低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层、制备方法及应用

本发明属于钙钛矿太阳能电池，具体涉及一种应用于钙钛矿太阳能电池的低层数(单层或双层)反蛋白石结构二氧化锡电子传输层及其制备方法。

背景技术：

1、全球性的化石能源危机正日益威胁到人类的生存与发展，如何利用环保清洁又可持续的新能源成为了各国科学家的研究热点。钙钛矿太阳能电池因其低成本、易制备、高光电转换效率的优点，是具有前景的研究方向。近年来，钙钛矿太阳能电池取得了快速发展，在材料制备和光电器件性能等方面均取得了突破性进展，由于钙钛矿材料具有宽吸收光谱、高吸收系数、较小激子结合能、平衡的电子/空穴迁移率、良性缺陷以及较长电荷载流子寿命等特点，使得钙钛矿太阳能电池光电转换效率显著提升，成为光伏发电领域最具有发展潜力器件。

2、电子传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，作用是与钙钛矿光吸收层形成电子选择性接触。理想的电子传输层需要与钙钛矿材料的能级相匹配，以减少能量损失促进光生电子注入，同时也应具有较高的电子迁移率以确保电子的快速传输，抑制电子和空穴的复合。sno2属于宽禁带半导体，与钙钛矿相的能级较为匹配，电子迁移率更高(240cm2/(v·s))，有利于缩短电子在钙钛矿薄膜中的传输时间,抑制电子–空穴对的复合，并且与tio2或其他etl材料相比，sno2具有优异的化学稳定性、抗紫外线性能和抗反射性,较低的光催化活性，这些优异的性能有利于提升器件的稳定性和延长使用寿命。

3、光子晶体结构作为框架材料负载半导体吸光材料的同时作为电子传输层，具有高的比表面积以及对光的可控性，能够增强钙钛矿的光吸收，并且输运光生电子。作为最成熟的光子晶体成型方法之一的自组装堆积工艺，它的层数普遍过高，通常大于10层左右。并且由于蛋白石基元的堆积发生挤压畸变失去部分光子晶体的吸收特性；另一方面来看，应用到太阳能电池结构的高吸收系数的钙钛矿而言，光子晶体的厚度只需要600nm到1000nm即可充分吸收太阳光光谱的能量，它的厚度过高则会使太阳光无法完全穿透钙钛矿，导致钙钛矿无法得到充分利用，同时过高层厚的电子传输层也带来更大的串联电阻，以及降低电池的电子空穴度分离速率和短路电流。对于单纯的通过降低微球分散液的浓度去控制光子晶体的厚度的方法，因为微球浓度过低，自组装过程中分散液的弯月面夹断，容易得到层数不均的光子晶体，从而影响到钙钛矿薄膜的质量。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的不足，本发明的目的一在于提供一种低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层的制备方法，目的二在于提供采用上述制备方法制备的低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层，目的三在于提供上述低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明所述低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层，在保证电子传输层与钙钛矿层有较大的接触表面的同时，通过尺寸可控，层数可控且表面平整的反蛋白石结构来增强光吸收，充分利用钙钛矿材料的高吸光系数的特点和光子晶体负载结构作为电子传输层的双重功能性，从而达到提高光电转化率的效果。

2、为实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

3、第一方面，一种低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层的制备方法，包括步骤如下：

4、s1.将氯化亚锡二水合物结晶体溶解于异丙醇当中并室温陈化，制得氯化亚锡胶体溶液；

5、s2.将去离子水和苯乙烯单体加入到三颈烧瓶中进行水浴加热和搅拌，并持续通入氮气，之后加入引发剂过硫酸钾，反应12h，制得聚苯乙烯胶体微球溶液；

6、s3.将步骤s2所得到的聚苯乙烯胶体微球溶液分散在乙醇分散液中并超声处理，制得单分散聚苯乙烯胶体微球分散液；

7、s4.将fto导电玻璃依次加入到丙酮、去离子水和无水乙醇中超声进行清洗，将干净的fto导电玻璃放入等离子表面处理机进行处理；

8、s5.将步骤s1所得的氯化亚锡胶体溶液旋涂在fto导电玻璃上并退火，制得二氧化锡薄膜覆盖的玻璃衬底；

9、s6.将步骤s5所得的玻璃衬底依次加入到异丙醇、去离子水和无水乙醇中超声处理；

10、s7.将步骤s6所得的玻璃衬底垂直倚靠在样品瓶壁上，加入步骤s3所得的单分散聚苯乙烯胶体微球分散液至淹没整个玻璃衬底，滴加表面活性剂十二烷基硫酸钠，之后放入鼓风干燥箱内进行干燥处理，得到聚苯乙烯胶体微球光子晶体覆盖的玻璃衬底；

11、s8.将步骤s1所得的氯化亚锡胶体溶液通过旋涂填充在步骤s7所得的玻璃衬底上的聚苯乙烯胶体微球间并干燥，之后放入马弗炉中进行退火并去除聚苯乙烯胶体微球，同时二氧化锡从前驱液结晶成型得到低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层。

12、优选地，步骤s1中所述氯化亚锡二水合物结晶体与异丙醇的质量体积比为0.576g：25ml；陈化时间为96h。

13、优选地，步骤s2中所述去离子水与苯乙烯单体的体积比为135ml：(10～15)ml；加热温度为90℃，搅拌转速为300rpm；引发剂过硫酸钾质量为0.1g。

14、优选地，步骤s3中所述乙醇分散液由无水乙醇与去离子水组成，无水乙醇与去离子水的体积比为48ml：2ml；所述聚苯乙烯胶体微球溶液与乙醇分散液的体积比为1ml：50ml；超声时间为10～30min。

15、优选地，步骤s4中所述fto导电玻璃的尺寸为20mm*10mm*2mm；丙酮、去离子水和无水乙醇超声处理的时间比为30min：30min：30min；等离子表面处理时间为450s。

16、优选地，步骤s5中，所述氯化亚锡胶体溶液为50μl；旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为30s；退火温度为120～180℃。

17、优选地，步骤s6中所述异丙醇、去离子水和无水乙醇超声处理的时间比为30min：10min：10min。

18、优选地，步骤s7中，所述样品瓶尺寸为φ22.5mm*75mm；所述玻璃衬底的二氧化锡面朝向瓶心；十二烷基硫酸钠质量为50～100mg；鼓风干燥箱的温度为60℃，干燥时间为12h。

19、优选地，步骤s8中，所述氯化亚锡胶体溶液为30μl；旋涂速度为2000～3000rpm，旋涂时间为60s；马弗炉升温速率为1℃/min，第一段退火温度为80～100℃，保温时间为90min，第二段退火温度为480-500℃，保温时间为120min。

20、第二方面，采用上述制备方法制备的低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层。

21、第三方面，上述低层数反蛋白石结构二氧化锡电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

22、本发明方法的优点如下所述：

23、(1)本发明通过设计反蛋白石结构的电子传输层，显著增大了电子传输层与钙钛矿层的接触面积，改善了光生电子的传输。

24、(2)本发明中电子传输层材料为二氧化锡光子晶体，光子晶体的结构尺寸可控，层数可控且表面光滑平整，具有较好的透光性，能够增强太阳光的有效采集。

25、(3)本发明在制备过程中不需要昂贵的设备和原料，实验方法易于操作，实验过程无污染等特点，实验中的温度和时间较容易控制。