一種骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料的制備及其應(yīng)用
【專(zhuān)利摘要】一種骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料的制備及其應(yīng)用，屬于有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料和光電材料技術(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)，且薄膜表面致密，制成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，具有較高的光電轉(zhuǎn)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(jiǎn)單，可控性和重復(fù)性強(qiáng)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料的制備及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料和光電材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料的制備方法及其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能因廉價(jià)、清潔、環(huán)境友好和可再生等優(yōu)點(diǎn)引起科學(xué)研究者的廣泛關(guān)注。近幾年，鈣鈦礦型有機(jī)鉛鹵化合物(ABX3)具有良好的光吸收、光電轉(zhuǎn)換特性以及原料豐富、成本廉價(jià)、可低溫溶液制備等特點(diǎn)，已經(jīng)受到越來(lái)越多的人的重視。基于這種鈣鈦礦材料的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率發(fā)展迅猛。其中，有機(jī)鉛鹵化合物作為電池的吸光材料，其形貌、微結(jié)構(gòu)和結(jié)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(jī)鉛鹵鈣鈦礦吸光材料形貌及結(jié)晶度是提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的重點(diǎn)之一。目前，有機(jī)鉛鹵I丐鈦礦薄膜主要由球形顆粒無(wú)序堆積而成。最近有文獻(xiàn)報(bào)道JeongHyeok Im等(JeongHyeok Im,Jingshan Luo,Marius Franckevicius,Nano Lett,2015,15,2120-2126)通過(guò)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(duì)有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦吸光材料的有序制備的報(bào)道甚少。六亞甲基四胺(HMT)，常用于無(wú)機(jī)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(xué)浴方法成功制備了排列有序的ZnO納米管。但其在有機(jī)無(wú)機(jī)材料的制備，特別是調(diào)控材料形貌的應(yīng)用研究至今還未有文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料的制備方法及其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。將HMT加入到前驅(qū)體溶液中，利用旋涂法制成骨棒狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦薄膜，將此薄膜用在太陽(yáng)能電池中，具有良好的光電轉(zhuǎn)化效率和較好的穩(wěn)定性。
[0004]本發(fā)明制備骨棒結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)溶劑中，常溫?cái)嚢柽^(guò)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(dǎo)電基底或涂有電子傳輸薄層的導(dǎo)電基底上，進(jìn)行鈣鈦礦薄膜的制備，滴加氯苯，促進(jìn)鈣鈦礦結(jié)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(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜。
[0009]太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用:骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜在太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
[0010]其中AX 中的 A基團(tuán)選自 CH3NH3、NH2-CH=NH2、CH3CH2NH3、CH3 (CH2) 2NH3、CH3 (CH2) 3NH3、C6H5 (CH2) 2NH3基團(tuán)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(fèi)為Pb、Sn中的一種;金屬鹽化合物中的陰離子X(jué)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(jī)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(jī)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?jī)?yōu)選為30-60wt %。
[0015]所述的導(dǎo)電基底為FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃或柔性導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(yáng)能電池。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)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(jī)鉛鹵鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液成本低廉、操作簡(jiǎn)單；
[0021]2)本發(fā)明所述的基于HMT的有機(jī)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(xiàn)中還未有報(bào)道。實(shí)驗(yàn)表明，由該薄膜制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1、實(shí)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(shí)施例1制備的骨棒狀鈣鈦礦薄膜材料制備的太陽(yáng)能電池的1-V曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0025]實(shí)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?cái)嚢柽^(guò)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(dǎo)電基底上，用旋涂法，旋涂法的轉(zhuǎn)速為5000rpm，旋涂時(shí)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(jìn)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(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜。
[0030]3)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用:
[0031]骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(yáng)能電池。
[0032]從圖1中可以看出，基于HMT的有機(jī)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(jié)構(gòu)，且薄膜表面致密。
[0033]從圖2中可以看出，基于HMT的有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦的薄膜材料制成的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在標(biāo)準(zhǔn)光源(AM 1.5G，100mW/cm2)的照射下，測(cè)量電池的電流電壓曲線，計(jì)算出鈣鈦礦太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)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(yáng)能電池，具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，光電轉(zhuǎn)換效率為10.84%。
[0034]實(shí)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?cái)嚢柽^(guò)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(dǎo)電基底上，用旋涂法，旋涂法的轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時(shí)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(jìn)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(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜。
[0037]3)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用:骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(yáng)能電池。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種骨棒結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)溶劑中，常溫?cái)嚢柽^(guò)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(dǎo)電基底或涂有電子傳輸薄層的導(dǎo)電基底上，進(jìn)行鈣鈦礦薄膜的制備，滴加氯苯，促進(jìn)鈣鈦礦結(jié)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(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜。2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中AX中的A基團(tuán)選自CH3NH3、NH2-CH=NH2、CH3CH2NH3、CH3 (CH2) 2NH3、CH3 (CH2) 3NH3、C6H5 (CH2) 2NH3 基團(tuán)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中MX2的金屬M(fèi)為Pb、Sn中的一種;MX2中的陰離子X(jué)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的有機(jī)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，有機(jī)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(jī)溶劑中的濃度為0.1-3mg/ml。6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，有機(jī)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的導(dǎo)電基底為FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃或柔性導(dǎo)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(dǎo)體材料。8.按照權(quán)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(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法制備得到的骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料。10.按照權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法制備得到的骨棒結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜材料在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】H01L51/42GK105845826SQ201610204463
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】北京化工大學(xué)