基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，為了解決日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，人們把目光投向了新能源的開發(fā)和利用上。在各種新能源技術(shù)中，光伏發(fā)電無疑是最具有前景的方向之一。傳統(tǒng)的硅基太陽能電池雖然實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，有著較為成熟的市場，但其性價比還無法與傳統(tǒng)能源相競爭，并且制造過程中的污染和能耗問題影響了其廣泛應(yīng)用。因此，研究和發(fā)展高效率、低成本的新型太陽能電池十分必要。在眾多的新型太陽能電池里，一種基于鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物MAPbX3 (MA為CH3NH3，X代表鹵族元素，最常見的是I)材料的太陽電池引起了全世界的關(guān)注。自2009年出現(xiàn)到目前為止，鈣鈦礦太陽電池的最高效率已超過20%。
[0003]鈣鈦礦材料不僅可以作為光吸收層，還可用作電子和空穴傳輸層，以此制備出不同結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池，其中最為常見的電池結(jié)構(gòu)為:具有Ti02骨架層的介孔結(jié)構(gòu)、具有平面異質(zhì)結(jié)的平板結(jié)構(gòu)以及有機(jī)結(jié)構(gòu)。平板結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池與介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池的不同在于沒有Ti02介孔骨架層，鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物MAPbX^^T1g致密層直接接觸形成平面異質(zhì)結(jié)。平板結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)簡單，制備較簡單，電池效率較高，但是穩(wěn)定性存在較大的問題。介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池，因?yàn)橛蠺i(Vt架層對MAPbX 3材料支撐與保護(hù)，電池效率較為穩(wěn)定，且載流子在鈣鈦礦型有機(jī)金屬鹵化物MAPbX3M料中有l(wèi)OOnm左右的擴(kuò)散長度，使得其載流子收集效率高達(dá)99%以上，然而1102骨架層制備工藝較為復(fù)雜，需要高溫?zé)崽幚?，且骨架層不可避免的會影響光吸收，同時增加了器件內(nèi)阻、引入了缺陷，從而減小了光電流，降低了光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004]通過在鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液中加入一定比例的1102納米晶體材料，制備的T1 JMAPbI3新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，一定程度上介于平板結(jié)構(gòu)與介孔結(jié)構(gòu)之間。T1 2納米晶體誘導(dǎo)了鈣鈦礦晶體生長，減少了晶體缺陷，既可減小載流子復(fù)合的幾率，保持高的載流子收集效率，增加了器件穩(wěn)定性，又沒有引入多余的內(nèi)阻。復(fù)合的Ti02納米晶體材料與鈣鈦礦材料形成很好的體接觸，利于載流子傳輸與分離，與其他氧化物材料相比，1102納米晶體材料與相鄰的Ti02致密層晶體結(jié)構(gòu)和能級都很好匹配，可以更好地傳輸電子、減少復(fù)合幾率。基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池采用150°C以下低溫制備，工藝簡單易重復(fù)，具有較大的商業(yè)應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明在于提供一種基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。一種基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池，所述玻璃基底、FT0透明電極、Ti02致密層、復(fù)合T1 2納米晶體的鈣鈦礦層、空穴傳輸層、金屬電極順次相連。在FTO透明電極的一端上沉積有金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線連接負(fù)載或測試裝置的一端，金屬電極連接負(fù)載或測試裝置的另一端。入射光從玻璃基底方向射入。Ti02致密層起到阻擋空穴、輸運(yùn)電子的作用。復(fù)合Ti02納米晶體的鈣鈦礦層主要作用是吸收光并轉(zhuǎn)化為電子和空穴。空穴傳輸層采用Spiro-MeOTAD，主要作用為收集空穴，阻擋電子和金屬電極復(fù)合的作用。金屬電極則負(fù)責(zé)收集電子。
[0006]本方法的具體步驟如下:
(1)清洗FT0導(dǎo)電玻璃襯底，去除FT0導(dǎo)電玻璃襯底表面沾污層，得到清潔的導(dǎo)電玻璃襯底，并在UV紫外燈下臭氧處理15~45分鐘，形成親水表面，然后置于干燥箱中進(jìn)行60°C干燥處理；
(2)Ti02致密層制備:用水浴沉積的方法將濃度為200mM/mL四氯化鈦在70°C溫度下水解反應(yīng)一小時，得到致密的Ti02薄膜；
(3)復(fù)合Ti02納米晶體的鈣鈦礦層制備:采用目前較為普遍的一步法或兩步法制備鈣鈦礦薄膜；
a、一步法:首先在PbljPMAI銨混合溶液中摻入體積比為1:5~1:15的T1 2的P25漿料(2mg/mL)，劇烈攪拌，使其混合均勻，然后用旋涂的方法在Ti02致密層上沉積混入1102納米晶體的鈣鈦礦薄膜，隨后，在100°C至130°C溫度下加熱半小時，得到比較均勻致密的復(fù)合Ti02納米晶體的|丐欽礦層；
b、兩步法:首先在Pbl2溶液中摻入體積比為1:5~1:15的1102的P25漿料(2mg/mL)，劇烈攪拌，使其混合均勻，然后用旋涂的方法在Ti02致密層上沉積混入T1 2納米晶體的Pbl 2薄膜；接著將Pbl2薄膜浸泡入配制好的MAI溶液當(dāng)中，反應(yīng)生成鈣鈦礦薄膜；隨后，在130°C至150°C溫度下加熱半小時，得到比較均勻致密的復(fù)合Ti02納米晶體的鈣鈦礦層；
(4)空穴傳輸層制備:將配制好的Spiro-OMeTAD漿料，用旋涂的方法旋涂于制備好的鈣鈦礦層上，并在濕度約40%的空氣中保存12小時；
(5)金屬電極制備:用磁控濺射鍍膜儀在空穴傳輸層上濺射一層金電極，電極厚度大約為 80nm。
[0007]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明首次將二氧化鈦/鈣鈦礦復(fù)合納米結(jié)構(gòu)作為疏松的類骨架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池，這種方法制作工藝簡單，全部過程都是低溫制備，大大簡化了介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池的制備工藝，并且明顯提高了鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性，本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了低溫快速制備鈣鈦礦電池器件。
【附圖說明】
[0008]圖1是基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實(shí)施例一工藝條件下制得的基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池的ι-v效率曲線圖；
圖3是實(shí)施例二工藝條件下制得的基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池的ι-ν效率曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純試劑，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在不違反本發(fā)明的主旨下，本發(fā)明應(yīng)不限于以下實(shí)施例具體明示的內(nèi)容。
[0010]實(shí)施例一
本發(fā)明利用打02納米顆粒自然沉降的方法配制兩步法Ti02/Pbl2溶液，將直徑約20nm的打02顆粒均勻分散到DMS0溶液里面，取分散均勻的T1 2的DMS0溶液按照體積比1:8的比例稀釋，在稀釋后的DMS0溶液中加入Pbl2，然后劇烈攪拌，使碘化鉛溶解，得到混合均勻的 Ti02/Pbl2溶液。
[0011]本發(fā)明配制Ti02/Pbl2溶液具體步驟如下:
(1)打02溶液配制:按照2mg/mL的濃度配制二氧化鈦P25的DMS0溶液，配制好后，用磁力攪拌器劇烈攪拌，使得Ti02納米顆粒在溶液中均勻分散；將經(jīng)過劇烈攪拌的T1 2溶液靜置5天，利用自然沉降過程將溶液中顆粒較大的1102沉降下去，然后取上層懸濁液，加入另外洗干凈的小瓶中，即得到分散均勻的打02的DMS0溶液；
(2)從配置好的Ti02溶液中，取出500μ L溶液，按照體積比1:8的比例用DMS0溶液稀釋，然后按照Imol/mL的濃度在稀釋后的溶液中加入Pbl2，接著將混合了 T1jP Pbl 2的溶液在隊(duì)氣氛保護(hù)下攪拌2小時，即得到T1 2/PbI2溶液。
[0012]本發(fā)明組裝基于二氧化鈦/鈣鈦礦新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池步驟如下:
(1)清洗1.5*2.0 cm2的FT0導(dǎo)電玻璃襯底，將FT0導(dǎo)電玻璃依次用洗潔精、自來水、去離子水、丙酮、乙醇超聲清洗2次，每次15分鐘，氮?dú)獯蹈?，去除FT0導(dǎo)電玻璃襯底表面沾污層，得到清潔的導(dǎo)電玻璃襯底，并在紫外臭氧表面處理設(shè)備UV紫外燈下臭氧處理15~45分鐘，形成親水表面，然后置于干燥箱中進(jìn)行60°C干燥處理；
(2)配制200mM/mL的TiCl4溶液，用化學(xué)水浴的方法，在清洗干凈的FT0導(dǎo)電玻璃襯底上沉積1102致密層，70 °C溫度下水解反應(yīng)一小時得到致密的Ti02薄膜，用去離子水清洗掉玻璃表面殘余的雜質(zhì)，然后用干燥箱干燥制備的樣品；
(3)用旋涂法將配制好的Ti02/Pbl2溶液在轉(zhuǎn)速為3000rpm的轉(zhuǎn)速下，旋涂30s于致密的Ti02薄膜表面，得到淡黃色Pbl 2薄膜，然后將制備好的Pbl 2薄膜浸泡入濃度為40 %的MAI的異丙醇溶液中6min，反應(yīng)生成