一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种钙钛矿型太阳能电池及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 随着石油、煤、天然气等化石能源的大量使用，温室气体和燃料废气的排放引发温 室效应、酸雨等环境问题对人类自身生存造成了严重威胁。石油、天然气和煤炭三大化石能 源的储量供人类使用的期限也非常有限。因此，人们越来越重视环境友好可再生能源技术 的研发，而太阳能是资源量最大、分布最为广泛的绿色可再生能源。
[0003] 光伏发电是利用太阳能的最主要方式。1954年，贝尔实验室研发出第一块硅掺杂 硅太阳能电池，效率达6%，从此开启了硅太阳能电池的时代。时至今日，硅太阳能电池仍然 占据着光伏行业的绝对地位。光伏技术已经发展了几十年的时间，但是目前人类对光伏技 术的有效利用还非常有限，其中一个非常重要的原因就是传统的无机硅太阳能电池成本过 高。例如，硅太阳能电池的成本约为$2/W，明显高于$0. 1/W的化石能源成本。因此我们需 要寻找一种新型的低成本太阳能电池来替代硅太阳能电池.
[0004] 针对现阶段硅系太阳能电池的成本问题，从上世纪九十年代开始，一种新型的有 机一无机复合的太阳能电池一染料敏化太阳能电池以其成本低廉，制备简便的特点引起了 人们的广泛关注。它也被认为是一种很有前途的利用太阳能的技术。
[0005] 1991年，瑞士洛桑高等工业学院科学家Gratzel教授在该研究领域取得了突 破性进展，他用高比表面积的纳米多孔Ti02代替传统的平板电极引入到染料敏化太 阳能电池的研究当中，转换效率大大提高，达到7%。（ Gritzel等，美国专利，公开号， W09116719A-310ctl991 ;Gritz被等，美国专利，公开号，US005350644A-27S印 1994)。目前单 结结构和叠层结构的染料敏化太阳能电池分别得到了 11. 18%和15. 09%的光电转换效率 (Progress In Photovoltaics:Research And Applications, 2006. V. 14. 429-442,Applied Physics Letters, 2006. V. 88. 203103-1-3)。钙钛矿型有机一无机复合物 CH3NH3PbI3 及其 衍生物，具有高的摩尔吸光系数和较宽的光谱吸收范围，被用于替代染料敏化太阳能电池 中的传统染料。
[0006] 采用空穴传输材料替代了液态碘电解质，解决了电解质对敏化剂腐蚀的问题。空 穴传输材料具有较低的L0M0能级，能够有效提高电池的开路电压，常用的空穴传输材料有 spiro-MeOTAD，PTAA等。经过短短3年的发展，钙钛矿电池的性能有了突飞猛进的进展。 目前，在材料研究学会会议上，美国加州大学洛杉矶分校材料学家Yang Yang报告称，他的 团队已经制造出效率为19. 3%的太阳能电池。Yang并未提供关于其团队制造电池的细节。 不过他表示，其团队专注于对钙钛矿晶体缺陷的技术改善，以及设备中不同材料层之间接 口的改进。韩国成均馆大学化学家Nam-Gyu Park表示，这些缺陷和界面问题通常会影响电 荷，阻止其到达电极。对晶体增加方式的改进令Park的团队所研制的钙钛矿太阳能电池的 效率达到了 17. 01%。
[0007] 钙钛矿太阳能电池分为纳米多孔载体层和异质结太阳能电池，纳米多孔载体层具 备能吸附更多的钙钛矿，可湿法制备等优点，目前最高效率的钙钛矿太阳能电池也是纳米 多孔载体层太阳能电池。
[0008] 目前多孔载体层又能分为两类，一类是不具备电子传输功能的光阳极，如A1203，这 类载体材料由于不能传电子，需要和有着良好电子传输能力的掺氯的钙钛矿相匹配，但是 掺氯钙钛矿的吸光特性没有全碘的钙钛矿好；一类是具有电子传输功能的Ti02纳米多孔载 体层，但这类载体层Ti02和钙钛矿的界面存在很多问题：Ti02有表面缺陷会形成电子陷阱， 并且其表面的羟基会腐蚀钙钛矿，而且Ti02本身就有一定的光催化作用。
[0009] 目前在Ti02和钙钛矿界面的修饰有Sb2S3和Y20 3两种，但是这两种方法也存在一 些问题：Sb2S3有毒性，会对环境造成污染；Υ203需要500摄氏度的制备温度，并且Υ 203的成 本比较高。因此在本专利中，我们使用了几种无毒、低成本且制备工艺简单的修饰剂对二氧 化钛-钙钛矿界面进行了修饰。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。
[0011] 本发明所提供的钙钛矿型太阳能电池，自下而上依次包括：由Ti02致密膜层和 Ti〇2多孔膜层组成的光阳极、位于所述光阳极的Ti02多孔膜层上的界面修饰材料层、钙钛 矿型染料敏化层、空穴传输层和对电极。
[0012] 所述f丐钛矿型太阳能电池结构中，所述Ti02致密膜层的厚度为40nm-60nm。
[0013] 所述Ti02多孔膜层的厚度为400-500nm，Ti02颗粒的粒径在20nm左右，Ti0 2多孔 膜的孔隙率为50% -60%，孔径为20nm-50nm。
[0014] 所述界面修饰材料选自下述至少一种Mg0、Al203和Cs 2C03。
[0015] 所述界面修饰材料层的厚度为5nm-10nm。
[0016] 所述钙钛矿型染料敏化层由钙钛矿型敏化染料制成；所述钙钛矿型敏化染料具体 可为CH3NH3PbI3 ;所述钙钛矿型染料敏化层的厚度为180nm-220nm。
[0017] 所述空穴传输层的厚度为80nm-120nm。
[0018] 所述空穴传输层的材料具体可为spiro-OMeTAD与双三氟甲烷磺酰亚胺锂的混合 物。
[0019] 所述对电极的厚度为55nm-65nm。所述对电极的材料具体可为金。
[0020] 本发明所提供的钙钛矿型太阳能电池是按照包括下述步骤的方法制备得到的：
[0021] 1)制备由Ti02致密膜层和Ti02多孔膜层组成的光阳极；
[0022] 2)在所述光阳极的Ti02多孔膜层上制备界面修饰材料层：
[0023] a)当所述界面修饰材料为MgO时，所述界面修饰材料层是按照包括下述步骤的方 法制备得到的：将MgO前驱体分散于溶剂中，得到MgO前驱体的溶液；然后将所述MgO前驱 体的溶液滴加到所述Ti02多孔膜上，匀胶后烧结，得到在所述Ti02多孔膜层上的界面修饰 材料层；
[0024] b)当所述界面修饰材料为A1203时，所述界面修饰材料层是按照包括下述步骤的 方法制备得到的：将A1203前驱体分散于溶剂中，得到A120 3前驱体的溶液；然后将所述A1203前驱体的溶液滴加到所述Ti02多孔膜上，匀胶后烧结，得到在所述Ti02多孔膜层上的界面 修饰材料层；
[0025] c)当所述界面修饰材料为Cs2C03时，所述界面修饰材料层是按照包括下述步骤的 方法制备得到的：将碳酸铯颗粒分散于溶剂中，得到碳酸铯溶液；将所述碳酸铯溶液滴加 到所述Ti02多孔膜上，匀胶后烧结，得到在所述Ti02多孔膜层上的界面修饰材料层；
[0026] 3)在所述界面修饰材料层上制备钙钛矿型染料敏化层；
[0027] 4)在所述钙钛矿型染料敏化层上制备空穴传输层；
[0028] 5)在所述空穴传输层上制备对电极，得到所述钙钛矿型太阳能电池。
[0029] 上述方法步骤1)中，所述Ti02致密膜层按照现有方法进行制备，如参照文 献：Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding9 %, H. S. Kim, C. R. Lee, J. H. Im, K. B. Lee, T. Moehl, A. Marchioro, S. J. Moon, R. Humphry-Baker, J. H. Yum, J. E. Moser, M. Gratzel and N.G. Park, Scientific Reports, 2012, 2, 591.中提供的方法进行制备；得到的 Ti02致密膜层的厚度为40nm-60nm。
[0030] 所述Ti02多孔膜层按照现有方法进行制备，如参照文献：Sequential deposition as a route to high-performanceperovskite-sensitized solar cells, J. Burschka, N. Pellet, S. Moon, R. H.