鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池，本發(fā)明還涉及該太陽能電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈣鈦礦太陽能電池由于其成本低，性能好，制備簡單收到科研以及產(chǎn)業(yè)界的高度重視。鈣鈦礦材料從2009年用于太陽能電池，到目前效率已經(jīng)達(dá)到將近20%，是初始時的電池效率的5倍，把染料敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等新型薄膜太陽電池甩在了身后，鈣鈦礦太陽能電池是近三年來發(fā)展非常迅速的低成本薄膜太陽能電池。
[0003]鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)核心是具有鈣鈦礦晶型(ABX3)的有機(jī)金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦ABX3g構(gòu)中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3),它的帶隙約為1.5eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收SOOnm以下的太陽光。而且，這種材料制備簡單，將含有PbIjP CH 3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3F僅可以實現(xiàn)對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復(fù)合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。
[0004]鈣鈦礦太陽能電池目前有多種結(jié)構(gòu):含多孔二氧化鈦的介觀電池，無多孔二氧化鈦的平面電池，含多孔絕緣氧化物(三氧化二鋁，氧化鋯)的超結(jié)構(gòu)介觀電池等。
[0005]盡管電池的結(jié)構(gòu)多樣，制備方法也較多，但是界面不可避免的存在于各種電池中。并且電子在各個界面的傳輸性能強(qiáng)烈的影響鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換性能?，F(xiàn)有技術(shù)可以參考文獻(xiàn)申請?zhí)枮?01310297115.7的中國發(fā)明專利申請公開《基于鈣鈦礦類吸光材料的介觀太陽能電池及其制備方法》(申請公布號CN103441217A)，還可以參考201410342998.3的中國發(fā)明專利申請公開《一種鈣鈦礦太陽能電池及其溶液法制備方法》(申請公布號為CN104134711A)，類似的還可以參考 CN104091887A、CN104091888A 等。
[0006]鈣鈦礦自身的電子傳輸性能非常好；并且鈣鈦礦在多孔二氧化鈦上的覆蓋情況對電池最終性能影響巨大。但溶液法制備的鈣鈦礦覆蓋情況通常很差，常有裸露的二氧化鈦(傳輸電子)同空穴傳輸材料相接觸，造成電池內(nèi)部電子的回傳。這種電子的回傳會導(dǎo)致光照下開路電壓以及填充因子降低，電子不能有效傳出，強(qiáng)烈影響電池的效率。目前有報道在界面上使用一些更適電子傳輸?shù)牟牧希岣唠娮觽鬏?，但是這方面的研宄是初始的，投入實際應(yīng)用的那就更少了。
[0007]除了界面復(fù)合問題，鈣鈦礦太陽能電池的還有一個重要缺點(diǎn)是鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3g易在潮濕環(huán)境下降解，造成電池在環(huán)境中極不穩(wěn)定。
[0008]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的冋題是:
[0009]I)鈣鈦礦太陽能電池界面電子復(fù)合嚴(yán)重，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率；
[0010]2)鈣鈦礦太陽能電池在潮濕環(huán)境極不穩(wěn)定，限制了這種電池的實際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種通過界面修飾以達(dá)到抑制電池內(nèi)部電子復(fù)合及提高在潮濕環(huán)境下穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池。
[0012]本發(fā)明所要解決的又一個技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種通過界面修飾以達(dá)到抑制電池內(nèi)部電子復(fù)合及提高在潮濕環(huán)境下穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池制備方法。
[0013]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于依次包括導(dǎo)電玻璃層、致密二氧化鈦膜、多孔二氧化鈦膜、甲胺鉛碘多晶膜、空穴傳輸材料層及蒸鍍銀電極層，并且，所述的甲胺鉛碘多晶膜經(jīng)過長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑界面修飾，該長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑碳原子數(shù)大于6小于16。
[0014]作為優(yōu)選，所述的致密二氧化鈦膜厚度為20?200納米，
[0015]所述的多孔二氧化鈦膜厚度為200納米?I微米，
[0016]所述的甲胺鉛碘多晶膜厚度為200納米?1.5微米，
[0017]所述的空穴傳輸材料層厚度為50?500納米，
[0018]所述的蒸鍍銀電極層厚度為50?200納米。
[0019]作為優(yōu)選，所述的空穴傳輸材料層為spiro_MeOTAD(2，2’，7，7’_tetrakis (N，N_d1-p-methoxyphenylamine) -9, 9’-spirobifluorene) (CAS: 207739-72-8)或3-己基取代聚噻吩(P3HT)ο
[0020]最佳選擇:所述的長鏈燒基娃燒偶聯(lián)劑為十一■燒基二甲氧基娃燒。
[0021]一種鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
[0022]①使用溶膠凝膠法在導(dǎo)電玻璃上甩上一層致密二氧化鈦膜；300°C?500°C (最佳450°C )條件下，處理后在二氧化鈦致密層上再涂覆一層多孔二氧化鈦層，燒結(jié)后備用；
[0023]②將碘甲胺和氯化鉛以摩爾比5:1?1:1溶解于N，N- 二甲基甲酰胺中，使用勻膠機(jī)將上述溶液沉積在多孔二氧化鈦膜上，控制溫度70°C?150°C，使得結(jié)晶成為甲胺鉛碘多晶U吳；
[0024]③將甲胺鉛碘多晶膜膜浸泡于長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑的非極性有機(jī)溶液中進(jìn)行改性，靜置I?10分鐘后取出，50°C?100°C下烘干，烘干時間:5?20分鐘，前述的長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑碳原子數(shù)大于6小于16 ;
[0025]④將空穴傳輸材料的有機(jī)溶液均勻的旋涂在界面改性的甲胺鉛碘多晶膜上；
[0026]⑤使用蒸鍍方法，在上述多層膜上蒸鍍銀電極層。
[0027]作為優(yōu)選，所述的長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑溶解于異丙醇或甲苯中，并且濃度為0.05?0.5M。作為最優(yōu)，所述的長鏈烷基硅烷偶聯(lián)劑溶解于異丙醇中，并且濃度為0.1M。
[0028]進(jìn)一步，所述的空穴傳輸材料層為spiro-MeOTAD，步驟如下:
[0029]將spiro-MeOTAD 溶解于氯苯中，濃度為 0.5 ?1.5M，，加入 80 % spiro-MeOTAD摩爾數(shù)的四丁基吡啶(tBP)和30% spiro-MeOTAD摩爾數(shù)的雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(L1-TFSI)，然后將spiro-MeOTAD的溶液均勻的旋涂在界面改性的甲胺鉛碘多晶膜上。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:使用了長鏈烷基硅烷偶聯(lián)進(jìn)行修飾界面，硅烷氧基與鈣鈦礦表面相結(jié)合，長鏈烷基在界面處可以發(fā)揮雙重功效:長鏈烷基一方面具有絕緣性，電子從鈣鈦礦激發(fā)后不能回傳，因而降低了電池內(nèi)部復(fù)合，提高電池效率；另一方面，長鏈烷基具有憎水性，在界面處形成憎水層，阻止了鈣鈦礦材料與水相結(jié)合，從而提高了電池的穩(wěn)定性。通過一次界面修飾達(dá)到了雙重功能。
【具體實施方式】
[0031]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0032]實施例1，制備硅烷偶聯(lián)劑(C12H25Si (OCH3) 3)的異丙醇溶液，其濃度為0.05M，用于修飾鈣鈦礦材料表面。
[0033]首先使用溶膠凝膠法在導(dǎo)電玻璃上甩上一層致密二氧化鈦膜(100納米)；450°C處理后在二氧化鈦致密層上再涂覆一層多孔二氧化鈦層，厚度為500納米，燒結(jié)后備用。
[0034]使用CH3NH3I和PbCl2以摩爾比例3:1溶解于N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)中，使用勻膠機(jī)將上述溶液沉積在多孔二氧化鈦膜上。通過精確控制溫度在100°C烘烤I小時，使得結(jié)晶成為CH3NH3PbI3S晶膜。
[0035]將硅烷偶聯(lián)劑(C12H25Si (OCH3) 3)溶解于異丙醇，濃度為0.05M。將CH3NH3Pb13/T12膜浸泡于上述溶液，靜置5分鐘后取出，在80°C烘烤十分鐘。
[0036]將空穴傳輸材料spiro-MeOTAD的氯苯溶液(濃度為0.6M)加入80 %spiro-MeOTAD摩爾數(shù)的四丁基吡啶(tBP)和30% spiro-MeOTAD摩爾數(shù)的雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(L1-TFSI))均勻的旋涂在界面改性的甲胺鉛碘多晶膜上；
[0037]使用蒸鍍方法，在上述多層膜上蒸鍍銀電極層。
[0038]本實施例中的甲胺鉛碘多晶膜厚度為600納米，空穴傳輸材料層厚度為300納米，蒸鍍銀電極層厚度為90納米。
[0039]在室溫環(huán)境，使用氣燈模擬太陽光，光強(qiáng)為95.6mff/cm2 (太陽光模擬器型號:Newport 91192A)條件下，測得修飾過的媽鈦礦太陽能電池(有效光照面積為0.07cm2)的光電轉(zhuǎn)換效率為12.96% (短路電流密度20.03mAcnT2，開路電壓0.929V，填充因子0.666)，比未經(jīng)改性的太陽能電池效率(9.88%，短路電流密度18.75mAcm_2，開路電壓0.908V，填充因子0.555)提高了約30 %。提高的原因主要是長鏈烷基是不導(dǎo)電的，在界面處可以抑制電池的回傳，降低了電池的復(fù)合從而提高了電池填充因子，開路電壓與光電轉(zhuǎn)換效率。
[0040]實施例2，制備硅烷偶聯(lián)劑(C12H25Si (OCH3) 3)的異丙醇溶液，其濃度為0.1M，用于修飾鈣鈦礦材料表面。
[0041]首先使用溶膠凝膠法在導(dǎo)電玻璃上甩上一層致密二氧化鈦膜(50納米)；450°C處理后在二氧化鈦致密層上再涂覆一層多孔二氧化鈦層，厚度為350納米，燒結(jié)后備用。
[0042]使用CH3NH3I和PbCl2以摩爾比例3:1溶解于DMF中，使用勻膠機(jī)將上述溶液沉積在多孔T1J莫上。通過精確控制溫度在100度烘