一種有機(jī)/無(wú)機(jī)鈣鈦礦電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光伏電池，特別是涉及石墨烯量子點(diǎn)摻雜的有機(jī)/無(wú)機(jī)鈣鈦礦電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來(lái)，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池發(fā)展迅猛，其光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%，這樣的發(fā)展速度在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域前所未有，科研工作者一直在尋求獲得更高的效率的方法；目前，一些研究組已經(jīng)在鈣鈦礦材料中摻雜添加劑對(duì)其改性以提高效率，如在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中摻雜氯化銨，氯化銨的加入，提高了鈣鈦礦層的結(jié)晶度同樣改進(jìn)了表面形貌，從而提高了鈣鈦礦電池的整體性能，結(jié)果表明:氯化銨添加劑的加入，其平均電流密度從12.78mA cm 2提升至14.08mA cm 2，平均的填充因子從0.69提高至0.80，電池的整體效率也從7.97%提高至9.73%，相比未摻雜的鈣鈦礦電池，特別是在填充因子部分，改善的效果十分明顯，因此，對(duì)于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液摻雜添加劑以改善綜合性能，仍然值得研究。
[0003]針對(duì)鈣鈦礦CH3NH3PbI3前驅(qū)體溶液可進(jìn)行摻雜添加劑以提高效率的認(rèn)知，本發(fā)明從研究鈣鈦礦對(duì)光線(xiàn)的吸收性能入手，提出一種摻雜新的添加劑，即石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)，能夠?qū)⑩}鈦礦CH3NH3PbI3F能吸收的遠(yuǎn)紫外短波長(zhǎng)區(qū)域的光轉(zhuǎn)化為能被其吸收的可見(jiàn)光，從而提高電池的電流密度和整體效率；同時(shí)利用石墨烯量子點(diǎn)優(yōu)異的電傳輸性能，提高光生載流子的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散長(zhǎng)度，提升光伏特性。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)【背景技術(shù)】中提出的在鈣鈦礦CH3NH3PbI3添加添加劑的方法，本發(fā)明提出在鈣鈦礦CH3NH3PbI3中添加石墨烯量子點(diǎn)，首先是在摻雜氟的SnO 2 (FTO)導(dǎo)電玻璃上先沉積一層氧化鈦或氧化鋅η型致密層，然后再沉積一層添加有石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)的雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3,接著沉積P型層spiro-OMeTAD，最后沉積金屬電極層。
[0005]其中，氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(T12)層利用原子層沉積(ALD)方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準(zhǔn)確控制。
[0006]摻雜石墨烯量子點(diǎn)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3可以通過(guò)溶液法旋涂沉積；P型層spiro-OMeTAD可以通過(guò)旋涂法沉積；金屬電極可以通過(guò)熱蒸發(fā)或派射方法制備，其特點(diǎn)在于石墨烯量子點(diǎn)的熒光量子效應(yīng)可以將遠(yuǎn)紫外短波長(zhǎng)區(qū)域的光轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，從而被鈣鈦礦CH3NH3PbI3吸收，提高電池的電流密度和整體效率。
[0007]一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池從下至上依次為FTO導(dǎo)電玻璃層、η型致密層、雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbIJl、p型層和金屬電極，其特征在于；所述雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3層摻雜有石墨烯量子點(diǎn)。
[0008]所述的FTO導(dǎo)電玻璃層的方塊電阻是10-15 Ω，透過(guò)率在75_83%。
[0009]所述的η型致密層為氧化鈦或氧化鋅層，層厚為5_15nm。
[0010]所述的摻雜石墨烯量子點(diǎn)的雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3層的層厚為300-500nm。
[0011]所述的P型層為spiro-OMeTAD，層厚為lOOnm。
[0012]所述的金屬電極為Ag電極，層厚為120_150nm。
[0013]一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電池的制備方法，包括在FTO導(dǎo)電玻璃上先沉積η型致密層的步驟，然后再在致密層上制備一層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbId^步驟，繼續(xù)在雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbIJl上沉積P型層的步驟，最后在P型層上沉積金屬電極層的步驟；其特征在于所述的再在致密層上制備一層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3
PblJ^步驟為:將Iml濃度為lmg/ml石墨烯量子點(diǎn)的DMF溶液加入到試劑瓶中，再移取4ml的DMF加入至上述溶液，再將摩爾數(shù)之比為1:1的PbI2粉末和CH3NH3I晶體混合溶解在上述的5ml溶有石墨烯量子點(diǎn)的DMF內(nèi)，并60°C下攪拌10小時(shí)，得到濃度為50 wt%CH3NH3PbI3并摻雜石墨烯量子點(diǎn)的混合溶液。將制備的混合溶液旋涂在致密T12層上得到摻雜石墨烯量子點(diǎn)的雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbIJl。
[0014]所述的再將混合溶液旋涂在致密T12層上得到摻雜石墨烯量子點(diǎn)的雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbIJl指:在手套箱中，將上述度為50 wt% CH3NH3PbI3并摻雜石墨烯量子點(diǎn)的混合溶液旋涂在致密T12層上，轉(zhuǎn)速為4000r.p.m，時(shí)間為30s ;過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r.p.m后5s，用滴管取甲苯對(duì)旋轉(zhuǎn)的鈣鈦礦層進(jìn)行沖淋，旋涂完畢后置于105°C加熱板上退火30min。
[0015]所述甲苯的用量為1ml，甲苯量過(guò)少則沖淋后薄膜表面有較多細(xì)孔，過(guò)多則導(dǎo)致薄膜厚度過(guò)薄，Iml為宜。
[0016]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
一、η型致密層的制備
在鍍了摻氟氧化錫的玻璃(FTO)上，用原子層沉積(ALD)技術(shù)生長(zhǎng)5-15nm厚的致密的T12或ZnO層作為η型層。
[0017]二、溶液法制備雜化鈣鈦礦層
在手套箱中，將配制好的摻雜石墨烯量子點(diǎn)的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液旋涂在致密層上，旋涂過(guò)程中，在溶劑未揮發(fā)完全時(shí)，采用甲苯進(jìn)行沖淋，得到一層光滑的摻雜石墨烯量子點(diǎn)的鈣鈦礦薄膜，之后在105°C加熱板上退火30min。
[0018]三、空穴傳輸層的制備
在手套箱中，將事先配制好的spiro-OMeTAD溶液(HTM)旋涂到絕緣層上，控制旋速與spiro-OMeTAD溶液的量，控制厚度在100nm，70°C環(huán)境烘1min，降至室溫后取出手套箱放置在密閉的干燥器中氧化12小時(shí)。
[0019]四、金屬陰極的制備
將已氧化好的基底迅速放入高真空蒸發(fā)鍍膜儀中，真空度達(dá)IX 10-3Pa，控制調(diào)節(jié)金屬的蒸發(fā)量來(lái)控制蒸發(fā)銀的厚度為120-150nm。
[0020]與現(xiàn)有未摻雜石墨烯量子點(diǎn)的鈣鈦礦電池相比，本發(fā)明的有益效果是提出了在鈣鈦礦CH3NH3PbIJl引入一種新的添加劑石墨烯量子點(diǎn)；利用石墨烯量子點(diǎn)的熒光量子效應(yīng)，形成一種類(lèi)似體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦層，熒光量子效應(yīng)可以增加鈣鈦礦層對(duì)光線(xiàn)的吸收；同時(shí)，石墨烯量子點(diǎn)具有優(yōu)異的電導(dǎo)傳輸性能，一定程度上可增加鈣鈦礦層中產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散速率和擴(kuò)散長(zhǎng)度，改善了光伏特性；針對(duì)鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性差、遇水極易分解的特性，在添加石墨烯量子點(diǎn)時(shí)，特別采用與鈣鈦礦材料溶劑相同的DMF溶劑，以實(shí)現(xiàn)摻雜石墨烯量子點(diǎn)溶液不會(huì)干擾到鈣鈦礦溶液，和其沉積后由于溶劑揮發(fā)速率不一致而導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜的不均勻，在提高電池的效率的同時(shí)，保證電池的穩(wěn)定性沒(méi)有顯著降低。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為摻雜石墨烯量子點(diǎn)的新的鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為對(duì)比例一和實(shí)施例一的鈣鈦礦電池的1-V曲線(xiàn)圖；電池的電流從13.05mA/cm2升高到15.84 mA/cm2，填充因子從0.60提升至0.66，可以看出電池效率有顯著的提升過(guò)程。
【具體實(shí)施方式】
[0023]對(duì)比例一
1、選擇方塊電阻10 Ω、2.2mm厚、透過(guò)率在80%的FTO玻璃作為襯底材料，隨后用皂粉、超純水和乙醇分別超聲清洗15min。
[0024]2、致密Ti02層的制備
水和四異丙醇鈦?zhàn)鳛樵矗诨咨仙L(zhǎng)15nm厚的致密的T12層；生長(zhǎng)工藝為:鈦源加熱溫度70°C，腔室反應(yīng)溫度270°C ;通鈦源ls，氮?dú)獯祾?s，通水汽200ms，氮?dú)獯祾?s，完成一個(gè)循環(huán)，共需300循環(huán)。