一种钙钛矿太阳能电池电子传输层及制备方法与流程

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池电子传输层及制备方法。

背景技术：

近年来，钙钛矿型太阳能电池受到人们的广泛关注，因为它不仅光电能量转换效率很高，而且制作简单、成本低，2009年，钙钛矿太阳能电池光电效率是3.8％，到2016年效率已经快速提升至22.1％。钙钛矿太阳能电池的结构主要包括：金属电极、空穴传输层、钙钛矿光敏层、电子传输层和透明导电基底，其中电子传输层主要存在于钙钛矿光敏层和电极之间，主要起到电子的收集和传输的作用，在高效率的钙钛矿电池当中不可缺少。

二氧化钛作为一种n型半导体，常作为电子输运层材料，它具有诸多优点，比如：与钙钛矿相匹配的能级结构、大的能带带隙、在紫外和可见光区域大范围的光透过率，以及低廉的制备成本。在钙钛矿太阳能电池中，二氧化钛层既可作为致密层又可作为介孔层，对电池的电子传输以及对钙钛矿的支撑起着至关重要的作用，极大影响着光生载流子的分离和传输的能力。但是二氧化钛作为电子传输层时由于二氧化钛电荷传输性能较差，导致钙钛矿太阳能内部发生过多副反应，严重影响到光电转化效率的提高。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的目的是提供一种钙钛矿太阳能电池电子传输层及制备方法。所述一种钙钛矿太阳能电池电子传输层，包括致密层和介孔层，所述致密层为将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯配置成的溶液通过热喷涂在干净的fto导电玻璃上；所述介孔层为钛酸四丁酯、原硅酸四乙酯、氧化石墨烯和柠檬酸配置成的溶液喷涂在致密层上。

本发明的另一目的是提供一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，其制备方法包括以下步骤：

s1：将fto导电玻璃放到清洗架上依次用去离子水，丙酮和无水乙醇在超声清洗仪上超声洗涤；将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯加入到无水乙醇中，搅拌，然后加入盐酸，超声搅拌10～16min，将清洗好的fto导电玻璃加热到50～60℃，然后将配置好的溶液喷涂到fto玻璃上，自然晾干后放置在管式炉中，在440～500℃加热35～50min得到致密层。

s2：将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，超声搅拌，然后加入原硅酸四乙酯和氧化石墨烯，超声搅拌3～5h，然后加入柠檬酸，在40～55℃下搅拌20～30min，然后将该溶液旋涂在步骤s1中的致密层上，其中转速为5000～6000rpm/min，之后在550～650℃下加热退火35～45min，得到所述电子传输层。

作为优选方案，上述所述的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯、无水乙醇和盐酸的体积比为(1.25～1.5):(8～12):(0.06～0.09)。

作为优选方案，上述所述的盐酸的摩尔浓度为2～3mol/l。

作为优选方案，上述所述的钛酸四丁酯、无水乙醇、原硅酸四乙酯和氧化石墨烯的质量体积比为(10～10.36)ml:(8～13)ml:(5.2～5.69)ml:(0.22～0.38)g。

作为优选方案，上述所述的钛酸四丁酯和柠檬酸的质量体积比为(1～1.03)ml:(0.12～0.16)g。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明首先在fto导电玻表面喷涂得到氧化钛薄膜。在制备的过程中加入少量的盐酸用作促进剂，在喷涂和加热退火的过程中得到形成氧化钛薄膜。

2、其次，本发明采用在二氧化钛的致密层上涂覆钛酸四丁酯、原硅酸四乙酯和氧化石墨烯制备一层介孔层。通过引入具有较强电离能力的柠檬酸含水溶液促进原硅酸四乙酯的水解，在酸性条件下形成硅酸网状结构，提供了电子的迁移通道。

3、该介孔层与钙钛矿层接触时其介孔支架提供一个较大的接触面积，从而将钙钛矿层的光生电子有效快速转移，其中氧化石墨烯和二氧化钛协同使得该介孔层与钙钛矿层有更强的电子耦合，而且利于较大尺寸的si4+元素扩大晶格间距，减少了钙钛矿与二氧化钛之间的晶格失配，促进界面电子产生相互作用，进而提升了其光电转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备电子传输层材料的sem图谱；

图2为本发明实施例1～3和对比例1制备电子传输层制作太阳能电池的j-v曲线图(1：实施例1；2：实施例2；3：实施例3；4：对比例1)。

具体实施方式

下面对本发明实施例作具体详细的说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

实施例1

一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，具体包括如下步骤：

s1：将fto导电玻璃放到清洗架上依次用去离子水，丙酮和无水乙醇在超声清洗仪上超声洗涤；将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯加入到无水乙醇中，搅拌，然后加入摩尔浓度为2mol/l的盐酸，其中二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯、无水乙醇和盐酸的体积比为1.25:8:0.06，超声搅拌10min，将清洗好的fto导电玻璃加热到50℃，然后将配置好的溶液喷涂到fto玻璃上，自然晾干后放置在管式炉中，在440℃加热35min得到致密层。

s2：将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，超声搅拌，然后加入原硅酸四乙酯和氧化石墨烯，其中钛酸四丁酯、无水乙醇、原硅酸四乙酯和氧化石墨烯的质量体积比为10ml:8ml:5.2ml:0.22g，超声搅拌3h，然后加入柠檬酸，其中钛酸四丁酯和柠檬酸的质量体积比为1ml:0.12g，在40℃下搅拌20min，然后将该溶液旋涂在步骤s1中的致密层上，其中转速为5000rpm/min，之后在550℃下加热退火35min，得到所述电子传输层。

实施例2

一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，具体包括如下步骤：

s1：将fto导电玻璃放到清洗架上依次用去离子水，丙酮和无水乙醇在超声清洗仪上超声洗涤；将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯加入到无水乙醇中，搅拌，然后加入摩尔浓度为3mol/l的盐酸，其中二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯、无水乙醇和盐酸的体积比为1.5:12:0.09，超声搅拌16min，将清洗好的fto导电玻璃加热到60℃，然后将配置好的溶液喷涂到fto玻璃上，自然晾干后放置在管式炉中，在500℃加热50min得到致密层。

s2：将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，超声搅拌，然后加入原硅酸四乙酯和氧化石墨烯，其中钛酸四丁酯、无水乙醇、原硅酸四乙酯和氧化石墨烯的质量体积比为10.36ml:13ml:5.69ml:0.38g，超声搅拌5h，然后加入柠檬酸，其中钛酸四丁酯和柠檬酸的质量体积比为1.03ml:0.16g，在55℃下搅拌30min，然后将该溶液旋涂在步骤s1中的致密层上，其中转速为6000rpm/min，之后在650℃下加热退火45min，得到所述电子传输层。

实施例3

一种钙钛矿太阳能电池电子传输层的制备方法，具体包括如下步骤：

s1：将fto导电玻璃放到清洗架上依次用去离子水，丙酮和无水乙醇在超声清洗仪上超声洗涤；将二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯加入到无水乙醇中，搅拌，然后加入摩尔浓度为2.6mol/l的盐酸，其中二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯、无水乙醇和盐酸的体积比为1.33:10:0.08，超声搅拌15min，将清洗好的fto导电玻璃加热到55℃，然后将配置好的溶液喷涂到fto玻璃上，自然晾干后放置在管式炉中，在480℃加热40min得到致密层。

s2：将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，超声搅拌，然后加入原硅酸四乙酯和氧化石墨烯，其中钛酸四丁酯、无水乙醇、原硅酸四乙酯和氧化石墨烯的质量体积比为10.22ml:11ml:5.48ml:0.31g，超声搅拌4h，然后加入柠檬酸，其中钛酸四丁酯和柠檬酸的质量体积比为1.02ml:0.15g，在45℃下搅拌25min，然后将该溶液旋涂在步骤s1中的致密层上，其中转速为5500rpm/min，之后在600℃下加热退火40min，得到所述电子传输层。

对比例1

该度比例制备步骤与实施例1中步骤相同，区别仅在于该对比例中制备的电子传输层只有致密层，无介孔层。

性能测试实验：

将实施例1～3和对比例1制备的电子传输层之上分别涂覆钙钛矿层、空穴传输层和银电极层，制作钙钛矿太阳能电池然后使用太阳光模拟器(100mw/cm²,am1.5g)辐照钙钛矿太阳能电池，同时采用keithley(2601a,usa)数字源表记录测得的j-v特征曲线，如附图2所示；

根据j-v曲线可以得出其开路电压voc、短路电流jsc，根据公式：ff＝pmax/(voc×jsc)得出其填充因子ff；根据公式：pce＝pmax/pinc得出其光电转化效率，其中pmax为最大输出功率，pinc为入射光功率，其结果如表1所示，表1.性能测试结果：

从表1可以看出，本发明方法制备的实施例1～3的电子传输层所制成的钙钛矿太阳能电池的开路电压voc均在1.138v以上，短路电流jsc均在23.74ma/cm²，填充因子均在72.8％以上，光电转化效率均在21.04％以上，相比较对比例1的电子传输层所制成的钙钛矿太阳能电池的开路电压voc为1.079v，短路电流jsc为22.13ma/cm²，填充因子ff为70.1％，光电转化效率pce为17.93％，说明本发明电子传输层具有更快的电子传输效率，促进界面与电子产生相互作用，进而提升了其光电转换效率。