Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法

摘要

本申请涉及一种Mxene‑F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池，其包括自下而上依次层叠设置的导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层，电子传输层为Mxene‑F掺杂PCBM层，对电子传输层界面进行优化，减少其界面缺陷，使能带匹配，提升钙钛矿太阳电池的效率，同时Mxene‑F的掺杂能够提高PCBM界面的疏水性，从而提高器件稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于钙钛矿太阳能电池领域。

背景技术

钙钛矿太阳能电池是由于其价格便宜，制造工艺简单以，光电转换效率高和带宽可调利于做叠层太阳能电池上电池等优点，近年来受到了很大的关注。

传统的倒置钙钛矿太阳能电池一般使用PCBM，C60等作为电子传输层(ETL)，但是，在钙钛矿层上直接旋涂或蒸镀制备电子传输层，界面处会有缺陷等形成，且能带不够匹配，效率会有所损失。因此需要一些钝化层或者修饰处理以减少缺陷态或调整导带位置使能带更加匹配，同时，也能提高器件的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池，能够减少界面缺陷从而提高其效率和稳定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池，所述Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池包括自下而上依次层叠设置的导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层，所述电子传输层为Mxene-F掺杂PCBM层。

进一步地，所述钙钛矿层的A位离子选自FA、MA或Cs中的任一种或多种；B位离子选自Pb、Sn或Ge任中的任一种或多种；X位离子选自I、Br或Cl中的任一种或多种。

进一步地，所述空穴传输层选自Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA、PThTPTI、金属氧化物或氧化石墨烯中的至少一种。

进一步地，所述顶电极层为金属或有机材料。

进一步地，所述顶电极层的厚度为80-120nm；所述空穴传输层的厚度为20-50nm；所述电子传输层的厚度为20-40nm。

本发明还提供一种Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述制备方法用以制备所述的Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：

S1、提供导电基底，对所述导电基底进行预处理；

S2、所述导电基底上制备空穴传输层；

S3、所述空穴传输层上制备钙钛矿层；

S4、利用溶液法在所述钙钛矿层上制备电子传输层，所述电子传输层为Mxene-F掺杂PCBM层；

S5、在所述电子传输层上制备顶电极层。

进一步地，所述电子传输层的具体制备步骤为：提供Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液，将所述Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液滴于所述钙钛矿层上；以1000-2000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；随后在100℃-150℃的温度下退火10-20min，得到所述电子传输层。

进一步地，所述Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液的具体制备方法为：将Ti

进一步地，对所述导电基底进行预处理的具体方法为：对所述导电基底进行清洗，首先用去离子水超声10min，之后分别在丙酮和无水乙醇中超声10min以出去杂质及附着有机物，最后再超声10min后用洁净氮气吹干表面，并在120℃保温10min后，UV照射10min。

进一步地，采用溶液法制备所述钙钛矿层和空穴传输层。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用Mxene-F掺杂PCBM层作为电子传输层，对电子传输层界面进行优化，减少其界面缺陷，使能带匹配，提升钙钛矿太阳电池的效率，同时Mxene-F的掺杂能够提高PCBM界面的疏水性，从而提高器件稳定性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图2为未掺杂Mxene-F的PCBM作为电子传输层的表面形成的水滴的接触图像；

图3为掺杂Mxene-F的PCBM作为电子传输层的表面形成的水滴的接触图像。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本发明一实施例所示的Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池，其包括自下而上依次层叠设置的导电基底1、空穴传输层2、钙钛矿层3、电子传输层4和顶电极层5。

其中，钙钛矿层3为可为任何能够充当其功能的钙钛矿材料，具体的，钙钛矿层3的A位离子选自FA、MA、Rb或Cs中的任一种或多种；B位离子选自Pb、Sn或Ge任中的任一种或多种；X位离子选自I、Br或Cl中的任一种或多种。空穴传输层2可为任何能够充当其功能的材料，选自Spiro-MeOTAD、PEDOT:PSS、P3HT、PTAA、PThTPTI、金属氧化物或氧化石墨烯中的至少一种，但不仅限于此，在此不再一一列举。顶电极层5为金属电极或有机材料电极，关于顶电极层5的材料，在此不一一列举。

在本实施例中，导电基底1为ITO或FTO等导电材料。电子传输层4为Mxene-F掺杂PCBM层，厚度为20-40nm。钙钛矿层3为Cs

Mxene-F掺杂PCBM层作为电子传输层4，对电子传输层4界面进行优化，减少其界面缺陷，使能带匹配，提升了钙钛矿太阳电池的效率。

请参见图2和图3，未掺杂Mxene-F的PCBM作为电子传输层的接触角为86.9°，而本发明的掺杂Mxene-F的PCBM作为电子传输层的接触角为101.9°，Mxene-F的掺杂能够提高PCBM界面的疏水性，使得电子传输层具有更好的疏水性，更好的保护了钙钛矿层，减少了水汽对其的损害，从而提高器件稳定性。

本发明还提供一种Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，制备方法用以制备上述的Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：

S1、提供导电基底，对导电基底进行预处理；

S2、导电基底上制备空穴传输层；

S3、空穴传输层上制备钙钛矿层；

S4、利用溶液法在钙钛矿层上制备电子传输层，电子传输层为Mxene-F掺杂PCBM层；

S5、在电子传输层上制备顶电极层。

其中，采用溶液法制备钙钛矿层和空穴传输层。电子传输层的具体制备步骤为：提供Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液，将Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液滴于钙钛矿层上；以1000-2000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；随后在100℃-150℃的温度下退火10-20min，得到电子传输层。

对导电基底进行预处理的具体方法为：对导电基底进行清洗，首先用去离子水超声10min，之后分别在丙酮和无水乙醇中超声10min以出去杂质及附着有机物，最后再超声10min后用洁净氮气吹干表面，并在120℃保温10min后，UV照射10min。

利用溶液法制备钙钛矿太阳能电池，该方法具有环保，低温，设备和和原料投资较少，可大面积制备的特点，实现大规模工业应用，制备中较低的温度使得制备简单高效，制备成本较低。

关于Mxene-F掺杂电子传输层钙钛矿太阳能电池的制备方法，下面进行详细说明。

步骤一、清洗导电基底

提供FTO作为导电基底，对FTO进行清洗，首先用去离子水超声10min，之后分别在丙酮和无水乙醇中超声10min以出去杂质及附着有机物，最后再超声10min后用洁净氮气吹干表面，并在120℃保温10min后，UV照射10min。

步骤二、制备空穴传输层

采用溶液法将Spiro-OMeTAD溶液制备成空穴传输层，具体的：配制Spiro-OMeTAD溶液，通过0.22μm孔径、PES材质滤嘴的注射器滴加在FTO上，以3000rpm的速度在空气中旋涂30s；旋涂完毕后，置于250℃的加热板上退火1h，Spiro-OMeTAD溶液在上FTO上凝固成膜，制得空穴传输层。

步骤三、制备钙钛矿层

分别用1.25mol/L的MAI和PbI

步骤四、制备电子传输层

提供Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液，将Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液通过0.22μm孔径、PES材质滤嘴的注射器滴加滴于钙钛矿层上；以1000rpm的速度在空气中旋涂45s；随后在100℃的温度下退火10min，得到电子传输层。

其中，Mxene-F掺杂PCBM前驱体溶液的具体制备方法为：将Ti

步骤五、制备顶电极层

将颗粒状金属材料Au放置于热蒸发镀膜机的坩埚中，关闭腔体进行真空热蒸发镀膜操作，将金属材料Au镀制在电子传输层上，形成顶电极层。

综上：本发明采用Mxene-F掺杂PCBM层作为电子传输层，对电子传输层界面进行优化，减少其界面缺陷，使能带匹配，提升钙钛矿太阳电池的效率，同时Mxene-F的掺杂能够提高PCBM界面的疏水性，从而提高器件稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。