一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种以二氧化钛纳米棒为电子传输层，以层状类钙钛矿(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)Pb2I7为吸光层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]由于石油，煤炭等不可再生能源的不断减少，以及大量使用化石能源引起的环境污染愈发严重，发展利用清洁的可再生能源技术是社会发展的必然趋势。太阳能电池由于能够将储量丰富、绿色环保和可再生利用的太阳能直接转换为电能而成为最具前景的选择之一。钙钛矿太阳能电池是一类新兴的薄膜太阳能电池，主要是利用具有钙钛矿结构的光伏材料来实现光电转换，其光电转换效率已经突破20%，具有广泛的应用前景。
[0003]然而，在钙钛矿太阳能电池的制备过程中，由于目前使用的光吸收层材料在空气中稳定性较差，因此通常电池的制备都是惰性气体的保护下进行，另外，平面结构的电池的光吸收层薄膜的制备工艺较复杂，很难制备表面致密的光吸收层薄膜，限制了太阳能电池光电转换效率的提高。此外，钙钛矿太阳能电池稳定性的研究相对滞后，严重制约了钙钛矿太阳能电池的应用。因此，采用多孔的二氧化钛纳米棒作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层，以及采用稳定性较好的层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3)Pb217作为钙钛矿太阳能电池的光吸收层对于推进钙钛矿太阳能电池的实际应用具有很大的意义。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种以二氧化钛纳米棒薄膜作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层，以及层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2(CH3NH3) Pb217作为钙钛矿太阳能电池的吸光层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，能够有效提高钙钛矿太阳能电池的化学稳定性。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种钙钛矿太阳能电池，从下至上由FTO透明导电玻璃、电子传输层、吸光层、空穴传输层和金属电极组成，其特征在于:所述电子传输层为二氧化钛纳米棒薄膜，所述吸光层为层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3)
Pb2l7o
[0006]按上述方案，所述电子传输层厚度为500-1600nm。
[0007]上述一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤:
[0008]I)将FTO透明导电玻璃(或称透明导电玻璃FT0)依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的FTO透明导电玻璃；
[0009]2)将步骤I)得到的洁净的FTO透明导电玻璃加热到400-500 °C，然后采用喷雾热解法，喷涂钛源[此处的钛源为20mmol/L的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液，与步骤3]的钛源不同)]，然后在空气气氛下保温处理15_30min，得到表面涂覆有T12薄膜的FTO导电玻璃；
[0010]3)采用水热法，在步骤2)所得表面覆有T12薄膜的FTO导电玻璃上生长二氧化钛纳米棒，形成二氧化钛纳米棒薄膜(得到电子传输层);
[0011]4)在步骤3)所得表面覆有二氧化钛纳米棒薄膜的FTO导电玻璃上旋涂层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)Pb217的前驱体溶液，即在二氧化钛纳米棒薄膜表面制备得到层状类钙钛矿薄膜(得到吸光层)；
[0012]5)在手套箱内，在步骤4)所得层状类钙钛矿薄膜表面上制备空穴传输层薄膜；
[0013]6)采用热蒸发法在步骤5)所得空穴传输层薄膜上蒸镀50-80nm的Au薄膜作为金属电极，即得到钙钛矿太阳能电池。
[0014]按上述方案，步骤I)所述超声清洗的功率为50W，频率为40KHZ，清洗时间为15_20min ；紫外臭氧处理时间为15_30min。
[0015]按上述方案，步骤3)所述水热法为:将表面覆有T12薄膜的FTO导电玻璃放入钛源中，水热温度为150 °C，水热时间为3-5小时；所述钛源为钛酸四正丁酯、水和浓盐酸的混合溶液，水和浓盐酸的体积比为I: I，钛酸四正丁酯和水的体积比为0.03-0.06:1。
[0016]按上述方案，步骤3)所述二氧化钛纳米棒薄膜厚度为500-1600nm。
[0017]按上述方案，步骤4)所述层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)Pb2I7的前驱体溶浓度为0.5-lmol/L。
[0018]按上述方案，步骤5)所述旋涂法制备空穴传输层薄膜，具体步骤如下:在步骤4)所得的层状类钙钛矿薄膜上旋涂空穴传输层前驱体溶液，所述的空穴传输层前驱体溶液由如下方法配制而成:首先配制2，2’，7，7’_四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’_螺二芴的氯苯溶液，浓度为83.2mg/mL，再在该溶液中加入二 (三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶，每毫升上述2，2’，7，7’_四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]_9，9 ’_螺二芴的氯苯溶液中加入33.76yL 4-叔丁基吡啶和15.62yL二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液，其中二 (三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液浓度为500mg/mL。
[0019]按上述方案，步骤6)所述热蒸发法步骤为:在2.5X 10—4Pa的真空度下，将金加热熔化蒸发沉积到步骤5)所得空穴传输层薄膜上。
[0020]本发明采用二氧化钛纳米棒为电子传输层的优点是可提高层状类钙钛矿吸光层薄膜的表面覆盖率，以层状类钙钛矿(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)Pb2I7为吸光层可以提高钙钛矿太阳能电池稳定性，延长电池使用寿命，减少制备成本。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]1、本发明制备的基于二氧化钛纳米棒薄膜的光吸收层薄膜(吸光层)，表面覆盖率高，操作简便。
[0023]2、本发明制备的光吸收层(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)Pb2I7薄膜无需加热退火，结构稳定，使得整个制备过程都能在空气中进行。
[0024]3、本发明制备的以二氧化钛纳米棒为电子传输层，层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3) Pb217为吸光层的钙钛矿太阳能电池具有较好的光电转换性能，其开路电压为81711^，短路电流密度为6.8111^八1112，填充因子为0.493，能量转换效率为2.74%，电池在空气中性能稳定。
【附图说明】
[0025]图1为本发明所述的以二氧化钛纳米棒为电子传输层，层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3) Pb21 ?为吸光层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
[0026]图2为实施例1至实施例4制备的二氧化钛纳米棒截面SEM图。
[0027]图3为实施例1至实施例4制备的钙钛矿太阳能电池的性能对比曲线。
[0028]图4为实施例2制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在空气中的变化曲线。
【具体实施方式】
[0029]为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0030]下述实施例中:步骤(e)所述旋涂法制备空穴传输层薄膜，具体步骤如下:在步骤(d)所得的层状类钙钛矿薄膜上旋涂空穴传输层前驱体溶液，所述的空穴传输层前驱体溶液由如下方法配制而成:首先配制2，2 ’，7，7 ’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9 ’-螺二芴的氯苯溶液，浓度为83.2mg/mL，再在该溶液中加入二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶，每毫升上述2，2’，7，7’_四[N，N-二 (4-甲氧基苯基)氨基]_9，9 ’ -螺二芴的氯苯溶液中加入33.76yL 4-叔丁基吡啶和15.62yL二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液，其中二 (三氟甲基磺酸酰)亚胺锂的乙腈溶液浓度为500mg/mL。
[0031]按上述方案，步骤(f)所述热蒸发法步骤为:在2.5X10—4Pa的真空度下，将金加热熔化蒸发沉积到步骤(e)所得空穴传输层薄膜上。
[0032]实施例1:
[0033]—种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤:
[0034]步骤(a)衬底准备:将FTO导电玻璃(或称FTO透明导电玻璃、透明导电玻璃FTO，以下相同)依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理15min，得到洁净的FTO透明导电玻璃，备用；
[0035]步骤(b)致密T12薄膜的制备:将步骤a)洁净的FTO透明导电玻璃加热到450V，然后采用喷雾热解法，喷涂钛源[此处的钛源为20mmol/L的二异丙氧基双乙酰丙酮钛的乙醇溶液]，然后在空气气氛下保温处理30min，得到表面涂覆有T12薄膜的FTO导电玻璃；
[0036]步骤(c)Ti02纳米棒薄膜的制备:采用水热法，在步骤b)所得表面覆有Ti02薄膜的FTO导电玻璃上生长二氧化钛纳米棒;所述水热法的钛源为钛酸四正丁酯、水和浓盐酸的混合溶液，水和浓盐酸的体积比为I: I，钛酸四正丁酯和水的体积比为0.03:1,水热温度为150°C，生长时间为3小时；图2为本实施例制备二氧化钛纳米棒断面SEM图(实例I )，所述二氧化钛纳米棒薄膜厚度为500nmo
[0037]步骤((1)|丐钛矿薄膜的制备:空气中，在步骤c)所得表面覆有Ti02纳米棒薄膜的FTO导电玻璃上旋涂浓度为lmol/L的层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)Pb2I7的前驱体溶液，即在T12纳米柱薄膜表面制备得到层状类钙钛矿薄膜(得到吸光层)；
[0038]步骤(e)旋涂空穴传输层:在手套箱中向经步骤(d)制备的层状类钙钛矿薄膜上制备空穴传输层薄膜。
[0039]步骤(f)金属电极制备:使用热蒸发法在上述薄膜上蒸镀金电极，厚度为60nm，得到钙钛矿太阳能电池。
[0040 ]图3为本实施例制