一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钙钛矿型太阳电池的制造领域，特别涉及使用二氧化钛薄膜的钙钛矿型电池的结构特性及制备方法。
【背景技术】
[0002]钙钛矿型太阳电池是一种新型太阳电池，其中二氧化钛等氧化物薄膜作为电子传输层是重要的组成部分。钙钛矿太阳电池是通过钙钛矿型材料作为吸收层将太阳光转化为电能，其中二氧化钛薄膜可以作为致密层，起到传输电子和阻挡空穴的作用。在目前的钙钛矿型太阳电池制备方法中，有无空穴传输层结构的钙钛矿型太阳能电池，但是电子传输层却是很重要的一层。电子传输层(即空穴阻挡层)有很多种制备方法，有利用旋涂法制备的氧化锌薄膜，还有用二氧化钛和三氧化二铝结合的薄膜以及单纯溶胶-凝胶法制备的二氧化钛薄膜等。目前的钙台矿型太阳电池的电子传输层多以二氧化钛薄膜为主，加以掺杂一些金属氧化物来改善电池特性，但是由于制备的二氧化钛薄膜层致密度不够或者制备的二氧化钛薄膜存在较大的缺陷，从而导致钙钛矿吸收层较低的覆盖率，影响太阳能电池的性能。本发明采用独创的溶胶-凝胶旋涂法以及退火方法制备二氧化钛薄膜，制备出一种较为致密的二氧化钛薄膜，可以有效修饰二氧化钛的表面形貌，从而提高钙钛矿型太阳电池吸收层覆盖率，起到传输电子和阻挡空穴传输的作用。由此制作的钙钛矿型太阳电池能量转化效率可达12%。
【发明内容】
[0003]本发明针对上述存在的问题，采用一般化学方法，分多次、多步骤来制备二氧化钛溶胶-凝胶，然后在衬底上进行旋涂，经两次退火制备二氧化钛薄膜。制备的二氧化钛溶胶-凝胶特性良好，经退火后，结晶良好，用于钙钛矿型太阳电池中能够改善其电子传输层的特性，提高钙钛矿型太阳电池的能量转换效率。而且该方法简单廉价，易于实施，是制备高效率钙钛矿型太阳电池电子传输层的有效途径之一。
[0004]本发明的技术方案
用化学溶液法制备二氧化钛溶胶-凝胶，将钛酸四丁酯溶于无水乙醇。磁力搅拌后，加入聚乙二醇，再进行磁力搅拌后与硝酸、去离子水和无水乙醇的溶液混合，得到溶液1。
[0005]将溶液1进行磁力搅拌。经加热得到透明的二氧化钛溶胶凝胶。然后，经过两次退火即可得到性能良好的二氧化钛薄膜。
[0006]薄膜衬底采用透明导电薄膜IT0/FT0或者普通透明玻璃。
[0007]本方法的优点和积极效果
用化学溶液法制备二氧化钛溶胶-凝胶，过程简单，便于操作。而且本方法使用的钛源对人体的危害较小，便于人工操作。通过加热可以使含有聚乙二醇的溶液变得透明，从而改善二氧化钛溶胶-凝胶。一次配备的溶液在30天内均可使用，极大地节省了二氧化钛薄膜的制备成本，避免了浪费。通过控制退火的温度和时间可以调控二氧化钛薄膜的表面形貌，以得到性能优异的由二氧化钛薄膜形成的电子传输层。有利于钙钛矿型太阳电池中电子的传输，提高了钙钛矿型太阳能电池的性能。
【附图说明】
[0008]图1为本发明二氧化钛薄膜制备的具体实施步骤。
[0009]图2为本发明制备的二氧化钛薄膜在不同第二次退火温度下的XRD测试图片。
[0010]图3为本发明制备的二氧化钛薄膜在不同第二次退火温度下的光透过率测试图片。
[0011]图4为本发明制备的二氧化钛薄膜在不同第二次退火温度下的AFM测试图片。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图1对本发明所述的技术方案进行详细的说明
取2.5cmX2.5cm方形玻璃(或者FT0/IT0)作为衬底，放入去离子水中，加入少许电子清洗剂，并超声清洗15min，取出后将水换掉，换成去离子水后再超声清洗lOmin，取出后将水换掉，换成去离子水后再超声清洗lOmin，清洗好后取出并用氮气吹干，放入干燥箱进行干燥。
[0013]制备二氧化钛溶胶-凝胶。首先制备溶液A。将2.5mL钛酸四丁酯溶于6mL无水乙醇中，磁力搅拌20min。然后再加入0.lg的聚乙二醇20000，继续磁力搅拌90min，得到溶液A。
[0014]制备溶液B。将6.5mL无水乙醇和0.5mL浓度为16mol/L硝酸以及0.25mL去离子水混合得到溶液B。
[0015]制备溶胶-凝胶C。将溶液A和B混合，加热搅拌，加热温度为75°C，搅拌速率为100r/min。搅拌120min中后，静置10小时以上得到溶胶-凝胶C。
[0016]然后再衬底上旋涂溶胶-凝胶C，匀胶机转速为2000rpm，时间为40s，得到二氧化钛薄膜。
[0017]将得到的二氧化钛薄膜在加热板上12 0 °C预热一段时间，然后在放入加热炉500°C退火lh，待退火完毕，即得到最终的二氧化钛薄膜。
[0018]综上，本发明提供了一种用于制作钙钛矿型太阳能电池的二氧化钛的薄膜制备方法，主要考虑到二氧化钛不同晶相形成的条件，用普通的化学方法，制备了二氧化钛溶胶-凝胶。先通过常温搅拌使聚乙二醇、钛酸四丁酯和无水乙醇等充分混合，然后在一定温度下再进行搅拌，生成最后的溶胶-凝胶，并用退火工艺得到二氧化钛薄膜，提高薄膜结晶质量。在不同退火温度下制备的二氧化钛薄膜的XRD图谱见图2，光透过率见图3，AFM图像见图4。由图可以看出当退火温度为500°C左右时，薄膜透过率较好，结晶程度较好，表面形貌较好。
【主权项】
1.一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将钛酸四丁酯溶于无水乙醇，磁力搅拌后，加入聚乙二醇，再进行磁力搅拌后与硝酸、去离子水和无水乙醇的溶液混合，得到溶液1; 2)将步骤1)制得的溶液1进行磁力搅拌，经加热得到透明的二氧化钛溶胶-凝胶； 3)将步骤2)制得的溶胶-凝胶旋涂到玻璃(或者FTO/ITO)衬底上，首先在150°C下进行预热，得到第一次退火后的二氧化钛薄膜； 4)将步骤3)制得的二氧化钛薄膜，在500°C左右(即450°C_550°C )进行第二次退火，得到经第二次退火后的二氧化钛薄膜。2.如权利要求1所述的一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所制备的溶液1是由两种不同溶液在搅拌后进行混合的。3.如权利要求1所述的一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，得到透明的二氧化钛溶胶-凝胶，是由所制备的溶液1在一定温度下加热搅拌制得的。4.如权利要求1所述的一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，制得的二氧化钛薄膜是经过两次退火而得到的。5.如权利要求1所述的一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，制得的二氧化钛薄膜第一次退火温度为85°C -150°C。6.如权利要求1所述的一种用于钙钛矿型太阳电池的二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，制得的二氧化钛薄膜第二次退火温度为450°C -550°C。
【专利摘要】本发明公开了一种钙钛矿太阳电池电子传输层的制备方法。运用简单的化学方法分多次、多步骤制备二氧化钛溶胶-凝胶。并且在二氧化钛溶胶-凝胶的制备方法中结合二氧化钛不同晶相形成的条件，在溶液混合之后，进行加热，制备出透明的二氧化钛溶胶-凝胶。并采用独特的退火工艺得到优质的二氧化钛薄膜。提高了薄膜的透过率、结晶程度，同时改善了它的表面形貌。整个制备工艺简单，便于工业控制，易于操作。制得的二氧化钛薄膜用于钙钛矿型太阳电池，可以有效改善它的性能，可使其光电转换效率达12%以上。
【IPC分类】H01L51/48, H01L51/44
【公开号】CN105322094
【申请号】CN201510309257
【发明人】蔡宏琨, 朱景洁, 倪牮, 张建军, 张德贤, 李娟 , 于海龙, 杜阳阳, 孙小香
【申请人】南开大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年6月8日