一種骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料的制備及其應用
【專利摘要】一種骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料的制備及其應用，屬于有機無機復合材料和光電材料技術領域。主要步驟為在鈣鈦礦前驅(qū)液中加入六亞甲基四胺(HMT)，采用旋涂法制備鈣鈦礦薄膜，有效的調(diào)控鈣鈦礦的形貌。這種HMT調(diào)控制備的鈣鈦礦晶體堆積成骨棒結構，且薄膜表面致密，制成鈣鈦礦太陽能電池，具有較高的光電轉換效率。本發(fā)明所提供的材料制備方法成本低廉，穩(wěn)定性好，制備工藝簡單，可控性和重復性強，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】
一種骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料的制備及其應用
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于有機無機復合材料和光電材料技術領域，特別涉及一種骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料的制備方法及其在太陽能電池中的應用。
【背景技術】
[0002]太陽能因廉價、清潔、環(huán)境友好和可再生等優(yōu)點引起科學研究者的廣泛關注。近幾年，鈣鈦礦型有機鉛鹵化合物(ABX3)具有良好的光吸收、光電轉換特性以及原料豐富、成本廉價、可低溫溶液制備等特點，已經(jīng)受到越來越多的人的重視?；谶@種鈣鈦礦材料的太陽能電池的光電轉換效率發(fā)展迅猛。其中，有機鉛鹵化合物作為電池的吸光材料，其形貌、微結構和結晶性在很大程度上影響光生載流子在鈣鈦礦電池的分離與傳輸，因而調(diào)控有機鉛鹵鈣鈦礦吸光材料形貌及結晶度是提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率的重點之一。目前，有機鉛鹵I丐鈦礦薄膜主要由球形顆粒無序堆積而成。最近有文獻報道JeongHyeok Im等(JeongHyeok Im,Jingshan Luo,Marius Franckevicius,Nano Lett,2015,15,2120-2126)通過在碘甲胺的異丙醇溶液中，加入極性非質(zhì)子溶劑，制備有序的納米線狀的鈣鈦礦，提高了載流子傳輸特性。然而，目前對有機鉛鹵鈣鈦礦吸光材料的有序制備的報道甚少。六亞甲基四胺(HMT)，常用于無機納米材料的制備。Mingzhi Jiao等(Mingzhi Jiao,Nguyen VietChien,Nguyen Van Duy,Materials Letters，2016，169，231_235)等米用硝酸鋅與HMT為前驅(qū)體溶液，利用化學浴方法成功制備了排列有序的ZnO納米管。但其在有機無機材料的制備，特別是調(diào)控材料形貌的應用研究至今還未有文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料的制備方法及其在太陽能電池中的應用。將HMT加入到前驅(qū)體溶液中，利用旋涂法制成骨棒狀結構的有機鉛鹵鈣鈦礦薄膜，將此薄膜用在太陽能電池中，具有良好的光電轉化效率和較好的穩(wěn)定性。
[0004]本發(fā)明制備骨棒結構鈣鈦礦薄膜材料，具體步驟如下:
[0005]I)鈣鈦礦前驅(qū)體液的配置:
[0006]將有機胺離子化合物AX、金屬鹽化合物1?2與!1^(六亞甲基四胺)混合到有機溶劑中，常溫攪拌過夜，配置成鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；
[0007]2)鈣鈦礦薄膜的制備:
[0008]在手套箱中，將步驟I)所得的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，采用旋涂法，在導電基底或涂有電子傳輸薄層的導電基底上，進行鈣鈦礦薄膜的制備，滴加氯苯，促進鈣鈦礦結晶和快速成核;而后將制備好的薄膜在加熱板上退火，冷卻至室溫，得到骨棒結構的鈣鈦礦薄膜。
[0009]太陽能電池中的應用:骨棒結構的鈣鈦礦薄膜在太陽能電池結構中的應用。
[0010]其中AX 中的 A基團選自 CH3NH3、NH2-CH=NH2、CH3CH2NH3、CH3 (CH2) 2NH3、CH3 (CH2) 3NH3、C6H5 (CH2) 2NH3基團中的一種；
[0011]AX中的X為1、Br、Cl中一種。其中AX選自上述AX所述的一種、兩種或幾種混合物。
[0012]MX2中的金屬M為Pb、Sn中的一種;金屬鹽化合物中的陰離子X為1、Br、Cl中一種。MX2選自上述MX2所述的一種、兩種或幾種混合物。
[0013]所述的有機溶劑為N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亞砜(DMS0)、y-丁內(nèi)酯(GBL)中的至少一種。
[0014]AX、MX2的摩爾比為1:1，HMT (六亞甲基四胺)在有機溶劑中的濃度為0.l_3mg/ml ；AX和MX2在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的質(zhì)量百分含量優(yōu)選為30-60wt %。
[0015]所述的導電基底為FTO導電玻璃、ITO導電玻璃或柔性導電基底。
[0016]所述的電子傳輸薄層的材料為Zn0、Ti02、Sn02、和PCBM中的任意一種半導體材料。
[0017]所述得在加熱板上退火處理為50?100°C加熱5?60min。
[0018]所述的骨棒結構的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦太陽能電池結構中的應用為將制備好的薄膜旋涂空穴傳輸層，蒸鍍Ag電極，制備成鈣鈦礦太陽能電池。
[0019]與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020]I)本發(fā)明所述的基于HMT的有機鉛鹵鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液成本低廉、操作簡單；
[0021]2)本發(fā)明所述的基于HMT的有機鉛鹵鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液制成的鈣鈦礦薄膜材料呈有序的骨棒狀(兩頭較大中間較小的圓棒狀)，這種形貌至今在文獻中還未有報道。實驗表明，由該薄膜制備的鈣鈦礦太陽能電池具有較高的光電轉換效率。
【附圖說明】
[0022]圖1、實施例1制備的骨棒狀鈣鈦礦薄膜材料的掃描電鏡照片。
[0023]圖2、實施例1制備的骨棒狀鈣鈦礦薄膜材料制備的太陽能電池的1-V曲線。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖和實例來對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0025]實施例1
[0026]I)鈣鈦礦前驅(qū)體液的配置:
[0027]將碘甲胺和碘化鉛以摩爾比為1:1和3mg的HMT加入2ml的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，常溫攪拌過夜，配置成質(zhì)量百分含量為35%的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。
[0028]2)鈣鈦礦薄膜的制備:
[0029]在手套箱中，將步驟I)所得的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，在涂有ZnO的導電基底上，用旋涂法，旋涂法的轉速為5000rpm，旋涂時間為30s，第4?6s滴加氯苯，然后邊旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液邊滴加氯苯，進行鈣鈦礦薄膜的制備，而后將制備好的薄膜在加熱板上70°C退火20min，冷卻至室溫，得到骨棒結構的鈣鈦礦薄膜。
[0030]3)太陽能電池中的應用:
[0031]骨棒結構的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦太陽能電池結構中的應用。將制備好的骨棒鈣鈦礦薄膜旋涂空穴傳輸層，蒸鍍Ag電極，制備成鈣鈦礦太陽能電池。
[0032]從圖1中可以看出，基于HMT的有機鉛鹵鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液制成的鈣鈦礦薄膜材料，晶體堆積成骨棒結構，且薄膜表面致密。
[0033]從圖2中可以看出，基于HMT的有機鉛鹵鈣鈦礦的薄膜材料制成的鈣鈦礦太陽能電池，在標準光源(AM 1.5G，100mW/cm2)的照射下，測量電池的電流電壓曲線，計算出鈣鈦礦太陽能的光電轉換效率?？梢钥闯?，這種骨棒狀鈣鈦礦薄膜材料制成的鈣鈦礦太陽能電池，具有較高的光電轉換效率，光電轉換效率為10.84%。
[0034]實施例2
[0035]I)鈣鈦礦前驅(qū)體液的配置:將碘甲胺和碘化鉛以摩爾比為1:1和5mg的HMT加入3ml的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，常溫攪拌過夜，配置成45 %的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液。
[0036]2)鈣鈦礦薄膜的制備:在手套箱中，將步驟I)所得的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，在涂有ZnO的導電基底上，用旋涂法，旋涂法的轉速為4000rpm，旋涂時間為30s，第4?6s滴加氯苯，然后邊旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液邊滴加氯苯，進行鈣鈦礦薄膜的制備，而后將制備好的薄膜在加熱板上70°C退火25min，冷卻至室溫，得到骨棒結構的鈣鈦礦薄膜。
[0037]3)太陽能電池中的應用:骨棒結構的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦太陽能電池結構中的應用。將制備好的骨棒鈣鈦礦薄膜旋涂空穴傳輸層，蒸鍍Ag電極，制備成鈣鈦礦太陽能電池。
【主權項】
1.一種骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)鈣鈦礦前驅(qū)體液的配置: 將有機胺離子化合物AX、金屬鹽化合物1?2與腿1'(六亞甲基四胺)混合到有機溶劑中，常溫攪拌過夜，配置成鈣鈦礦前驅(qū)體溶液； 2)鈣鈦礦薄膜的制備: 在手套箱中，將步驟I)所得的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，采用旋涂法，在導電基底或涂有電子傳輸薄層的導電基底上，進行鈣鈦礦薄膜的制備，滴加氯苯，促進鈣鈦礦結晶和快速成核；而后將制備好的薄膜在加熱板上退火，冷卻至室溫，得到骨棒結構的鈣鈦礦薄膜。2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，其中AX中的A基團選自CH3NH3、NH2-CH=NH2、CH3CH2NH3、CH3 (CH2) 2NH3、CH3 (CH2) 3NH3、C6H5 (CH2) 2NH3 基團中的一種;AX 中的 X為 1、Br、Cl 中一種;其中AX選自上述AX所述的一種、兩種或幾種化合物的混合物。3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，其中MX2的金屬M為Pb、Sn中的一種;MX2中的陰離子X為1、Br、Cl中一種;其中MX2為選自上述MX2所述的一種化合物、兩種化合物或幾種化合物的混合物。4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的有機溶劑為N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亞砜(DMSO)、γ-丁內(nèi)酯(GBL)中的至少一種。5.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，有機胺離子化合物ΑΧ、金屬鹽化合物的摩爾比為1:1，HMT(六亞甲基四胺)在有機溶劑中的濃度為0.1-3mg/ml。6.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，有機胺離子化合物AX和金屬鹽化合物總量在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的質(zhì)量百分含量為30-60wt%。7.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的導電基底為FTO導電玻璃、ITO導電玻璃或柔性導電基底;所述的電子傳輸薄層的材料為Zn0、Ti02、Sn02或PCBM中的任意一種半導體材料。8.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，在加熱板上退火處理為50?100°C加熱5?60mino9.按照權利要求1-8任一項所述的方法制備得到的骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料。10.按照權利要求1-8任一項所述的方法制備得到的骨棒結構的鈣鈦礦薄膜材料在鈣鈦礦太陽能電池結構中的應用。
【文檔編號】H01L51/42GK105845826SQ201610204463
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】鄭言貞, 趙二菲, 陶霞, 孟凡理, 張想鳳
【申請人】北京化工大學