本發(fā)明屬于涉及太陽能電池器件領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

能源問題是社會(huì)的重要問題，在我國的能源消費(fèi)占比中，不可再生能源所占比例高達(dá)91.27％，而可再生能源僅占了不到9％，而按照當(dāng)前勘探到的地球不可再生資源(石油、煤炭、天然氣和核燃料等)的儲(chǔ)量，預(yù)計(jì)在不久的將來，能源短缺所帶來的系列問題將會(huì)日益凸顯。因此，大力發(fā)展清潔可再生能源是我國乃至整個(gè)人類社會(huì)得以可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

鈣鈦礦太陽能電池作為新興太陽能電池，具有光電轉(zhuǎn)換效率高，制備工藝簡單，制作成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在短短六七年的時(shí)間里，鈣鈦礦太陽能電池的研究取得了重大進(jìn)展，它的光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8％提高到超過22％，鈣鈦礦太陽電池的進(jìn)展讓人們看到了曙光，預(yù)示著它未來作為一種高效的可再生能源器件，將有可能擁有著廣闊的應(yīng)用前景。借鑒聚合物有機(jī)太陽能電池的研究歷程，我們有理由推測(cè)：開發(fā)可印刷的鈣鈦礦太陽電池制備工藝并實(shí)現(xiàn)柔性化將勢(shì)在必行。而實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的全印刷和柔性化，其要素之一是實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的低溫制備。

常規(guī)的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，其主要有ITO或FTO電極，電子傳輸層(二氧化鈦、氧化錫、氧化鋅)，鈣鈦礦吸光層，空穴傳輸層，金屬電極(金、銀、鋁)組成。鈣鈦礦吸光層，空穴傳輸層等都可以在相對(duì)較低的溫度(低于150℃)下制備成，但電子傳輸層的制備普遍高于300℃，較好的電子傳輸層材料二氧化鈦要在高于500℃條件下才能制備成，這就沒法開發(fā)大面積柔性(如PET為基底要溫度低于150℃)鈣鈦礦太陽能電池。因此，我們很有必要開發(fā)一種面向金屬氧化物(二氧化鈦、氧化錫、氧化鋅)薄膜的低溫溶液制備方法，運(yùn)用到鈣鈦礦太陽能電池的器件制備流程當(dāng)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的現(xiàn)有氧化物薄膜(以二氧化鈦為例)作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，其電子傳輸層二氧化鈦只能在高于500℃條件下制備問題，本發(fā)明提供了一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，它可以實(shí)現(xiàn)降低氧化物薄膜的制備溫度(可低于150℃)，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的低溫制備。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

鈣鈦礦太陽能電池，包括陰極、電子傳輸層、鈣鈦礦活性層、空穴傳輸層、陽極，陰極在鈣鈦礦太陽能電池最下端，連接電子傳輸層，電子傳輸層連接鈣鈦礦活性層，鈣鈦礦活性層連接空穴傳輸層，空穴傳輸層連接電池陽極，其特征在于，所述電子傳輸層的氧化物薄膜是通過蒸汽誘導(dǎo)低溫制備得到。

更進(jìn)一步的，所述電子傳輸層的氧化物薄膜為二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫和二氧化硅的一種。

更進(jìn)一步的，所述鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)是平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。

制備該鈣鈦礦太陽能電池的方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一、陰極電極的制備：電極基底作為陰極層，將電極基底進(jìn)行圖案化刻蝕，并將電極襯底清洗干凈；

步驟二、電子傳輸層的制備：在空氣中，陰極上面旋涂30～75nm的氧化物前驅(qū)體溶液，然后將其放在含有1-50mL溶劑的密閉容器中，將密閉容器置于溫度為120～180℃的箱式爐中8～16h；

步驟三、鈣鈦礦活性層的制備：在氮?dú)馊ニ氖痔紫渲?，在電子傳輸層上將甲基碘化胺和氯化鉛溶液成膜形成250～400nm的活性層，后對(duì)鈣鈦礦活性層退火處理；

步驟四、空穴傳輸層制備：在氮?dú)馊ニ氖痔紫渲?，在活性層上旋?50～200nm的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴溶液；

步驟五、陽極電極的制備：在空穴傳輸層上使用氣相沉淀儀器蒸鍍厚度為80～150nm的金作為陰極，蒸鍍的氣壓環(huán)境小于4×10^-4Pa。

更進(jìn)一步的，所述步驟一中電極基底為摻氟的SnO₂透明導(dǎo)電玻璃FTO或氧化銦錫導(dǎo)電玻璃ITO。

更進(jìn)一步的，所述步驟二中氧化物前驅(qū)體溶液為異丙醇鈦的乙醇酸性溶液、二水醋酸鋅的二乙醇甲醚乙醇溶液或草酸亞錫的乙醇酸性溶液的一種，溶質(zhì)和溶劑的體積比為1:10～1:20。

更進(jìn)一步的，所述步驟二中溶劑為去離子水、乙醇或異丙醇的一種。

更進(jìn)一步的，所述步驟三中電子傳輸層的成膜方法為旋涂法、噴涂法或印刷法的一種。

更進(jìn)一步的，所述步驟三中退火處理溫度為100℃。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池開路電壓為0.99～1.04v，高于普通500℃高溫做出的太陽能電池的開路電壓：0.84～8.89v。

(2)本發(fā)明運(yùn)用溶劑蒸汽誘導(dǎo)法極大降低氧化物薄膜的制備溫度(可低于150℃)，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的低溫制備，可用于柔性基底，如基于PET基底的柔性器件；

(3)本發(fā)明工藝簡單、成本低，適用于柔性器件，并易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，有望推廣應(yīng)用到器件的生產(chǎn)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制備鈣鈦礦太陽能電池的主要工作流程圖。

圖2是本發(fā)明鈣鈦礦太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是120℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層8h的做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

圖4是120℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層16h的做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

圖5是180℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層8h的做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

圖6是180℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層16h的做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

附圖中標(biāo)記說明

1.在陰極上旋涂電子傳輸層；2.在密閉容器中對(duì)電子傳輸層進(jìn)行蒸汽處理；3.鈣鈦礦活性層制備過程；4.空穴傳輸層的制備過程；5.蒸鍍陽極過程；6.電池陰極；7.電子傳輸層；8.活性層；9.空穴傳輸層；10.電池陽極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

圖1是本發(fā)明制備鈣鈦礦太陽能電池的主要工作流程圖，其中1為在陰極上旋涂電子傳輸層，2為在密閉容器中對(duì)電子傳輸層進(jìn)行蒸汽處理，3為鈣鈦礦活性層制備過程，4為空穴傳輸層的制備過程，5為蒸鍍陽極過程。

圖2是本發(fā)明鈣鈦礦太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中6為電池陰極，7為電子傳輸層，8為活性層，9為空穴傳輸層，10為電池陽極。

實(shí)施例2

采用標(biāo)準(zhǔn)鈣鈦礦太陽能電池制備方法，包括步驟如下：

1、選擇鍍有FTO電極的透明玻璃作為陽極層6，將FTO刻蝕，并將FTO玻璃襯底清洗干凈。

2、電子傳輸層制備：在空氣中，在陰極6上旋涂40nm的二氧化鈦前驅(qū)體溶液(異丙醇鈦的乙醇酸性溶液)，然后將其置于含有5mL去離子水的密閉的容器中，在120℃處理8h，形成電子傳輸層7。由圖3可以得知在此工藝下處理電子傳輸層做出的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能。

3、活性層制備：在手套箱(氮?dú)?，除水環(huán)境)中，在電子傳輸層7上旋涂350nm的甲基碘化胺(CH₃NH₃I)和氯化鉛(PbCl₂)溶液，形成活性層8。在氮?dú)獬氖痔紫渲?，?duì)活性層8退火處理，溫度為100℃，時(shí)間為90min；

4、空穴傳輸層制備：在氮?dú)獬氖痔紫渲?，在活性層上旋?60nm的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)溶液形成空穴傳輸層9；

5、陽極電極的制備：在空穴傳輸層9上使用氣象沉淀儀器蒸鍍厚度為100nm的金(Au)作為陰極10，其蒸鍍的氣壓環(huán)境小于4×10^-4Pa。

實(shí)施例3

制備方法除步驟2不同外，其各層的工藝制備方法與實(shí)施例2相同。實(shí)施例2中的電子傳輸層的制備：在空氣中，在陰極6上旋涂40nm的二氧化鈦前驅(qū)體溶液(二水醋酸鋅的二乙醇甲醚乙醇溶液，溶質(zhì)和溶劑的體積比為1:10)，然后將其置于含有5mL去離子水的密閉的容器中，在120℃處理16h，形成電子傳輸層7。由圖4可以得知在此工藝下處理電子傳輸層做出的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能。

實(shí)施例4

制備方法除步驟2不同外，其各層的工藝制備方法與實(shí)施例2相同。實(shí)施例2中的電子傳輸層的制備：在空氣中，在陰極6上旋涂40nm的二氧化鈦前驅(qū)體溶液(草酸亞錫的乙醇酸性溶液，溶質(zhì)和溶劑的體積比為1:15)，然后將其置于含有10mL乙醇的密閉的容器中，在180℃處理8h，形成電子傳輸層7。由圖5可以得知在此工藝下處理電子傳輸層做出的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能。

實(shí)施例5

制備方法除步驟2不同外，其各層的工藝制備方法與實(shí)施例2相同。實(shí)施例2中的電子傳輸層的制備：在空氣中，在陰極6上旋涂40nm的二氧化鈦前驅(qū)體溶液(異丙醇鈦的乙醇酸性溶液，溶質(zhì)和溶劑的體積比為1:20)，然后將其置于含有25mL異丙醇的密閉的容器中，在180℃處理1h，形成電子傳輸層7。由圖6可以得知在此工藝下處理電子傳輸層做出的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能。

圖3是實(shí)施例2用120℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層二氧化鈦8h所做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

圖4是實(shí)施例3用120℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層16h所做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

圖5是實(shí)施例4用180℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層8h所做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

圖6是實(shí)施例5用180℃水蒸汽處理鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層16h所做出的器件光電轉(zhuǎn)換效率和器件性能圖。

實(shí)施例2和實(shí)施例3所制備的鈣鈦礦太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率如圖3和圖4所示，在120℃用水蒸氣對(duì)電子傳輸層進(jìn)行8h和16h的處理，用這種方法制備出的鈣鈦礦太陽能電池的器件性能接近，處理時(shí)間長一點(diǎn)的器件比處理時(shí)間短一點(diǎn)的性能要稍微好點(diǎn)，實(shí)施例4和實(shí)施例5所制備的鈣鈦礦太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率如圖3和圖4所示，在180℃下，用水蒸氣對(duì)電子傳輸層進(jìn)行8h和16h的處理，用這種方法制備出的鈣鈦礦太陽能電池的器件性能接近，處理時(shí)間長一點(diǎn)的器件比處理是時(shí)間短一點(diǎn)的性能要稍微好點(diǎn)，但與實(shí)施例2和實(shí)施例3相比，器件性能有了較大的提高。

以上四個(gè)實(shí)施例都在低于180℃情況下做出高效鈣鈦礦太陽能電池，這比普通報(bào)道500℃高溫處理電子傳輸層而制備的鈣鈦礦太陽能電池要更加節(jié)約能源，重要的是水蒸汽處理電子傳輸層能大幅度降低電子傳輸層的處理溫度(降低了320～380℃)，這樣不僅有效減小了實(shí)驗(yàn)的難度，還為以后以二氧化鈦等金屬氧化物為電子傳輸層的器件走向柔性化大規(guī)模商業(yè)道路掃清障礙，對(duì)該領(lǐng)域工業(yè)發(fā)展有顯著意義。

以上示意性地對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明創(chuàng)造的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本專利的保護(hù)范圍。