矿太阳能电池包括：依次叠层设置的衬底、空穴传输层、钙钛矿薄膜层、电子传输层和电极层，所述钙钛矿薄膜层为低维钙钛矿薄膜；

所述低维钙钛矿薄膜由金属卤化物MX

所述的花青碘化物染料为1H-苯并[E]吲哚鎓2-[2-[2-氯-3-[2-(3-乙基-1,3-二氢-1,1-二甲基-2H-苯并[E]亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3-乙基1,1-二甲基碘化物(815EI)、2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烷-1-基]-乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙-1H-吲哚鎓碘化物(775PI)、3,3'-二乙基氧代二羰花青碘化物(DODCI)、3,3'-二乙基氧杂羰花青碘(DOCI)和3,3'-二丙基硫杂二羰花青碘化物(DiSCI)中的一种或几种；

所述的低维钙钛矿薄膜，其薄膜厚度为10-100nm；

所述电子传输层为PCBM、C60和SnO

一种所述低维钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上形成空穴传输层；以及

在所述空穴传输层上形成低维钙钛矿薄膜层；以及

在所述低维钙钛矿薄膜层上形成电子传输层；以及

在所述电子传输层上形成金属电极层；其中，

所述低维钙钛矿薄膜层的形成，具体包括：

所述低维钙钛矿薄膜层由金属卤化物(MX

将MX

然后在氮气手套箱中用匀胶机将钙钛矿前驱体溶液旋涂在空穴传输层上，转速为先1500-2000转/分旋涂8-10秒，再4000-5000转/分旋涂20-22秒；

在80-150℃退火处理5-20分钟，形成低维钙钛矿薄膜层。

本发明的有益效果：花青碘化物染料自身的碘盐特性使其能够与金属卤化物相互作用并形成低维钙钛矿；同时，低维钙钛矿自身的规整结构将促进花青染料的分子排列和结晶，从而有利于光生电荷的传输。将所得的低维钙钛矿应用于太阳能电池，可以借助有机染料的宽光谱吸收，有效拓宽低维钙钛矿电池的光谱响应范围，实现低维钙钛矿电池在近红外区域的光谱响应。同时，由于低维钙钛矿自身的稳定性优势，所得低维钙钛矿电池能够表现出良好的稳定性。本发明为宽光谱响应的低维钙钛矿电池的制备提供了一种新的方法。

附图说明

图1为本发明钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图2为基于815EI染料的低维钙钛矿的结晶和吸收表征示意图；

图3为815EI-PbI

图4为基于815EI-PbI

图5为815EI-PbI

具体实施方式

以下结合附图及实施例将对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明的低维钙钛矿太阳能电池，包括叠层设置的衬底1、空穴传输层2、钙钛矿薄膜层3、电子传输层4和电极层5；所述钙钛矿薄膜层为由金属卤化物(MX

所述低维钙钛矿由金属卤化物(MX

所述的花青碘化物染料为1H-苯并[E]吲哚鎓2-[2-[2-氯-3-[2-(3-乙基-1,3-二氢-1,1-二甲基-2H-苯并[E]亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3-乙基1,1-二甲基碘化物(缩写：815EI)、2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烷-1-基]-乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙-1H-吲哚鎓碘化物(缩写：775PI)、3,3'-二乙基氧代二羰花青碘化物(缩写：DODCI)、3,3'-二乙基氧杂羰花青碘(缩写：DOCI)和3,3'-二丙基硫杂二羰花青碘化物(缩写：DiSCI)中的一种或几种。

所述的低维钙钛矿薄膜，其薄膜厚度为20-50nm；在钙钛矿太阳能电池中应用时，考虑到低维钙钛矿薄膜中光生电荷的有效传输，优选地，所述低维钙钛矿层的厚度为30nm。

所述电子传输层为PCBM、C60和SnO

一种上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上形成空穴传输层；以及

在所述空穴传输层上形成所述的低维钙钛矿薄膜层；以及

在所述低维钙钛矿薄膜层上形成所述的电子传输层；以及

在所述电子传输层上形成金属电极层；其中，

所述低维钙钛矿薄膜层的形成，具体包括：

所述低维钙钛矿薄膜层由金属卤化物(MX

本发明所述低维钙钛矿优选为815EI-PbI

将MX

然后在氮气手套箱中用匀胶机将钙钛矿前驱体溶液旋涂在ITO玻璃衬底上，转速为先1500-2000转/分旋涂8-10秒，再4000-5000转/分旋涂20-22秒。

在80-150℃退火处理5-20分钟，形成低维钙钛矿薄膜层。

所述衬底1的材料不限，可为硅片、玻璃、不锈钢片中的任意一种。由于ITO是一种具有良好透明导电性能的金属化合物，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性，因此，所述衬底1优选为ITO导电玻璃。

所述空穴传输层2为聚[3-(丁酸甲胺盐)噻吩](P3CT-N)材料层，厚度为5nm～20nm，相对于常用的空穴传输层PEDOT:PSS(能级5.11eV)，P3CT-N的费米能级更深(5.26eV)，更有利于空穴的有效提取，提升电池效率。P3CT-N优选厚度为10nm。所述P3CT-N的化学结构式如下：

所述钙钛矿薄膜层3的厚度为20nm～50nm。考虑到载流子的平衡传输，优选厚度为30nm。

所述钙钛矿薄膜为由金属卤化物(MX

所述电子传输层4包括依次叠层设置的C60层和TPBi层，所述C60层的厚度为10nm～40nm，所述TPBi层的厚度为6nm～8nm，所述电子传输层4的厚度为16nm～48nm。C60通过真空蒸镀制备，这样得到的C60层更加致密均匀，优选厚度为20nm；而TPBi则作为空穴阻挡层能够抑制电极界面处的复合，提高器件性能，优选厚度为8nm。

所述电极层5的厚度为100nm～300nm，所述电极层5的材料不限，但考虑到金作为电极成本昂贵，而银电极相对便宜，且具有良好的导电能力。因此，所述电极层5优选为银电极。

实施例

如图1所示，本实施例的低维钙钛矿太阳能电池，包括依次叠层设置的衬底1、空穴传输层2、钙钛矿薄膜层3、电子传输层4和电极层5，制备方法如下：

以ITO导电玻璃作为衬底1，依次用ITO清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声洗涤，去除表面油脂和有机物，氮气吹干，再经过臭氧等离子体进一步处理。

在处理后的ITO导电玻璃衬底1上采用溶液旋涂法制备空穴传输层2。空穴传输层2为P3CT-N材料层，采用浓度为1mg/mL的P3CT-N的甲醇溶液旋涂形成，匀胶机的转速为4000转/分钟，时间为30秒，厚度为10nm。

在空穴传输层2上制作钙钛矿薄膜层3，具体方法为：

将8mg 815EI、20mg PbI

然后在氮气手套箱中用匀胶机将钙钛矿前驱体溶液旋涂在空穴传输层上，转速为先2000转/分旋涂10秒，再4000转/分旋涂20秒。

再在手套箱中85℃退火处理10分钟，形成低维钙钛矿薄膜。

在低维钙钛矿层3上制备电子传输层4，采用真空热蒸镀的方法形成厚度为20nm的C60层和在C60层上用真空热蒸镀的方法形成厚度为8nm的TPBi层。

在电子传输层4上采用真空热蒸镀的方法蒸镀一层银作为电极层5，厚度为100nm。

参阅图2，为基于815EI染料的低维钙钛矿的结晶和吸收表征；图中，a为815EI的化学结构以及815EI-PbI

参阅图3，为815EI-PbI

参阅图4，为基于815EI-PbI

参阅图5，为815EI-PbI