多孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種SnO2多孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦光伏電池，屬于光電子材料與器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在太陽能的利用中，最被廣泛發(fā)展和使用的是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，相應(yīng)的光伏產(chǎn)業(yè)在過去的10年內(nèi)以每年超過30%的速度增長，在某些年份甚至超過50% (Nat.Photonics，2008，2，284)。硅太陽電池技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、效率高，一直占據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)市場的主要份額，然而，其發(fā)電成本比當(dāng)前商業(yè)化的水電、核電及火電的高出甚多(Science, 1999，285，692)，且其生產(chǎn)過程中的高能耗和環(huán)境問題也很突出，因此，雖然硅太陽電池是目前光伏市場的“帶頭大哥”，但人們對(duì)高效、低成本、環(huán)保的太陽能電池的研發(fā)一直沒有停止，如新生代(第三代)新型有機(jī)、無機(jī)薄膜太陽電池、染料敏化太陽電池以及鈣鈦礦電池(Science，2014，345，542)。以染料敏化電池為代表的第三代太陽電池(效率達(dá)13%)以明顯的低成本和環(huán)境友好特性得到了廣泛關(guān)注，但效率和第一代硅太陽電池(效率達(dá)25% )和以銅銦鎵砸薄膜電池(效率達(dá)19% )為代表的第二代太陽電池相比有待進(jìn)一步提高。決定太陽電池效率高低的主要因素為吸光層材料。一種新型的具有鈣鈦礦(如AMX3)結(jié)構(gòu)的有機(jī)無機(jī)金屬鹵化物(如A = CH3NH3, M = Pb, X = I)具有比傳統(tǒng)的染料敏化太陽電池所采用的N719染料高十倍的吸收系數(shù)而引起科學(xué)工作者廣泛關(guān)注。在五年內(nèi)，以鈣鈦礦為吸光層的鈣鈦礦電池效率從3.8%迅速提高到19.3% (Science, 2014, 345，6196)以上，高于非晶娃電池，被Science評(píng)選為2013年十大科學(xué)突破之一。國內(nèi)Han Hongwei (韓宏偉)等人制備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(rèn)證效率和超過1000個(gè)小時(shí)性能無明顯衰減的高穩(wěn)定性，可采用印刷工藝，有巨大應(yīng)用前景(Science, 2014，345，6194)。
[0003]鈣鈦礦光伏電池器件結(jié)構(gòu)一般為導(dǎo)電襯底/電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層/接觸電極，因此，優(yōu)化各層材料及界面接觸是進(jìn)一步提高電池性能的必然任務(wù)。在鈣鈦礦太陽電池中，電子傳輸層材料及其電荷輸運(yùn)是影響電池性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)前鈣鈦礦電池的電子傳輸層一般為T12致密層(Nature, 2013, 501, 395)、T12致密層/T12多孔層(Nature, 2013，499，316)或 1102致密層 /Al 203多孔層(Science, 2012，338，643)，ZnO 薄膜層(Nature Photonics, 2013, 8, 133), SnOjjC密層(一種基于SnO 2的媽鈦礦薄膜光伏電池及其制備方法，國家發(fā)明專利申請?zhí)?201410407708)。傳統(tǒng)的制備T12電子傳輸層(含致密和多孔層)和Al2O3多孔層普遍采用旋涂法，并需要高溫?zé)Y(jié)，工序較復(fù)雜且能耗大，另夕卜，T12存在的紫外衰減會(huì)降低電池的穩(wěn)定性。ZnO既溶于酸也溶于堿，是一種雙性氧化物，在長期穩(wěn)定性方面存在問題，并不太適合工業(yè)應(yīng)用。SnO2能低溫制備、工藝簡單、在酸堿環(huán)境中很穩(wěn)定，帶隙較寬對(duì)紫外光不敏感、由其所組裝的平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池比T12致密層平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池性能有了一定提高(一種基于SnO2的鈣鈦礦薄膜光伏電池及其制備方法，國家發(fā)明專利申請?zhí)?201410407708)，因此，進(jìn)一步優(yōu)化SnO2電子傳輸層性能是提高 SnO2基鈣鈦礦電池的重要任務(wù)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型所要解決的問題是提供一種具有更高的轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦光伏電池。
[0005]本申請人在SnO^面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)上，增加了一層SnO 2多孔層，該多孔層除了具有電子傳輸功能，還能起到支撐作用，讓鈣鈦礦滲入其中，從而起到更多吸收太陽光的作用，這種基于多孔Sn02g構(gòu)的鈣鈦礦光伏電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率及更好的穩(wěn)定性。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案:
[0007]一種鈣鈦礦光伏電池，包括透明導(dǎo)電襯底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極；所述電子傳輸層為覆蓋于透明導(dǎo)電襯底之上的二氧化錫致密層和覆蓋于二氧化錫致密層之上的二氧化錫多孔層。
[0008]所述透明導(dǎo)電襯底為FTO或者ΙΤ0。
[0009]所述鈣鈦礦層吸光層CH3NH3PbI3。
[0010]上述的鈣鈦礦太陽能電池，所述的空穴傳輸層是68mmol/L的2，2’，7，7’-四[N, N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’ -螺二芴，26mmol/L的雙三氟甲基磺酸亞酰胺鋰和55mmol/L的4-叔丁基卩比啶的混合溶液。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]本發(fā)明所提供的多孔Sn02@鈦礦光伏電池的制備方法，包括如下步驟:
[0013](I)先將透明導(dǎo)電襯底采用半導(dǎo)體工藝清洗，用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>[0014](2)在透明導(dǎo)電襯底上制備SnO2致密層；
[0015](3)在SnOjjC密層上制備SnO 2多孔層；
[0016](4)在SnO2多孔層上制備鈣鈦礦CH 3NH3PbI3吸光層；
[0017](5)在吸光層上制備空穴傳輸層；
[0018](6)在空穴傳輸層上蒸發(fā)沉積制備金屬電極。
[0019]步驟⑵所述的在透明導(dǎo)電襯底上制備SnO2致密層的方法，包括如下步驟:
[0020](I)將0.lmol/L的SnCl2.2H20乙醇溶液攪拌30分鐘得到SnO2溶膠；
[0021](2)用勻膠機(jī)將SnO2溶膠均勻的旋涂在透明導(dǎo)電襯底上；
[0022](3)將旋涂好SnO2溶膠層的導(dǎo)電襯底在200攝氏度下退火30分鐘。
[0023]步驟⑶所述的在SnO2致密層上制備SnO 2多孔層的方法，包括如下步驟:
[0024](I)將0.075?0.6mol/L的SnCl2.2H20乙醇溶液攪拌30分鐘或以上得到前驅(qū)液；
[0025](2)將分子量20000的聚乙二醇加入前驅(qū)液，聚乙二醇與前驅(qū)液的質(zhì)量百分比為9% ；
[0026](3)將曲拉通x-100加入含有聚乙二醇的前驅(qū)液，曲拉通x-100與含有聚乙二醇的前驅(qū)液的體積比為2.5% ;
[0027](4)將28wt%濃度的氨水加入含有聚乙二醇和曲拉通x-100的前驅(qū)液，氨水與含有聚乙二醇和曲拉通x-100的前驅(qū)液的體積百分比O %至97.6% ；
[0028](5)將上述含有聚乙二醇、曲拉通x-100和氨水的前驅(qū)液充分?jǐn)嚢?2小時(shí)以上得到SnO2前驅(qū)物；
[0029](6)用勻膠機(jī)將前驅(qū)物均勻的旋涂在經(jīng)過退火的SnOg^密層上；
[0030](7)將步驟(6)得到的產(chǎn)物在400攝氏度下退火60秒。
[0031]步驟⑷所述的在SnO2多孔層上制備鈣鈦礦CH 3順外13吸光層的方法，包括如下步驟:
[0032](I)將lmol/L的PbCl2溶解在二甲基甲酰胺里，60攝氏度下攪拌24小時(shí)；
[0033](2)用勻膠機(jī)將PbCl2S液旋涂在經(jīng)過退火的SnO 2多孔層上70攝氏度退火30分鐘；
[0034](3)把旋涂有PbCl2的樣品放在10mg/L的CH 3NH3I異丙醇溶液中浸泡5分鐘；
[0035](4)用異丙醇漂洗第3步所得產(chǎn)物，用氮?dú)獯蹈桑?0攝氏度退火30分鐘。
[0036]本實(shí)用新型可以通過步驟簡單、低溫、低成本的方法制備出一種具有多孔結(jié)構(gòu)電子傳輸層的高效率鈣鈦礦電池，成本低，器件具有很好的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性能，具有比SnO2平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池更高的光吸收效率。
[0037]本實(shí)用新型的有益效果是:1)用工藝簡單、低溫方法制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的SnO2鈣鈦礦光伏電池，成本低；2)這種多孔結(jié)構(gòu)SnO2鈣鈦礦電池取得了較高的光電轉(zhuǎn)化效率(12.58% )，超過SnOj^密層作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的效率(9.314% )，有很大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ?) SnO2這種氧化物耐酸堿，比ZnO要穩(wěn)定得多，比1102等氧化物存在更少的紫外衰減，所以在提高器件性能穩(wěn)定性上意義重大；4)這種高效率的鈣伏礦電池器件的制備工藝簡單、成本低，有利于規(guī)模化生產(chǎn)，具有很大的商業(yè)應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0038]圖1是多孔結(jié)構(gòu)SnOji鈦電池的結(jié)構(gòu)圖，1-透明導(dǎo)電襯底，2-致密SnOJl ,3-多孔SnOjPl1S鈦礦混合層，4-空穴傳輸層，5-金電極。
[0039]圖2是實(shí)施例1制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0040]圖3是實(shí)施例2制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0041]圖4是實(shí)施例3制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0042]圖5是實(shí)施例4制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖)。
[0043]圖6是實(shí)施例5制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0044]圖7是實(shí)施例6制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0045]圖8是實(shí)施例7制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0046]圖9是實(shí)施例8制得鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]實(shí)施例1:
[0048]I)清洗。試驗(yàn)中要先對(duì)FTO導(dǎo)電玻璃襯底進(jìn)行清洗、吹干。將尺寸大小合適的FTO導(dǎo)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?dú)獯蹈蓚溆谩?br>[0049]2)鈣鈦礦CH3NH3PbI3吸光層制備。鈣鈦礦溶液的配置:將lmol/L的PbCl 2溶解在二甲基甲酰胺里，60攝氏度下攪拌24小時(shí)。再用勻膠機(jī)將PbCl2溶液旋涂在FTO導(dǎo)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CH 3NH3I異丙醇溶液中浸泡5分鐘；最后用異丙醇漂洗樣品，用氮?dú)獯蹈桑?0攝氏度退火30分鐘。
[0050]3)空穴傳輸層制備。用勻膠機(jī)在鈣鈦礦CH3NH3PbI3K光層上旋涂一層空穴傳輸層溶液(68mmol/L的2，2’，7，7’ -四[N，N- 二(4-甲氧基苯基)氨