一种RGO/m-TiO2基无机铯铅溴钙钛矿太阳能电池及制备方法

本发明属于光伏器件，具体涉及一种rgo/m-tio2基无机铯铅溴钙钛矿太阳能电池及制备方法。

背景技术：

1、自2009年以来，钙钛矿太阳能电池的效率从3.8％提升到25.2％而备受众多专家学者的关注。但是，实现钙钛矿太阳能电池(pscs)器件商业化应用，还面临一些挑战。其中，有机无机杂化钙钛矿材料存在热降解、光降解和温度不稳定性，会导致电池器件的光电转化效率(pce)衰减。相对于此，全无机的钙钛矿材料，由于取代了易挥发的有机阳离子，热稳定性、光稳定性都有很大改善，有望成为继有机-无机杂化的钙钛矿材料后，更加利于工业生产的太阳电池的光活性层。

2、目前，纯无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率相较于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池还有很大差距，一方面原因是无机钙钛矿的带隙较宽，二是在电子层上容易发生电荷重组现象，特别是第二点严重制约其效率的提升，因此减少电荷重组显得尤为重要。目前无机钙钛矿电池普遍采用锐钛矿tio2作为电子层，tio2具有制备成本低，工艺简单，具有合适的导带和和价带，优异的透光率以及化学稳定性等优点，但是纯tio2薄膜存在导电率低和缺陷态密度高等缺点，通过对tio2制备方法、形貌或掺杂处理等方面进行调节，优化能级、孔径大小和电子迁移率等属性，可有效改善这些缺陷。但是，处理方法等技术仍需要进一步的提高从而使得制备的太阳能电池性能更加优异，增强电池的稳定性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种rgo/m-tio2基无机铯铅溴钙钛矿太阳能电池。本发明通过在tio2电子层中加入不同比例rgo来优化钙钛矿层/电子层传输的有效通道，抑制在界面处发生的电荷积累，改善电子迁移率，降低接触电阻和陷阱钛密度，增强电荷传输性能，从而显著地提高了铯铅溴基无机钙钛矿太阳能电池的光电转化效率；此外，本发明采用铯铅溴无机钙钛矿作为光吸收层，相比于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，无机钙钛矿太阳能电池对温度具有更好的稳定性和抵抗性，该特性使电池在使用、存放过程中受温度和湿度影响比较小，因而能在较高温度下保持性能，为实现其产业化应用创造了条件。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种rgo/m-tio2基无机铯铅溴钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括fto透明导电玻璃，附着在fto透明导电玻璃上方的二氧化钛致密层，附着在二氧化钛致密层上的rgo/m-tio2介孔层，附着在rgo/m-tio2介孔层上的铯铅溴钙钛矿吸光层，附着在铯铅溴钙钛矿吸光层上的空穴传输层，以及附着在空穴传输层上的银蒸镀层；所述fto透明导电玻璃为刻蚀后经超声和臭氧处理的导电玻璃。

3、另外，本发明还提供了一种在空气环境中制备上述太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤一、在fto透明导电玻璃上贴上导电胶带，然后进行刻蚀，超声处理和臭氧处理，得到预处理的fto透明导电玻璃；

5、步骤二、在步骤一中预处理的fto透明导电玻璃上旋涂四异丙醇钛乙醇溶液，退火后得到二氧化钛致密层；

6、步骤三、在步骤二中得到的二氧化钛致密层上旋涂介孔rgo/m-tio2浆料，退火后得到rgo/m-tio2介孔层；

7、步骤四、采用脉冲激光沉积法在步骤三中得到的rgo/m-tio2介孔层上沉积铯铅溴薄膜，退火后得到铯铅溴钙钛矿吸光层；

8、步骤五、在步骤四中得到的铯铅溴钙钛矿吸光层表面旋涂空穴传输层；

9、步骤六、采用热蒸发法在步骤五中的空穴传输层上蒸镀银，得到rgo/m-tio2基铯铅溴钙钛矿太阳能电池。

10、上述的方法，其特征在于，步骤一中采用锌粉和浓盐酸进行刻蚀，超声处理先用氢氧化钾的饱和异丙醇溶液超声，再用乙醇水溶液超声。

11、上述的方法，其特征在于，所述乙醇水溶液为无水乙醇和水按照1:(1～2)的体积比混合制成。

12、上述的方法，其特征在于，步骤二中所述四异丙醇钛乙醇溶液的浓度为0.5mol/l～0.6mol/l；步骤二中旋涂的转速为7000r/min，退火的温度为500℃，退火时间为2h。

13、上述的方法，其特征在于，步骤三中所述介孔rgo/m-tio2浆料为二氧化钛浆料与无水乙醇按1:5的质量比混合后，再加入不同浓度rgo的乙醇溶液；步骤三中旋涂的转速为5000r/min，退火的温度为500℃，退火时间为30min；步骤三中所述rgo/m-tio2介孔层的厚度为110nm～130nm。

14、上述的方法，其特征在于，步骤四中脉冲沉积所用靶材为溴化铯粉末和溴化铅粉末混合研磨后压制而成，所述脉冲沉积的脉冲能量为250mj～300mj，溅射频率为5hz，功率衬底与钙钛矿靶材距离为4cm；步骤四中退火的温度为300℃，退火时间为1h；步骤四中所述铯铅溴钙钛矿吸光层的厚度为440nm～460nm。

15、上述的方法，其特征在于，所述溴化铯粉末和溴化铅粉末的质量比为1:1，研磨的时间为1h。

16、上述的方法，其特征在于，步骤五中所述的空穴传输层采用含有4-叔丁基吡啶、2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-ometad)和双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐的混合溶液旋涂，将旋涂好的空穴传输层在避光干燥的空气中放置7小时进行氧化处理；所述混合溶液中含有28.8μl～30μl4-叔丁基吡啶，混合溶液中2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-ometad)的浓度为0.08m～0.09m，双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐的浓度为0.064m～0.065m；步骤五中所述空穴传输层的厚度为90nm～110nm。

17、上述的方法，其特征在于，步骤六中所述热蒸发法是在热蒸发仪中进行，蒸镀是在气压为10-2pa～10-3pa，速度为0.3nm/min～0.8nm/min的条件下进行；步骤六中蒸镀银的厚度为60nm～80nm。

18、本发明与现有技术相比具有以下优点：

19、1、本发明通过在tio2电子层中加入不同比例rgo来优化钙钛矿层/电子层传输的有效通道，抑制在界面处发生的电荷积累，改善电子迁移率，降低接触电阻和陷阱钛密度，增强电荷传输性能，从而显著地提高了铯铅溴基无机钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

20、2、本发明采用铯铅溴无机钙钛矿作为光吸收层，相比于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，无机钙钛矿太阳能电池对温度具有更好的稳定性和抵抗性，该特性使电池在使用、存放过程中受温度和湿度影响比较小，因而能在较高温度下保持性能，为实现其产业化应用创造了条件。

21、3、本发明的制备过程都是在空气环境中完成的，方法简单，易于操作，不需要在手套箱中进行。

22、下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种rgo/m-tio2基无机铯铅溴钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括fto透明导电玻璃，附着在fto透明导电玻璃上方的二氧化钛致密层，附着在二氧化钛致密层上的rgo/m-tio2介孔层，附着在rgo/m-tio2介孔层上的铯铅溴钙钛矿吸光层，附着在铯铅溴钙钛矿吸光层上的空穴传输层，以及附着在空穴传输层上的银蒸镀层；所述fto透明导电玻璃为刻蚀后经超声和臭氧处理的导电玻璃。

2.一种在空气环境中制备权利要求1所述太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中采用锌粉和浓盐酸进行刻蚀，超声处理先用氢氧化钾的饱和异丙醇溶液超声，再用乙醇水溶液超声。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述乙醇水溶液为无水乙醇和水按照1:(1～2)的体积比混合制成。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中所述四异丙醇钛乙醇溶液的浓度为0.5mol/l～0.6mol/l；步骤二中旋涂的转速为7000r/min，退火的温度为500℃，退火时间为2h。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤三中所述介孔rgo/m-tio2浆料为二氧化钛浆料与无水乙醇按1:5的质量比混合后，再加入不同浓度rgo的乙醇溶液；步骤三中旋涂的转速为5000r/min，退火的温度为500℃，退火时间为30min；步骤三中所述rgo/m-tio2介孔层的厚度为110nm～130nm。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤四中脉冲沉积所用靶材为溴化铯粉末和溴化铅粉末混合研磨后压制而成，所述脉冲沉积的脉冲能量为250mj～300mj，溅射频率为5hz，功率衬底与钙钛矿靶材距离为4cm；步骤四中退火的温度为300℃，退火时间为1h；步骤四中所述铯铅溴钙钛矿吸光层的厚度为440nm～460nm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述溴化铯粉末和溴化铅粉末的质量比为1:1，研磨的时间为1h。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤五中所述的空穴传输层采用含有4-叔丁基吡啶、2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴和双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐的混合溶液旋涂，将旋涂好的空穴传输层在避光干燥的空气中放置7小时进行氧化处理；所述混合溶液中含有28.8μl～30μl4-叔丁基吡啶，混合溶液中2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴的浓度为0.08m～0.09m，双三氟甲烷磺酰亚胺锂盐的浓度为0.064m～0.065m；步骤五中所述空穴传输层的厚度为90nm～110nm。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤六中所述热蒸发法是在热蒸发仪中进行，蒸镀是在气压为10-2pa～10-3pa，速度为0.3nm/min～0.8nm/min的条件下进行；步骤六中蒸镀银的厚度为60nm～80nm。

技术总结
本发明公开了一种RGO/m‑TiO2基无机铯铅溴钙钛矿太阳能电池，包括FTO透明导电玻璃，附着在FTO透明导电玻璃上方的二氧化钛致密层，附着在二氧化钛致密层上的RGO/m‑TiO2介孔层，附着在RGO/m‑TiO2介孔层上的铯铅溴钙钛矿吸光层，附着在铯铅溴钙钛矿吸光层上的空穴传输层，以及附着在空穴传输层上的银蒸镀层。本发明还公开了该太阳能电池的制备方法。本发明通过在TiO2电子层中加入不同比例RGO来优化钙钛矿层/电子层传输的有效通道，抑制在界面处发生的电荷积累，改善电子迁移率，降低接触电阻和陷阱钛密度，增强电荷传输性能，从而显著地提高了铯铅溴基无机钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

技术研发人员：王娅,刘加凯,冯建伟,刘升,袁蓓蕾
受保护的技术使用者：中国人民武装警察部队工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16