鈣鈦礦量子點納米晶的制備及其在量子點太陽電池中的應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了鈣鈦礦量子點納米晶的制備及其在量子點太陽電池中的應用，采用蒸發(fā)溶劑法和溶液法的特點，成功制備出p型半導體：有機鉛鹵化物鈣鈦礦量子點納米晶，通過改變有機/無機反應物之間的配比來調(diào)節(jié)鈣鈦礦半導體的能級，通過改變反應溫度和反應時間來控制鈣鈦礦量子點的粒徑，使之與n型半導體材料TiO2能級相匹配，并輔以PEDOT:PSS作為空穴傳輸材料，組裝成高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦量子點太陽能電池。本發(fā)明的優(yōu)點：鈣鈦礦合成所需原材料成本低廉，操作簡單，反應條件溫和，無高溫高壓反應較為安全，制備晶體穩(wěn)定、晶型良好，半導體能級人為可控。鈣鈦礦太陽能電池易組裝，成本低且具有高的光電轉(zhuǎn)換效率，具有比較高的開發(fā)價值。
【專利說明】鈣鈦礦量子點納米晶的制備及其在量子點太陽電池中的應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦量子點納米晶的制備，具體涉及鈣鈦礦量子點納米晶的制備及其在量子點太陽電池中的應用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)水平的飛速發(fā)展，人類對于能源依賴越來越重。傳統(tǒng)化石能源得到前所未有的重度使用，繼而帶來了一系列的環(huán)境問題；而其不可再生性導致人類對于新型環(huán)保能源需求越來越迫切。太陽能作為一種理想能源而得到重視，光伏發(fā)電因其昂貴的成本及低轉(zhuǎn)化效率成為利用太陽能的最大障礙。降低光伏電池材料及器件的生產(chǎn)成本，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率成為當前最主要的工作。有機鉛鹵化物鈣鈦礦量子點作為一種獨特二維多量子阱結(jié)構(gòu)的有序晶體材料具有如下優(yōu)點:無機組分鹵化鉛為雜化材料提供了一個較高的遷移率、高的熱穩(wěn)定性、較高的介電性和較低的能隙；有機銨鹽則為材料提供了一個優(yōu)良的自組裝和成膜性。有機鉛鹵化物鈣鈦礦的能級可通過改變有機/無機組分的配比來調(diào)控，使其與η型半導體材料的能級相匹配，提高太陽能能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
[0003]在太陽能電池P型半導體材料的選擇中，合成的低成本、材料的穩(wěn)定性和易于調(diào)控的能級是優(yōu)先考慮應用于太陽能電池的因素。有機鉛鹵化物鈣鈦礦具有優(yōu)異的成膜性能是一種理想的太陽電池材料，可替代的傳統(tǒng)太陽能電池材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種鈣鈦礦量子點納米晶的制備及其在量子點太陽電池中的應用，其利用蒸發(fā)溶劑法和溶液法的特點，采用步速降溫工藝，制備出純凈無毒、寬吸收峰、晶型穩(wěn)定的鈣鈦礦納米晶半導體。
[0005]本發(fā)明可通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)，鈣鈦礦量子點納米晶的制備，其特征在于方法步驟如下:
(1)將有機胺RNH2(R=烷烴)溶液加入圓底燒瓶中，將圓底燒瓶置于冰鹽浴中，在Ar保護下攪拌，然后向其中緩慢加入過量的濃氫鹵酸HX(X=Cl、Br、I)水溶液；反應完全后，旋蒸去除溶劑析出有機胺鹽RNH3X粗產(chǎn)物粉末；
(2)將制得的RNH3X粉末置于錐形瓶中，加入無水乙醚攪拌使雜質(zhì)溶解，過濾得粉末，反復三次得純凈RNH3X,移入真空干燥箱中真空干燥得純凈干燥RNH3X,保存于干燥器中；
(3)將RNH3X和PbX2(X= Cl、Br、I)按化學計量比加入到二者混溶溶劑中，整個裝置在Ar保護下密閉加熱攪拌反應；
(4)反應完全后，緩慢步速冷卻，析出晶體，過濾得RNH3PbX3鈣鈦礦晶體粗產(chǎn)物；
(5)將RNH3PbX3移入錐形瓶中，加入無水乙醚攪拌使雜質(zhì)溶解，過濾得粉末，反復三次得純凈RNH3PbX3晶體，移入真空干燥箱中干燥得純凈RNH3PbX3晶體，保存于干燥器中備用。
[0006]本發(fā)明所述鈣鈦礦量子點納米晶的制備及其在量子點太陽電池中的應用，其特征在于:n型半導體材料選用多孔納米T12，將制備好的RNH3PbX3晶體配成溶液，在導電玻璃FTO層旋涂上一層RNH3PbX3薄膜，然后再往RNH3PbX3薄膜上旋涂上一層T12膠體，以PEDOT: PSS為空穴傳輸材料、鉬金為背電極組裝成鈣鈦礦量子點太陽能電池器件。
[0007]優(yōu)選的，所述步驟(I)中有機胺RNH2的R為烷烴。
[0008]優(yōu)選的，所述步驟(I)中濃氫鹵酸HX的X為Cl、Br、I。
[0009]優(yōu)選的，所述步驟(I)到步驟(5 )中的物質(zhì)X為Cl、Br、I。
[0010]優(yōu)選的，所述步驟(3)中RNH3X =PbX2的化學計量比為2:1。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點是:(1)本發(fā)明利用蒸發(fā)溶劑法和溶液法的特點，結(jié)合旋涂制備薄膜的技術(shù)，制備出晶型穩(wěn)定、能級匹配的有機鉛鹵化物鈣鈦礦量子點納米晶，使其與后續(xù)太陽能電池器件組裝工藝相適應。(2)鈣鈦礦合成所需原材料成本低廉，操作簡單，反應條件溫和，無高溫高壓反應較為安全，制備晶體穩(wěn)定、晶型良好，半導體能級人為可控。鈣鈦礦太陽能電池易組裝，成本低且具有高的光電轉(zhuǎn)換效率，具有比較高的開發(fā)價值。
【具體實施方式】
[0012]以下通過具體實施例作進一步描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍。
[0013]本發(fā)明采用蒸發(fā)溶劑法合成有機胺鹽，采用溶液法合成鈣鈦礦:在有機胺鹽RNH3X和鹵化鉛PbX2的混溶溶劑中反應結(jié)晶，采用步述冷卻析出鈣鈦礦量子點晶體。
[0014]本發(fā)明鈣鈦礦量子點納米晶的合成及提純具體步驟如下:
(I)將15mL CH3NH2 (30%水溶液)加入250mL圓底燒瓶中，將圓底燒瓶置于冰鹽浴中，保持溫度穩(wěn)定在(TC，在Ar保護下攪拌，然后向CH3NH2緩慢加入25mL HI (57%水溶液)，攪拌2h使其反應完全，60°C旋蒸去除溶劑，析出CH3NH3I粗產(chǎn)物粉末。
[0015](2)將制得的CH3NH3I粉末置于錐形瓶中，加入無水乙醚攪拌使雜質(zhì)溶解，過濾得粉末。反復三次得純凈CH3NH3I,移入真空干燥箱中70°C真空干燥24h得純凈干燥CH3NH3I,保存于干燥器中。
[0016](3)取30mL Y - 丁內(nèi)酯于250mL圓底燒瓶中，將CH3NH3I和PbI2按化學計量比1:1加入到Y(jié) - 丁內(nèi)酯，整個裝置在Ar保護下密閉，加熱至60°C攪拌反應12h。
[0017](4)反應完全后，以5°C /h步速冷卻至0°C，過濾得CH3NH3PbI3鈣鈦礦量子點晶體粗產(chǎn)物。
[0018](5)將CH3NH3PbI3移入250mL錐形瓶中，加入無水乙醚攪拌0.5h使雜質(zhì)溶解，過濾得粉末，反復三次得純凈CH3NH3PbI3晶體，移入真空干燥箱中70°C真空干燥得純凈CH3NH3PbI3晶體，保存于干燥器中備用。
[0019]本發(fā)明鈣鈦礦量子點太陽能電池組裝步驟如下:
(I)取1.5*2.0cm2的FTO導電玻璃于丙酮、無水乙醇和水摩爾比為2:2:1的溶液中超聲清洗lOmin，隨即用去離子水清洗掉有機溶劑，將洗凈的導電玻璃烘干。
[0020](2)取洗干凈的FTO導電玻璃置于勻膠機上，在導電玻璃FTO層進行旋涂成膜:初速度 300 rad/min旋涂 5s CH3NH3PbI3溶液，將轉(zhuǎn)速提高至 2000 rad/min旋涂 30s CH3NH3PbI3溶液，然后再往CH3NH3PbI3層上2000 rad/min旋涂30s T12膠體，形成p-η結(jié)膜結(jié)構(gòu)。
[0021](3)往p-n結(jié)結(jié)構(gòu)上2000 rad/min旋涂5s PEDOT: PSS,用鉬金電極夾在PEDOT: PSS層組裝成鈣鈦礦量子點太陽能電池。
[0022]通過鈣鈦礦量子點的合成、提純和鈣鈦礦量子點太陽能電池組裝三個步驟制備出低成本、高電子遷移率、高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦量子點，滿足高效太陽能電池制備工藝的要求。
【權(quán)利要求】
1.鈣鈦礦量子點納米晶的制備，其特征在于方法步驟如下: (1)將有機胺RNH2溶液加入圓底燒瓶中，將圓底燒瓶置于冰鹽浴中，在Ar保護下攪拌，然后向其中緩慢加入過量的濃氫鹵酸HX水溶液；反應完全后，旋蒸去除溶劑析出有機胺鹽RNH3X粗產(chǎn)物粉末； (2)將制得的RNH3X粉末置于錐形瓶中，加入無水乙醚攪拌使雜質(zhì)溶解，過濾得粉末，反復三次得純凈RNH3X,移入真空干燥箱中真空干燥得純凈干燥RNH3X,保存于干燥器中； (3)將RNH3X和PbX2按化學計量比加入到二者混溶溶劑中，整個裝置在Ar保護下密閉加熱攪拌反應； (4)反應完全后，緩慢步速冷卻，析出晶體，過濾得RNH3PbX3鈣鈦礦晶體粗產(chǎn)物； (5)將RNH3PbX3移入錐形瓶中，加入無水乙醚攪拌使雜質(zhì)溶解，過濾得粉末，反復三次得純凈RNH3PbX3晶體，移入真空干燥箱中干燥得純凈RNH3PbX3晶體。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦量子點納米晶在量子點太陽電池中的應用，其特征在于:η型半導體材料選用多孔納米T12，將制備好的RNH3PbX3晶體配成溶液，在導電玻璃FTO層旋涂上一層RNH3PbX3薄膜，然后再往RNH3PbX3薄膜上旋涂上一層T12膠體，以PEDOT: PSS為空穴傳輸材料、鉬金為背電極組裝成鈣鈦礦量子點太陽能電池器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦量子點納米晶的制備，其特征在于:所述步驟(I)中有機胺RNH2的R為烷烴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦量子點納米晶的制備，其特征在于:所述步驟(I)中濃氫鹵酸HX的X為Cl、Br、I。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦量子點納米晶的制備，其特征在于:所述步驟(I)到步驟(5)中的物質(zhì)X為Cl、Br、I。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈣鈦礦量子點納米晶的制備在量子點太陽電池中的應用，其特征在于:所述RNH3PbX3中的X為Cl、Br、I。
【文檔編號】H01L31/18GK104327827SQ201410603541
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】李清華, 程園遠, 金肖, 陳子晗 申請人:南昌航空大學