一種氧化錫電子傳輸層介觀鈣鈦礦光伏電池及其制備方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種SnO2電子傳輸層介觀鈣鈦礦光伏電池及其制備方法，屬于光電子材料與器件領(lǐng)域。【
背景技術(shù)：
】[0002]近年來，能源危機變得越來越緊迫，清潔能源的研究變得越來越迫切。清潔能源包括太陽能、風能、水電能等。太陽能由于取之不盡用之不竭，而光伏電池能將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能具有很大的應(yīng)用前景。目前的太陽能電池由硅太陽能電池發(fā)展到現(xiàn)今較為成熟的有機太陽能電池、染料敏化太陽能電池和銅銦嫁錫太陽能電池等。但目前這些電池在應(yīng)用方面還存在成本高、穩(wěn)定性差等很多問題，所以太陽能的開發(fā)和利用還處在起步階段，有關(guān)太陽能電池的研究也很迫切，國內(nèi)外投入了很多的研究精力，都希望在太陽能電池領(lǐng)域能取得巨大的突破。[0003]最新發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦電池近年來發(fā)展迅速，由于具有很高的光電轉(zhuǎn)化效率，在國內(nèi)外引起了空前巨大的研究熱潮，并且已經(jīng)取得了很多的研究成果。鈣鈦礦吸光材料具有高的載流子遷移率、帶隙可調(diào)、溶液法制備以及高的吸收系數(shù)，所以鈣鈦礦電池可以獲得高的短路電池、開路電壓和填充因子。目前文獻報道最高的鈣鈦礦電池效率是由國外YangYang等人發(fā)表在國際頂尖Science雜志上的關(guān)于鈣鈦礦光伏電池的界面工程方面的研究，取得了19.3%的驚人效率(HuanpingZhou,QiChen,GangLi,SongLuo,Tze-bingSong,Hsin-ShengDuan,ZiruoHong,JingbiYou,YongshengLiu,YangYang.1nterfaceengineeringofhighlyefficientperovskitesolarcells.Science2014,345，6196.)。另一方面國內(nèi)由HanHongwei等人報道了一種基于碳電極的無空穴傳輸層的介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，取得了12.8%的認證效率和超過1000個小時性能(10%的效率)無明顯衰減的高穩(wěn)定性，在全印刷工業(yè)化制備工藝上有很大的應(yīng)用前景，相關(guān)工作在國際上取得了巨大的影響力(AnyiMei,X1ngLi,LinfengLiu,ZhiliangKu,TongfaLiu,YaoguangRong,MiXu,MinHu,JiangzhaoChen,YingYang,MichaelGratzel,HongweiHan.Ahole-conductor-free,fullyprintablemesoscopicperovskitesolarcellwithhighstability.Science2014,345,6194.)。[0004]鈣鈦礦光伏電池的電子傳輸層可分為有機和無機兩大類，大部分無機電子傳輸層需高溫燒結(jié)，而有機電子傳輸層不夠穩(wěn)定，對環(huán)境不友好且價格昂貴?，F(xiàn)今鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了工業(yè)化的要求，但是在制備工藝、成本和穩(wěn)定性方面還有很多問題需要解決。因此為了鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)化應(yīng)用，若能找到一種無需高溫燒結(jié)，化學性質(zhì)穩(wěn)定，對環(huán)境友好，價格便宜的電子傳輸層，對電池的發(fā)展，尤其是柔性電池的發(fā)展具有重要的意義?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明針對傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏電池的電子傳輸層制備工藝復雜，成本高的的問題，提供了一種低溫生長的氧化錫電子傳輸層介觀鈣鈦礦光伏電池及其制備方法。[0006]本發(fā)明的的雙層納米結(jié)構(gòu)SnO2電子傳輸層介觀鈣鈦礦光伏電池，包括透明導電襯底、電子傳輸層、I丐鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極；所述電子傳輸層底層為雙層納米結(jié)構(gòu)介孔SnO2層，由覆蓋于透明導電襯底的SnO2納米桿致密層和覆蓋于SnO2納米桿致密層上的SnOjA米桿或納米片多孔層組成。[0007]Sn02m米結(jié)構(gòu)介孔層由于納米桿或納米片之間疏松的介孔結(jié)構(gòu)，有利于鈣鈦礦吸光材料的附著與電子的傳輸。[0008]所述透明導電襯底為ITO或FTO透明導電玻璃襯底或柔性透明導電襯底。[0009]所述鈣鈦礦層吸光層為CH3NH3PbI3_xClx或者CH3NH3PbI3。[0010]上述的鈣鈦礦太陽能電池，所述的空穴傳輸層是68mM的2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴，26mM的雙三氟甲基磺酸亞酰胺鋰和55mM的4-叔丁基吡啶的混合溶液。所用溶劑是體積比為10:1的氯苯和乙腈的混合物。[0011]所述的金屬電極為金電極。[0012]上述介觀鈣鈦礦光伏電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:(1)將透明導電襯底采用半導體工藝清洗，用氮氣吹干；(2)生長雙層納米結(jié)構(gòu)介孔SnO2電子傳輸層；(3)制備鈣鈦礦CH3NH3PbI3_xClx或者CH3NH3PbI3吸光層覆蓋在氧化物電子傳輸層上；(4)將事先配好的空穴傳輸層溶液通過旋涂法形成一層空穴傳輸層；(5)蒸發(fā)制備Au電極。[0013]所述的雙層納米結(jié)構(gòu)介孔Sn02i子傳輸層的制備方法，包括如下步驟:(1)將0.0125mol/L至0.05mol/L草酸錫、0.0125mol/L至0.05mol/L六次甲基四氨以1:1的比例加入廣口瓶中，溶劑為去離子水，攪拌30min；(2)將透明導電襯底放入步驟(I)準備好的溶液中；(3)將溶液放入75~95°C恒溫箱中保持3~48小時后取出，后用去離子水將SnO2膜表面的沉淀物沖凈并用氮氣吹干。[0014]鈣鈦礦CH3NH3PbI3_xClx吸光層的制備方法，包括如下步驟:(1)鈣鈦礦溶液的配置:將事先合成的CH3NH3I和？1^12按摩爾比3:1溶解在二甲基甲酰胺里，60攝氏度下攪拌24小時；(2)用甩膠機將配好前驅(qū)體溶液均勻的旋涂在電子傳輸層上；(3)將甩好的鈣鈦礦吸光層在100攝氏度下退火45分鐘；鈣鈦礦CH3NH3PbI3吸光層的制備方法，包括如下步驟:(1)鈣鈦礦溶液的配置:將Imol/L的PbI2溶解在二甲基甲酰胺里，60攝氏度下攪拌24小時；(2)將？1^12溶液通過甩膠機均勻的旋涂在經(jīng)過退火的電子傳輸層上再70攝氏度退火三十分鐘；(3)把甩有PbI2的樣品放在10mg/L的CH3NH3I異丙醇溶液中浸泡五分鐘；(4)再把樣品用異丙醇漂洗，用氮氣吹干，70攝氏度退火三十分鐘。[0015]本發(fā)明可以通過一步法低溫、原位生長且無需退火的方法制備出基于雙層Sn02m米結(jié)構(gòu)電子傳輸層的高效率鈣鈦礦電池，極大的降低了成本，器件具有很好光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性能，有利于技術(shù)的應(yīng)用和推廣。[0016]本發(fā)明采用低溫一步原位生長的方法，制備出了一種氧化錫(SnO2)納米桿或片的無機電子傳輸層，將其應(yīng)用于鈣鈦礦電池，不僅增強了電池的穩(wěn)定性而且取得了高達13.82%的效率，其中柔性鈣鈦礦電池效率可達8.78%，超過了目前唯一一篇公開報道(Kumar,Μ.H.,etal.,Chem.Commun.2013,49,11089)的柔性無機電子傳輸層I丐欽礦電池的效率2.62%,且本發(fā)明電子傳輸層的制備方法制備相對簡單，同時SnO2相對于T12具有更大的帶隙寬度，具有更加穩(wěn)定的化學性質(zhì)，有利于提高電池的性能與光穩(wěn)定性。同時有效地降低了制作成本。該介觀鈣鈦礦光伏電池的介孔結(jié)構(gòu)相比平面結(jié)構(gòu)更易于鈣鈦礦吸光材料的附著，有利于提高電池的穩(wěn)定性。[0017]本發(fā)明的有益效果是:1)介觀鈣鈦礦光伏電池的電子傳輸層是一種一步低溫?1(TC)原位生長且無需退火的雙層納米結(jié)構(gòu)31102膜，替代了傳統(tǒng)的兩步高溫燒結(jié)的1102膜，這很大幅度的降低了鈣鈦礦太陽能的制作成本，簡化了電池制備工藝；2)這種基于雙層納米結(jié)構(gòu)SnO2膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池取得了較高填充因子及光電轉(zhuǎn)化效率，有很大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ?)SnO2這種氧化物耐酸堿，相對于ZnO、T12等氧化物要穩(wěn)定得多，所以在提高器件性能穩(wěn)定性上意義重大；4)該鈣鈦礦電池的制備工藝簡單、設(shè)備要求低，可重性高，比旋涂等方法更適合工業(yè)生產(chǎn)，有利于將來鈣鈦礦太陽能電池的大面積化生產(chǎn)，有較大的工業(yè)應(yīng)用前景?！靖綀D說明】[0018]圖1(左)是鈣鈦礦太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-透明導電襯底，2-雙層納米結(jié)構(gòu)介孔3]102層,3-韓鈦礦吸光層,4-空穴傳輸層,5-金屬電極；(右)FTO襯底在95°C、草酸錫:六次甲基四氨為0.025:0.025Mol/L的水溶液中，水熱生長2小時的SnO2納米桿致密電子傳輸層的掃描電鏡截面照片。[0019]圖2(左)是實施例1制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖；(右)FTO導電玻璃襯底掃描電鏡照片。[0020]圖3(左)是實施例2制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖；(右)實施例2中SnO2納米桿致密電子傳輸層的掃描電鏡照片。[0021]圖4(左)是實施例3制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖；(右)實施例3中SnO2納米桿介孔電子傳輸層的掃描電鏡照片。[0022]圖5(左)是實施例4制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖；(右)實施例4中SnO2納米桿介孔電子傳輸層的掃描電鏡照片。[0023]圖6(左)是實施例5制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖；(右)實施例5中SnO2納米桿介孔電子傳輸層的掃描電鏡照片。[0024]圖7是實施例6制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖；(右)實施例6中SnO2納米桿介孔電子傳輸層的掃描電鏡照片。[0025]圖8是實施例7制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。[0026]圖9是實施例8制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖?！揪唧w實施方式】[0027]實施例1:1)清洗。試驗中要先對FTO導電玻璃襯底進行清洗、吹干。將尺寸大小合適的FTO導電玻璃用清潔劑先清洗干凈，再用去離子水沖洗。然后依次用去離子水、丙酮、乙醇超聲清洗，最后再用氮氣吹干備用。[0028]2)鈣鈦礦CH3NH3PbI3吸光層制備。鈣鈦礦溶液的配置:將IM的PbCl2溶解在二甲基甲酰胺里，60攝氏度下攪拌24小時。再用勻膠機將PbCl2溶液旋涂在FTO導電玻璃襯底上，再70攝氏度退火30分鐘。把旋涂有PbCl2的樣品放在10mg/L的CH3NH3I異丙醇溶液中浸泡10分鐘；最后用異丙醇漂洗樣品，用氮氣吹干，70攝氏度退火30分鐘。[0029]3)空穴傳輸層制備。用勻膠機在鈣鈦礦CH3NH3PbI3K光層上旋涂一層空穴傳輸層溶液(68mM的2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]_9，9’-螺二芴，26mM的雙三氟甲基磺酸亞酰胺鋰和55mM的4-叔丁基吡啶的混合溶液。所用溶劑是體積比為10:I的氯苯和乙腈的混合物)。[0030]4)電極制備。把旋涂好空穴傳輸層的樣品放在真空蒸發(fā)設(shè)備里通過熱蒸發(fā)工藝蒸發(fā)一層金薄膜電極。[0031]5)測試。在AMl.5，活性層有效面積為0.09cm2的條件下對電池進行測試。其J-V曲線如圖2所示。獲得的光電轉(zhuǎn)換效率參數(shù)為，開路電壓0.98V，短路電流密度12.37mA/cm2，填充因子39.89%，轉(zhuǎn)換效率4.64%。[0032]實施例2:I)導電襯底清洗。同實施例1。[0033]2)電子傳輸層制備。水熱溶液的配置:將0.025Mol/L草酸錫、0.025Mol/L六次甲基四氨加入廣口瓶中，溶劑為去離子水，攪拌30m當前第1頁1 2