新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法與流程
本發(fā)明涉及太陽能電池領域，尤其涉及一種新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
背景技術：
太陽能電池是解決人類社會能源危機的有效途徑之一，近年來，有機/無機雜化鈣鈦礦電池發(fā)展迅猛，展現(xiàn)出良好的應用前景。隨著制備技術的不斷發(fā)展，鈣鈦礦電池的光電轉換效率已高達22.1%。目前報道的介孔結構有機/無機雜化鈣鈦礦電池的構成主要是FTO/TiO2致密層/TiO2多孔層/CH3NH3PbI3吸收層/spiro-OMeTAD空穴傳輸層/Au。
CH3NH3PbI3作為應用最為廣泛的的鈣鈦礦型光吸收劑，其禁帶寬度約為1.5eV，吸收截止波長為800nm，對于大于其光學帶隙的紅外光無法吸收。此外，由于鈣鈦礦材料具有雙載流子傳輸特性，TiO2、Al2O3等多孔層主要起骨架作用。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，解決以往鈣鈦礦電池中對于大于其光學帶隙的紅外光無法吸收的缺陷。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池，該電池自下而上分別為FTO導電玻璃層、氧化鈦致密層、多孔層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層和金屬電極，所述多孔層為上轉換材料多孔層。
進一步的，所述上轉換材料多孔層為Er/Yb-NaYF4納米顆粒，納米顆粒的粒徑在20-30nm，上轉換材料多孔層厚度為290-310nm。
進一步的，所述的空穴傳輸層為spiro-OMeTAD，所述空穴傳輸層的厚度為 140-160nm。
進一步的，所述鈣鈦礦吸收層是CH3NH3PbI3，所述鈣鈦礦吸收層厚為400-600nm。
進一步的，所述氧化鈦致密層厚度為15-25 nm。
一種新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：
①選擇FTO作為襯底材料，然后對FTO進行清洗，然后用N2吹干；
②在乙醇中加入乙酰丙酮、鹽酸以及鈦酸異丙酯，攪拌均勻后獲得鈦酸異丙酯溶液，將配制好的鈦酸異丙酯溶液旋涂在洗干凈的FTO玻璃上，然后烘干燒結得到氧化鈦致密層；
③在甲苯中加入Er/Yb-NaYF4納米顆粒，超聲處理后獲得分散均勻的Er/Yb-NaYF4溶液，將Er/Yb-NaYF4溶液旋涂在氧化鈦致密層上，然后加熱去除殘余有機物，得到上轉換材料多孔層；
④將摩爾比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶體溶解在的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜混合溶劑中攪拌后得到CH3NH3PbI3鈣鈦礦前驅溶液，然后將鈣鈦礦前去溶液旋涂在上轉換材料多孔層上，旋涂完畢后將樣品至于加熱板上100℃退火，得到鈣鈦礦吸收層；
⑤在氯苯和乙腈的混合溶液中依次加入spiro-OMeTAD、Li-TFSI和叔丁基吡啶，室溫下磁力攪拌，配制成HTM溶液；將配制好的HTM溶液旋涂到鈣鈦礦吸收層上，然后將樣品取出手套箱，放置在密閉的干燥器內過夜氧化，得到空穴傳輸層；
⑥高真空鍍膜儀的腔室真空達到1×10-3Pa后，在上述制備完成的樣品上熱蒸發(fā)沉積金屬電極。
進一步的，在所述步驟④中，將鈣鈦礦前去溶液旋涂在多孔層上，旋涂過程為兩個階段，低速階段轉速為800r/min，時間為20s，高速階段轉速為4000 r/min，時間為40s；當轉速達到4000r/min約10s后，用移液器量取500ul氯苯對旋轉的鈣鈦礦層進行沖淋，旋涂完畢后，將樣品至于加熱板上100℃退火10min。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明專利通過使用新的介孔材料，即具有上轉換發(fā)光特性的納米顆粒，取代傳統(tǒng)的TiO2或Al2O3多孔層，起到鈣鈦礦電池的骨架作用。同時，利用該材料的上轉換特性，吸收CH3NH3PbI3無法吸收的紅外光，發(fā)出可見光，從而被鈣鈦礦材料吸收，在一定程度上增加電池的光利用率，提高電池的光電流密度。
附圖說明
下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
圖1是介孔結構有機/無機雜化鈣鈦礦電池示意圖。
圖2是Er/Yb-NaYF4上轉換材料PL光譜圖，從圖中可以看出980nm的紅外光激發(fā)后，Er/Yb-NaYF4發(fā)射出520nm、540nm和650nm三種波長的可見光。
圖3是Er/Yb-NaYF4納米材料的SEM圖，從圖中可以看出其粒徑為20-30nm。
圖4是本發(fā)明電池和傳統(tǒng)電池在AM1.5光照下I-V曲線圖，從圖中可以看出，本發(fā)明電池中鈣鈦礦電池的短路電流密度明顯增加，光電轉換效率也隨之增大，光電流密度的提高得益于紅外光的吸收。
具體實施方式
現(xiàn)在結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。這些附圖均為簡化的示意圖僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。
如圖1至圖4所示，一種新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池，其特征是，該電池自下而上分別為FTO導電玻璃層、氧化鈦致密層、多孔層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層和金屬電極，多孔層是上轉換材料多孔層。
上轉換材料多孔層為Er/Yb-NaYF4納米顆粒，納米顆粒的粒徑在20-30nm，上轉換材料多孔層厚度為290-310nm，厚度優(yōu)選300nm，Er、Yb的摻雜比例分別為1%和19%。
空穴傳輸層為spiro-OMeTAD，所述空穴傳輸層的厚度為 140-160nm，優(yōu)選150nm。鈣鈦礦吸收層是CH3NH3PbI3，鈣鈦礦吸收層厚為400-600nm。氧化鈦致密層厚度為15-25 nm，厚度優(yōu)選20nm。金屬電極為Au電極，厚度為80nm。
一種新型介孔結構鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：
①選擇FTO作為襯底材料，然后對FTO進行清洗，然后用N2吹干；
具體的，選擇方塊電阻10Ω、透過率90%的FTO作為襯底材料，依次用異丙醇、丙酮、乙醇超聲清洗15min，然后用N2吹干。
②在乙醇中加入乙酰丙酮、鹽酸以及鈦酸異丙酯，攪拌均勻后獲得鈦酸異丙酯溶液，將配制好的鈦酸異丙酯溶液旋涂在洗干凈的FTO玻璃上，然后烘干燒結得到氧化鈦致密層。
具體的，在5ml乙醇中，加入10ul乙酰丙酮，350ul 2mol/L的鹽酸，以及0.213g鈦酸異丙酯，攪拌均勻后獲得0.15mol/L的鈦酸異丙酯溶液。將配制好的鈦酸異丙酯溶液旋涂在洗干凈的FTO玻璃上，具體旋涂工藝設置為：低速800r/min，3s；高速2850r/min，30s。然后將樣品取下，放入馬弗爐中，500℃下燒結30min。
③在甲苯中加入Er/Yb-NaYF4納米顆粒，超聲處理后獲得分散均勻的Er/Yb-NaYF4溶液，將Er/Yb-NaYF4溶液旋涂在氧化鈦致密層上，然后加熱去除殘余有機物，得到上轉換材料多孔層；
具體的，將Er/Yb-NaYF4納米顆粒分散在甲苯中，濃度約為5mg/ml，超聲分散均勻后，旋涂在致密層上，旋涂結束后100℃加熱10min以去除殘余有機物。
④將摩爾比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶體溶解在的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜混合溶劑中攪拌后得到CH3NH3PbI3鈣鈦礦前驅溶液，然后將鈣鈦礦前去溶液旋涂在上轉換材料多孔層上，旋涂完畢后將樣品至于加熱板上100℃退火，得到鈣鈦礦吸收層；
具體的，將摩爾比1:1的PbI2粉末和CH3NH3PbI3晶體溶解在5ml的N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜（體積比4:6）混合溶劑中，60℃下磁力攪拌12h，得到濃度為1.2mol/L的CH3NH3PbI3鈣鈦礦前驅溶液。
在手套箱中，將鈣鈦礦前去溶液旋涂在多孔層上，旋涂過程為兩個階段，低速階段轉速為800r/min，時間為20s，高速階段轉速為4000 r/min，時間為40s。當轉速達到4000r/min約10s后，用移液器量取500ul氯苯對旋轉的鈣鈦礦層進行沖淋，旋涂完畢后，將樣品至于加熱板上100℃退火10min。
⑤在氯苯和乙腈的混合溶液中依次加入spiro-OMeTAD、Li-TFSI和叔丁基吡啶，室溫下磁力攪拌，配制成HTM溶液；將配制好的HTM溶液旋涂到鈣鈦礦吸收層上，然后將樣品取出手套箱，放置在密閉的干燥器內過夜氧化，得到空穴傳輸層；
具體的，在2ml氯苯和0.2ml乙腈的混合溶液中依次加入343mg 的spiro-OMeTAD（2,2’,7,7’- 四 [N,N- 二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9’- 螺二茐）、36.7 mg的Li-TFSI（二（三氟甲基磺酰）鋰）和50ul叔丁基吡啶，室溫下磁力攪拌6h，配制成HTM溶液；將配制好的HTM溶液旋涂到鈣鈦礦吸收層上，旋涂速率為5000r/min，時間為30s，然后將樣品取出手套箱，放置在密閉的干燥器內過夜氧化。
⑥高真空鍍膜儀的腔室真空達到1×10-3Pa后，在上述制備完成的樣品上熱蒸發(fā)沉積金屬電極。
具體的，高真空鍍膜儀的腔室真空達到1×10-3Pa后，在上述制備完成的樣品上熱蒸發(fā)沉積80nm厚的Au層，電池面積為0.5cm ×0.5cm。
實施效果：最后進行電池的性能測試，在 AM1.5，100mW/cm2標準光強的照射下，鈣鈦礦太陽能電池樣品 I-V 曲線如圖 4 所示。
以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定其技術性范圍。
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