一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层、制备方法和应用

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层、制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着能源枯竭与环境污染等问题日益严峻，清洁无害的太阳能电池备受世界各国的广泛关注。其中基于abx3结构的单结钙钛矿太阳能电池自2009年以来，已达到26.25%的认证效率，被认为是未来最有可能替代传统单晶硅电池的新型太阳能电池之一。

2、倒置结构的钙钛矿太阳能电池相比传统正置结构的钙钛矿电池，具有制备工艺简单、无明显迟滞效应、便于大面积推广等优势，一般由透明导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、金属电极组成。空穴传输层作为钙钛矿电池的重要组成部分，在收集空穴、抑制电子背向传输以及保护钙钛矿层免受外界环境因素影响等方面都起到了重要作用。

3、早期的空穴传输层主要以ptaa、pedot：pss等有机材料为主，其中ptaa空穴传输材料具有良好的空穴迁移能力和能级匹配性，但是其成膜覆盖性不足，不利于大面积制备；pedot：pss空穴传输材料中，pss的引入可有效改善pedot的成膜性，但是其强吸水性和腐蚀性会对钙钛矿层和衬底产生不可逆转的损害，进而不利于电池的稳定性。且上述有机材料均具有较为昂贵的生产成本和较低的化学稳定性。基于以上问题，具有低成本、良好化学稳定性的无机空穴传输材料如niox、cuox、cui、moox等被引入钙钛矿太阳能电池中。其中，niox具有高光学透明度和易规模化的特点，在倒置钙钛矿太阳能电池中表现出优良的性能。然而，基于纯的niox空穴传输层的钙钛矿电池仍存在一些问题，如1) niox相对较低的本征电导率导致界面处的电荷积累和复合；2) 其表面存在的大量缺陷导致钙钛矿和niox之间晶格失配引发的器件不稳定性等问题。

4、为了提升基于niox的钙钛矿太阳能电池的光伏性能，一些具有良好空穴传输性能的有机和无机材料被掺杂或引入缓冲层来改善空穴传输层的性能。cu2o作为无机材料，具有较好的导电性，且其cu+具有跟ni2+相似的离子半径，可以与氧化镍形成良好的晶格配位或替位掺杂。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足以及技术改进需求，本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层、制备方法和应用，本发明采用cu2o/niox复合薄膜作为空穴传输层，性能优异、原料容易获得；将其应用于钙钛矿太阳能电池中，cu2o/niox复合空穴传输层有助于促进钙钛矿薄膜的晶粒生长、提升钙钛矿薄膜的疏水性和抑制载流子复合，提高钙钛矿太阳能电池的转换效率，解决传统单一无机或有机材料作为空穴传输层时载流子迁移率差的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

3、本发明提供一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层的制备方法，空穴传输层为cu2o/niox复合薄膜层；其通过将氧化镍纳米水凝胶和氧化亚铜纳米水凝胶按比例混合成前驱体分散液后旋涂法沉积、再退火制备空穴传输层；其中：氧化镍纳米水凝胶、氧化亚铜纳米水凝胶是分别将氧化镍或氧化亚铜与聚乙烯醇通过循环冷冻-解冻过程分散于水溶剂中制得；具体步骤如下：

4、s1：常温下，将聚乙烯醇分散于水中，并在90-100℃的温度下充分搅拌回流形成稳定的溶胶后冷却至常温；

5、s2：将纳米氧化镍、纳米氧化亚铜分别经超声波细胞破碎仪分散于水中，并在90-100℃的温度下与聚乙烯醇溶胶混合、充分搅拌回流形成稳定的水溶胶；将所得水凝胶置于冰箱中冷冻，再将其取出置于常温环境下解冻，反复冷冻-解冻循环若干次，分别制得氧化镍纳米水凝胶、氧化亚铜纳米水凝胶；

6、s3：将氧化镍纳米水凝胶和氧化亚铜纳米水凝胶按比例混合后旋涂沉积于衬底进行退火，制得钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层。

7、本发明中，步骤s1中，聚乙烯醇溶液浓度为40-100mg/ml。

8、本发明中，步骤s2中，控制氧化镍纳米水溶胶的浓度为10~40mg/ml，氧化亚铜纳米水溶胶的浓度为3~10 mg/ml，90-100℃的温度下搅拌回流时间为3-6h；冷冻时，在-25℃的冰箱中冷冻12-24h；解冻是时，置于常温环境下5-8h；冷冻-解冻循环3次。

9、本发明中，步骤s3中，旋涂时，旋涂液中氧化亚铜和氧化镍的摩尔比为1:9~1:19。

10、本发明中，步骤s3中，衬底为ito导电玻璃；退火温度为120-150℃，退火时间为20-30min。

11、本发明还提供一种上述制备方法制得的钙钛矿太阳能电池用空穴传输层，空穴传输层为cu2o/niox复合薄膜层。

12、本发明中，空穴传输层的厚度在25nm~60 nm之间。

13、本发明还提供一种上述的钙钛矿太阳能电池用空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

14、本发明中，钙钛矿太阳能电池从下到上依次包括光阳极、空穴传输层、钙钛矿层、钝化层、电子传输层、电子阻挡层和光阴极；其中光阳极为ito导电玻璃，钝化层采用碘化苯乙胺peai、电子传输层采用[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯pc60bm和c60、电子阻挡层采用2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉bcp，光阴极为ag电极。

15、总体而言，本发明与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

16、1、本发明提供了一种钙钛矿空穴传输层，其含有氧化镍和氧化亚铜，其在钙钛矿太阳能电池中发挥传输空穴的作用时，氧化亚铜具有较高的电导率，有利于增大钙钛矿电池的载流子运输效率；同时氧化亚铜具有优良的稳定性，将其引入有助于钙钛矿的晶粒生长，有效提升钙钛矿层的稳定性和疏水性能。

17、2、本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层的制备方法，原料易得，制备工艺简单。

18、3、本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，上述钙钛矿太阳能电池用空穴传输层可有效优化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、提升其稳定性。

技术特征：

1.一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层的制备方法，其特征在于，空穴传输层为cu2o/niox复合薄膜层；其通过将氧化镍纳米水凝胶和氧化亚铜纳米水凝胶按比例混合后旋涂沉积再退火制备得到；其中：氧化镍纳米水凝胶、氧化亚铜纳米水凝胶是分别将氧化镍或氧化亚铜纳米颗粒通过循环冷冻-解冻过程掺入聚乙烯醇水溶液制得。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，聚乙烯醇溶液的浓度为40~100mg/ml。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，控制氧化镍纳米水溶胶的浓度为10~40mg/ml，氧化亚铜纳米水溶胶的浓度为3~10 mg/ml，90-100℃的温度下搅拌回流时间为3-6h；冷冻时，在-25℃的冰箱中冷冻12-24h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，旋涂时，氧化亚铜和氧化镍的摩尔比为1:9~1:19。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，衬底为ito导电玻璃；退火温度为120-150℃，退火时间为20-30min。

7.一种根据权利要求1-6之一所述制备方法制得的钙钛矿太阳能电池用空穴传输层，其特征在于，空穴传输层为cu2o/niox复合薄膜层。

8.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池用空穴传输层，其特征在于，空穴传输层的厚度在25nm~60 nm之间。

9.一种根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池用空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，钙钛矿太阳能电池从下到上依次包括光阳极、空穴传输层、钙钛矿层、钝化层、电子传输层、电子阻挡层和光阴极；其中光阳极为ito导电玻璃，钝化层采用碘化苯乙胺peai、电子传输层采用[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯pc60bm和c60、电子阻挡层采用2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉bcp，光阴极为ag电极。

技术总结本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池用空穴传输层、制备方法和应用；本发明中以Cu<subgt;2</subgt;O/NiO<subgt;X</subgt;复合薄膜作为空穴传输层；空穴传输层通过直接将氧化镍纳米复合水溶胶和氧化亚铜纳米复合水溶胶按比例混合成前驱体分散液后，依次经高速旋涂沉积、退火制备得到；其中：氧化镍纳米复合水溶胶、氧化亚铜纳米复合水溶胶是分别将氧化镍或氧化亚铜纳米颗粒分散于聚乙醇水溶胶中并通过多次冷冻‑解冻循环后制得。本发明空穴传输层的制备原料廉价易得；将空穴传输层应用于钙钛矿太阳能电池时，发现其有助于促进钙钛矿薄膜的大晶粒生长、提升疏水性和抑制载流子复合，解决了传统钙钛矿层电子迁移率不足的问题，有效提高光电转换性能。技术研发人员：李文琴,张载鑫,刘泽,王思琪,韩思旺,张皓翔,张慧颖,吴子华,王元元受保护的技术使用者：上海第二工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23