一種界面修飾的鈣鈦礦型太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電功能材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種界面修飾的鈣鈦礦型太陽能電池(PSC, Perovskites Solar Cells)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)如今世界化石燃料不久將面臨枯竭危機(jī)，清潔可再生能源已成為全球各國的重要研究課題。在這樣的大環(huán)境下，鈣鈦礦染料敏化太陽能電池發(fā)展迅猛。2009年，TsutomuMiyasaka和其同事最先使用了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3作為吸光材料，但同時使用離子電解液，只達(dá)到了 3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率。2011年，Nam-Gyu Park研究組使用了 CH3NH3PbI3量子點(diǎn)和液體電解質(zhì)制備電池，將效率提高到了 6.54%。2012年，Henry Snaith研究組率先用絕緣體氧化鋁(Al2O3)取代的介孔T12作為電子傳輸層，使用2，2’，7，7’ -四[N，N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’ -螺二芴(Spi1-OMeTAD)材料作為固態(tài)空穴傳輸層，將光電轉(zhuǎn)化效率提高到了 10.9%。最近，使用低溫退火方法制備的氧化鋅(ZnO)作為電子傳輸層將效率提高到15.7%，而使用石墨烯/ 二氧化鈦(Graphene/Ti02)作為電子收集層將光電轉(zhuǎn)換效率分別提高到了 15.6%。在上述這些光電轉(zhuǎn)化效率較高的研究中，作為電子傳輸性致密層的金屬氧化物如A1203、Ti02、ZnO等起到了重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種界面修飾的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，不再使用金屬氧化物致密層作為電子傳輸層，而是通過修飾底電極的表面能級，實(shí)現(xiàn)底電極與鈣鈦礦活性層的最佳匹配，從而簡化器件的制備步驟，降低器件成本。
[0004]本發(fā)明的鈣鈦礦型太陽能電池，包括依次層疊的透明襯底、透明底電極、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和頂電極，其中所述透明底電極是經(jīng)過界面修飾的透明底電極，即其與鈣鈦礦吸光層接觸的界面被銫鹽修飾過。
[0005]適用于本發(fā)明鈣鈦礦太陽能電池的襯底材料有玻璃、柔性塑料等透明材料。透明底電極位于透明襯底的內(nèi)側(cè)表面上，透明底電極的材料可以是氧化銦錫(ITO)、摻氟的氧化錫(FTO)等常用的透明電極材料。常采用ITO導(dǎo)電玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃作為襯底和透明底電極。底電極的界面修飾材料是銫鹽，例如碳酸銫(Cs2CO3)、醋酸銫(CH3COOCs)、碘化銫(CsI )、氯化銫(CsCl)等，將適當(dāng)濃度的銫鹽溶液旋涂在底電極表面，以修飾底電極的表面能級。
[0006]本發(fā)明還提供了上述鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0007]I)制備透明襯底及其上的透明底電極；
[0008]2)用銫鹽處理透明底電極表面，得到界面修飾的透明底電極；
[0009]3)在界面修飾的透明底電極上制備鈣鈦礦吸光層；
[0010]4)在鈣鈦礦吸光層上制備空穴傳輸層；
[0011]5)在空穴傳輸層上制備頂電極。
[0012]上述步驟I)可采用ITO導(dǎo)電玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃作為襯底和透明底電極。
[0013]上述步驟2)對透明底電極進(jìn)行界面修飾的方法可以是將適當(dāng)濃度的銫鹽溶液旋涂在底電極表面。根據(jù)銫鹽溶液的濃度和旋轉(zhuǎn)速度，可以選擇一次或多次旋涂，每次旋涂后干燥處理，可選的，最后一次旋涂并干燥后采用紫外臭氧處理I?5分鐘。銫鹽溶液的溶劑可以是2-乙氧基乙醇(C4HltlO2)等醇類試劑，例如用0.01%?10% (g/mL)濃度的碳酸銫的2-乙氧基乙醇溶液。每次旋涂干燥后再進(jìn)行下一次的旋涂處理。
[0014]作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，在對所述透明底電極進(jìn)行界面修飾處理時，將0.5%的碳酸銫的2-乙氧基乙醇溶液通過3次旋涂于底電極表面，每次旋涂完成后進(jìn)行加熱烘干處理，如在100?150°C加熱2?10分鐘；優(yōu)選地，多次旋涂之后，進(jìn)行最后的加熱烘干處理，然后用紫外臭氧處理I?5分鐘。
[0015]所述鈣鈦礦吸光材料層可選用的材料通式為(RNH3) BXJn,其中R=CH3X4H9或C8H9 ；B=Pb, Sn等中的至少一種；X=C1, Br, I等齒族元素中的至少一種；m=l、2或3 ;n=3_m。
[0016]作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述鈣鈦礦吸光材料層可采用兩步法或者一步法制備。兩步法制備:可先旋涂特定濃度的BXmYn溶液，溶劑可以是N，N-二甲基甲酰胺(DMF)等化學(xué)試劑，常用的有461mg/mL的PbI2的DMF溶液；旋涂成膜后，50?100°C加熱烘干；然后浸泡于特定濃度的(RNH3)X溶液中一定時間，常用的有10mg/mL的甲胺碘(CH3NH3I)的異丙醇溶液，然后100?150°C加熱烘干。一步法制備:直接合成特定濃度的(RNH3)BXmYn的溶液，然后通過旋涂成膜，再加熱烘干處理。常用的是，合成20%的CH3NH3IxClh (O ^ X ^ O的DMF溶液，旋涂成膜后，在100?150°C加熱5?30min。
[0017]所述空穴傳輸層可選用Spiro-OMeTAD、3-己基取代聚噻吩(P3HT)等有機(jī)P型半導(dǎo)體材料，以及可能的v205、MoO3等P型無機(jī)化合物材料，常用的例如80mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液(可摻雜適量的叔丁基吡啶、鋰鹽等提高Spiro-OMeTAD的活性)。
[0018]所述頂電極可為金、銀等金屬電極，可使用真空熱蒸鍍方法制備。常用的例如金電極80nm。為了測試方便，金電極可以使用不同的模板，蒸鍍成不同的形狀，常用的有條形和圓點(diǎn)形狀，也可以整片完全覆蓋。
[0019]與現(xiàn)有的鈣鈦礦太陽能電池相比，本發(fā)明沒有使用常用的金屬氧化物如二氧化鈦(Ti02)、氧化鋅(ZnO)致密層作為電子傳輸層，而采用了金屬銫鹽來修飾ITO表面能級。通過掃描開爾文探針顯微鏡(SKPM)測試發(fā)現(xiàn)，被碳酸銫處理后的ITO表面功函會改變0.2?leV。
[0020]本發(fā)明通過金屬銫鹽溶液處理透明電極，只需進(jìn)行簡單的旋涂處理，銫鹽并不形成連續(xù)的薄膜，無需高溫煅燒處理，并且取消了傳統(tǒng)鈣鈦礦型太陽能電池中致密層的使用，從而簡化了器件制備步驟，降低了器件成本，且所制備的器件獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時也具有良好的穩(wěn)定性。
[0021]綜上所述，用金屬鹽溶液界面修飾透明電極而取代傳統(tǒng)的氧化物致密層，在鈣鈦礦染料敏化太陽能電池中的研究尚屬首次。使用溶液旋涂方法，只需要簡單的低溫退火，避免了使致密層過程中的高溫煅燒(如二氧化鈦)，同時也避免了高均一性的納米顆粒的合成(如氧化鋅)，但所制備的器件同樣達(dá)到了 14.5% (參見圖1)的光電轉(zhuǎn)換效率，制備方法簡便，成本低廉，光電轉(zhuǎn)換效率高，生產(chǎn)周期較短，光電性能優(yōu)良。
【附圖說明】
[0022]圖1是實(shí)施例1制備的鈣鈦礦電池的J-V曲線。
[0023]圖2是用原子力顯微鏡(AFM)觀測到的實(shí)施例1中Cs2CO3修飾前后的ITO表面形貌圖，其中(a)為原始ITO表面，(b)為經(jīng)Cs2COdf飾后的ITO表面。
[0024]圖3是實(shí)施例1中用Cs2CO3修飾前后的ITO表面SEM圖，其中(a)為高倍率下原始ITO表面，(b)為高倍率下經(jīng)Cs2CO3修飾后的ITO表面，(C)為低倍率下Cs2CO3修飾后的ITO表面。
[0025]圖4顯示了實(shí)施例1中的ITO表面經(jīng)Cs2CO3修飾前后的形貌和