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CN111675252A - 一种太阳能电池吸收层材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种太阳能电池吸收层材料的制备方法及应用 Download PDF

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CN111675252A CN202010435398.7A CN202010435398A CN111675252A CN 111675252 A CN111675252 A CN 111675252A CN 202010435398 A CN202010435398 A CN 202010435398A CN 111675252 A CN111675252 A CN 111675252A
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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池吸收层材料的制备方法及在制备高吸收系数的钙钛矿太阳能电池中应用。制备方法是将CsCl加入二甲亚砜中，等其完全溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl；按照Cs2PdCl6对应元素的摩尔比，将PdCl2和处理过的CsCl配置成前驱体溶液；通过Cs2PdCl6空位缺陷的调控得到含Cl空位缺陷较少的产物，将上述溶液旋涂于电子传输层上，在120‑200℃退火2‑5min，即可合成得到吸收系数高达10×105的Cs2PdCl6材料制作的太阳能电池吸收层。

Description

一种太阳能电池吸收层材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池吸收层材料的制备方法及在制备高吸收系数的钙钛矿太阳能电池中应用。
背景技术
随着太阳能电池技术的发展，太阳能电池从最早的单晶硅电池，多晶硅电池，非晶硅电池，发展到薄膜太阳能电池，而钙钛矿太阳能电池为薄膜太阳能电池之后又一重大研究，相比传统的硅基太阳能电池，钙钛矿太阳能电池的转化效率可以高达22％，为目前市场上使用的太阳能电池转化效率的两倍，能大幅度降低太阳能电池的使用成本，当前市场上占主流的太阳能电池以硅和碲化镉为材料，达到目前的转化效率历时 10多年；而钙钛矿只花了短短4年时间的研究。
目前主要使用的钙钛矿太阳能电池都含有铅元素，而铅元素含有一定的毒性，不适合长时间发展使用，对于电子和光电子半导体等其他应用，也有一定的阻碍。同时，目前使用的半导体材料的光吸收系数普遍在5×105左右，光吸收系数决定了太阳能电池的对于太阳光的吸收效率，所以亟需提高光吸收系数。
因此，提高太阳能电池的光吸收系数以及解决毒性问题成为业界普遍关注的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明使用Cs2PdCl6空位缺陷变体钙钛矿材料来制备太阳能电池的吸收层，包括吸收层材料Cs2PdCl6的合成以及空位缺陷的调控。
本发明通过以下技术方案来实现：
1.吸收层材料Cs2PdCl6的合成
将CsCl加入二甲亚砜中，等其完全溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl；按照Cs2PdCl6对应元素的摩尔比，将 PdCl2和处理过的CsCl配置成前驱体溶液；将上述溶液旋涂于电子传输层上，在120-200℃退火2-5min，即可得到Cs2PdCl6材料制作的太阳能电池吸收层。
2.Cs2PdCl6空位缺陷的调控
将制备好的Cs2PdCl6粉末溶解于10％HCl的溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，同样将CsCl粉末溶解在10％HCl的溶液中后再120℃下加热 60分钟，降至室温，将Cs2PdCl6溶液混合，加热至80℃，持续20分钟直到溶液变为紫红色时，升温至150℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干24h，即可得到太阳能电池吸收层材料(含Cl空位缺陷较少的产物)。
一种太阳能电池吸收层材料的制备方法，包括以下步骤：
1)制备Cs2PdCl6材料；
2)，将制备好的Cs2PdCl6材料溶解于HCl水溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，得到洗涤后的Cs2PdCl6材料，同样，将CsCl粉末溶解于HCl 水溶液中后在100℃～140℃下加热30～90分钟，降温，加入洗涤后的 Cs2PdCl6材料混合，加热至70℃～90℃，持续10～30分钟直到溶液变为紫红色时，升温至130℃～170℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干，得到太阳能电池吸收层材料(即含Cl空位缺陷较少的产物)。
步骤1)中，制备Cs2PdCl6材料具体包括：
将CsCl加入二甲亚砜中，溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl粉末；取PdCl2粉末和处理过的CsCl粉末配置成前驱体溶液，将前驱体溶液在退火后得到Cs2PdCl6材料。
所述的PdCl2粉末与处理过的CsCl粉末的摩尔比为1：1.5～2.5，最优选为1：2。
所述的退火的条件为：130℃～220℃退火2～10min，最优选为 150℃～200℃退火5min。
步骤2)中，所述的HCl水溶液的HCl质量百分数为5～15％，最优选为10％。
所述的溶解Cs2PdCl6材料的HCl水溶液、溶解CsCl粉末的HCl水溶液与步骤1)中PdCl2粉末的用量之比为8～12ml：8～12ml：1mol，最优选为10ml：10ml：1mol。
将CsCl粉末溶解于HCl水溶液中后在110℃～130℃下加热45～75分钟，最优选的，将CsCl粉末溶解于HCl水溶液中后在120℃下加热60 分钟。
加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至75℃～85℃，持续15～25 分钟直到溶液变为紫红色时，升温至140℃～160℃，直接加水冲洗，最优选的，加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至80℃，持续20分钟直到溶液变为紫红色时，升温至150℃，直接加水冲洗。
所述的烘干的时间为18h～30h，进一步优选，所述的烘干的时间为 22h～26h，最优选的，所述的烘干的时间为24h。
使用此方法制备的Cl空位缺陷较少的产物所组装的电池具有较好的空气稳定性。所述的太阳能电池吸收层材料在制备高吸收系数的钙钛矿太阳能电池中的应用，所述的应用具体包括：
A)在透明导电玻璃上制备电子传输层；
B)将太阳能电池吸收层材料溶于二甲亚砜溶液中，旋涂于电子传输层上，退火，得到钙钛矿吸收层(即Cs2PdCl6材料制作的太阳能电池吸收层)；
C)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层以及阳极金属，得到钙钛矿太阳能电池。
步骤A)中，在透明导电玻璃上制备电子传输层，具体包括：
将电子传输层材料TiO2分散在溶剂中，得到电子传输层溶液，然后将电子传输层溶液涂抹于透明导电玻璃上，退火，得到电子传输层。
所述的溶剂为二甲基甲酰胺或者体积比为4：1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶液。
步骤B)中，在130℃～220℃退火2～10min，进一步优选，在150℃～200℃退火3～5min。
所述的钙钛矿太阳能电池包括透明导电玻璃以及依次设置在所述透明导电玻璃上的电子传输层、太阳能电池吸收层(即钙钛矿吸收层)、空穴传输层以及阳极金属。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
今后可以制备出光吸收系数高达10×105以上的Cs2PdCl6材料，禁带宽度在1.4～1.5eV之间，可以用于制备多结太阳能电池，光吸收系数很大，可以使太阳能电池的吸收层制作的很薄。在材料合成的同时使用缺陷调控的技术，可以减少Cl原子的空位缺陷，当这种缺陷减少之后，可以使材料吸收能力更好，当Cl原子逐步替代Br原子的时候，材料的吸收系数逐渐升高，所以减少Cl原子的空位缺陷即可提高吸收系数，本发明制备的太阳能电池吸收层材料(含Cl空位缺陷较少的产物)，具有高吸收系数。同时可以代替目前使用广泛的含有铅元素的钙钛矿，减少材料的毒性。
附图说明
图1是本发明所述的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明制备的用作太阳能电池光吸收层材料的原子结构图。
图3是本发明实施例1的光吸收系数和光子能量图。
图4是本发明实施例2样品的XRD图，SEM图以及合成的产物。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。实施例如无特殊说明，出现的百分数则均为质量百分数。
针对现有技术中，钙钛矿太阳能电池吸收系数差和毒性的问题，本发明公开了一种高吸收系数无毒性的钙钛矿太阳能电池，能够有效提高太阳能电池吸收层的吸收系数。
下面将结合附图对本发明做详细描述。
请参见图1，图1是本发明钙钛矿太阳能电池的结构示意图。如图所示，该太阳能电池包括：以及设置在透明导电玻璃5上的电子传输层4、钙钛矿吸收层3、空穴传输层2和阳极金属1。
本发明是一种高吸收系数材料制作钙钛矿太阳能电池吸收层的方法。步骤1，是将CsCl加入二甲亚砜中，等其完全溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl；按照Cs2PdCl6对应元素的摩尔比，将PdCl2和处理过的CsCl配置成前驱体溶液，将上述溶液在120-200℃退火2-5min，即可合成得到Cs2PdCl6材料。步骤2，将制备好的Cs2PdCl6粉末溶解于10％HCl的溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，同样将CsCl粉末溶解在10％HCl的溶液中后在120℃下加热60分钟，降至室温25℃，将Cs2PdCl6溶液混合，加热至80℃，持续20分钟直到溶液变为紫红色时，升温至150℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干24h，即可得到含Cl空位缺陷较少的产物。使用此方法制备的Cl空位缺陷较少的产物所组装的电池具有较好的空气稳定性。
实施例1：
第一，是将CsCl加入二甲亚砜中，等其完全溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl；取1mol PdCl2粉末和2mol 处理过的CsCl粉末配置成前驱体溶液，将上述溶液在150℃退火5min，即可合成得到Cs2PdCl6材料。
第二，将制备好的Cs2PdCl6粉末溶解于10ml10％HCl的溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，得到洗涤后的Cs2PdCl6材料，同样将CsCl粉末溶解于10ml10％HCl的溶液中后在120℃下加热60分钟，降至室温25℃，加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至80℃，持续20分钟直到溶液变为紫红色时，升温至150℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干 24h，得到粉末(即太阳能电池吸收层材料)。
第三，将电子传输层材料TiO2分散在溶剂(体积比为4：1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶液)中，得到电子传输层溶液，然后将电子传输层溶液涂抹于透明导电玻璃上，退火，得到电子传输层，将制备好的粉末溶于二甲亚砜溶液中，旋涂于电子传输层上，在150℃退火5min，即可合成得到Cs2PdCl6材料制作的太阳能电池吸收层。在钙钛矿吸收层 (即太阳能电池吸收层)上制备空穴传输层以及阳极金属，得到钙钛矿太阳能电池。
图3是本发明实施例1的光吸收系数和光子能量图，如图3所示，当Cl原子逐步替代Br原子的时候，材料的吸收系数逐渐升高，所以减少 Cl原子的空位缺陷即可提高吸收系数。同时可以代替目前使用广泛的含有铅元素的钙钛矿，减少材料的毒性。本发明制备的太阳能电池吸收层材料(含Cl空位缺陷较少的产物)，具有高吸收系数。
实施例2：
第一，是将CsCl加入二甲亚砜中，等其完全溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl；取2mol PdCl2粉末和4mol 处理过的CsCl粉末配置成前驱体溶液，将上述溶液在150℃退火5min，即可合成得到Cs2PdCl6材料。
第二，将制备好的Cs2PdCl6粉末溶解于20ml10％HCl的溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，得到洗涤后的Cs2PdCl6材料，同样将CsCl粉末溶解于20ml10％HCl的溶液中后在120℃下加热60分钟，降至室温25℃，加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至80℃，持续20分钟直到溶液变为紫红色时，升温至150℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干 24h。
第三，将电子传输层材料TiO2分散在溶剂(体积比为4：1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶液)中，得到电子传输层溶液，然后将电子传输层溶液涂抹于透明导电玻璃上，退火，得到电子传输层，将制备好的粉末溶于二甲亚砜溶液中，旋涂于电子传输层上，在200℃退火3min，即可合成得到Cs2PdCl6材料制作的太阳能电池吸收层。在钙钛矿吸收层 (即太阳能电池吸收层)上制备空穴传输层以及阳极金属，得到钙钛矿太阳能电池。
实施例3：
第一，是将CsCl加入二甲亚砜中，等其完全溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl；取1mol PdCl2粉末和2mol 处理过的CsCl粉末配置成前驱体溶液，将上述溶液在120℃退火5min，即可合成得到Cs2PdCl6材料。
第二，将制备好的Cs2PdCl6粉末溶解于10ml10％HCl的溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，得到洗涤后的Cs2PdCl6材料，同样将CsCl粉末溶解于10ml10％HCl的溶液中后在120℃下加热60分钟，降至室温25℃，加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至80℃，持续20分钟直到溶液变为深紫色时，升温至150℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干 24h。
第三，将电子传输层材料TiO2分散在溶剂(体积比为4：1的二甲基甲酰胺和二甲基亚砜混合溶液)中，得到电子传输层溶液，然后将电子传输层溶液涂抹于透明导电玻璃上，退火，得到电子传输层，将制备好的粉末溶于二甲亚砜溶液中，旋涂于电子传输层上，在120℃退火5min，即可合成得到Cs2PdCl6材料制作的太阳能电池吸收层。在钙钛矿吸收层 (即太阳能电池吸收层)上制备空穴传输层以及阳极金属，得到钙钛矿太阳能电池。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备Cs2PdCl6材料；
2)，将制备好的Cs2PdCl6材料溶解于HCl水溶液中，充分溶解、过滤、洗涤，得到洗涤后的Cs2PdCl6材料，同样，将CsCl粉末溶解于HCl水溶液中后在100℃～140℃下加热30～90分钟，降温，加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至70℃～90℃，持续10～30分钟直到溶液变为紫红色时，升温至130℃～170℃，直接加水冲洗，洗涤至上清液透明，烘干，得到太阳能电池吸收层材料。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，制备Cs2PdCl6材料具体包括：
将CsCl加入二甲亚砜中，溶解之后加入异丙醇，将沉淀过滤，真空干燥得到处理过的CsCl粉末；取PdCl2粉末和处理过的CsCl粉末配置成前驱体溶液，将前驱体溶液在退火后得到Cs2PdCl6材料。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的PdCl2粉末与处理过的CsCl粉末的摩尔比为1：1.5～2.5。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的退火的条件为：130℃～220℃退火2～10min。
5.根据权利要求2所述的太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的HCl水溶液的HCl质量百分数为5～15％。
6.根据权利要求2所述的太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的溶解Cs2PdCl6材料的HCl水溶液、溶解CsCl粉末的HCl水溶液与步骤1)中PdCl2粉末的用量之比为8～12ml：8～12ml：1mol。
7.根据权利要求2所述的太阳能电池吸收层材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，将CsCl粉末溶解于HCl水溶液中后在110℃～130℃下加热45～75分钟；
加入洗涤后的Cs2PdCl6材料混合，加热至75℃～85℃，持续15～25分钟直到溶液变为紫红色时，升温至140℃～160℃，直接加水冲洗。
8.根据权利要求1～7任一项所述的制备方法制备的太阳能电池吸收层材料在制备高吸收系数的钙钛矿太阳能电池中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的应用具体包括：
A)在透明导电玻璃上制备电子传输层；
B)将太阳能电池吸收层材料溶于二甲亚砜溶液中，旋涂于电子传输层上，退火，得到太阳能电池吸收层；
C)在太阳能电池吸收层上制备空穴传输层以及阳极金属，得到钙钛矿太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，
步骤A)中，在透明导电玻璃上制备电子传输层，具体包括：
将电子传输层材料TiO2分散在溶剂中，得到电子传输层溶液，然后将电子传输层溶液涂抹于透明导电玻璃上，退火，得到电子传输层；
步骤B)中，在130℃～220℃退火2～10min。
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