一種穩(wěn)定的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法，屬于太陽(yáng)能 電池領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 未來(lái)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展將依賴豐富、便宜、環(huán)保的可再生能源。目前世界上使用的能 源85%以上來(lái)自化石能源，它們帶來(lái)了嚴(yán)重的污染環(huán)境和氣溫變暖等問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)可再 生的新型能源取代傳統(tǒng)的化石能源具有重要意義。隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對(duì)能源需求量 越來(lái)越多，科學(xué)家預(yù)計(jì)人類在2050年能源需求將高達(dá)15太瓦額能量。太陽(yáng)能取之不盡，用 之不竭。通過(guò)源源不斷的太陽(yáng)能產(chǎn)生電力提供能源是替代化石燃料的最佳方式?，F(xiàn)在占主 導(dǎo)地位的商業(yè)化硅太陽(yáng)能電池制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，能源回收周期長(zhǎng)，阻礙了其廣泛 應(yīng)用。發(fā)展廉價(jià)、大面積、制備工藝簡(jiǎn)單的新型太陽(yáng)能電池迫在眉睫。
[0003] 近年發(fā)展的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料具有光學(xué)性能好、迀移率高、載流子擴(kuò)散 距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，可以作為一個(gè)理想的光伏材料而成功地被應(yīng)用到太陽(yáng)能電池，并得到了 急速的發(fā)展，其能量轉(zhuǎn)換效率從最初的3%提升到了目前的20%左右（J.Am.Chem.Soc.， 2009，131，6050 ;Nature，2013,499,316 ;Nature，2013,501，395 ;2014,345,542 ;Science， 2014, 344,458)。而且，該類型太陽(yáng)能電池可低溫制備，兼容柔性襯底，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高 效率的卷對(duì)卷（roll-to-roll)生產(chǎn)工藝，成為新一代最具潛力的光伏器件，已引起太陽(yáng)能 電池研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，表現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景，并有可能從根本上推進(jìn)太陽(yáng)能電池的廣 泛應(yīng)用，為可再生清潔能源的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出重要貢獻(xiàn)。
[0004] 但是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（特別是平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池）面臨的一個(gè)嚴(yán)重 問(wèn)題就是穩(wěn)定性。鈣鈦礦材料遇到水極易分解，在空氣中暴露一段時(shí)間后器件的性能會(huì)明 顯下降。尤其是在高濕度（> 45RH% )的環(huán)境中，通常在24小時(shí)之內(nèi)效率就會(huì)衰減超過(guò) 50%以上。因此，尋求一種高效、簡(jiǎn)潔、低成本地制備穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的方法，將對(duì) 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展及應(yīng)用至關(guān)重要。在發(fā)明人前期發(fā)明的新型二氧化鈦納米晶（Ti02) 合成方法及其在聚合物太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的基礎(chǔ)上（CN104103761A;CN103466696A)，本發(fā) 明進(jìn)一步將該二氧化鈦納米晶應(yīng)用于平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，顯著改善鈣鈦礦太陽(yáng) 能電池器件的穩(wěn)定性，并具有良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能穩(wěn)定性差、衰減速度快 等問(wèn)題，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件性能穩(wěn)定的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明提供了一種穩(wěn)定的平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在低層透明陽(yáng)極 電極和頂層陰極電極層之間夾有鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)，所述鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)有三層，從下 到上依次為空穴傳輸層、鈣鈦礦活性層和電子傳輸層；并且電子傳輸層和陰極電極層中間 有一層二氧化鈦納米晶薄膜層；
[0007] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池底層電極包括氟摻雜的氧化錫 (FT0)、銦摻雜的氧化錫（ΙΤ0)、石墨烯、碳納米管層或銀納米線。
[0008] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池空穴傳輸層包括PEDOT:PSS，P3HT， PCDTBT，PTB7,M〇0X，grapheneoxide，NiOx，W03,V205,Spiro-MeOTAD，薄膜層厚度在 30 納米 至lj120納米之間。
[0009] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池鈣鈦礦活性層為CH3NH3Pb13， CH3NH3PbIxBr3x，CH3NH3PbIxCl3x，根據(jù)溶液配制方式的不同，X取值在1到3之間，薄膜層厚 度在200納米到600納米之間。
[0010] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池電子傳輸層包括PC6QBM，PC7QBM， ICBA，C6。以及其它富勒烯衍生物，薄膜層厚度在30納米到120納米之間。
[0011] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池二氧化鈦納米晶是一種交聯(lián)體系，具 有良好的熱穩(wěn)定性，形成的納米晶薄膜層厚度為5納米到50納米，可以有效阻擋氧和水氣 的穿過(guò)。
[0012] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池二氧化鈦納米晶薄膜層通過(guò)溶液法 沉積制備，低溫（低于150度）退火處理。
[0013] 本發(fā)明所述的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池頂層電極包括鋁、銀、金、ΙΤ0、石墨 烯、碳納米管。
[0014] 有益效果
[0015] 與常規(guī)未添加所述二氧化鈦納米晶薄膜層的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比， 本發(fā)明提供的方法制備的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性得到了顯著改善，在空 氣中放置200小時(shí)后依然保持有原始光電轉(zhuǎn)換效率的75%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 【圖1】插入1102納米晶薄膜層形成穩(wěn)定的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意 圖
[0017] 【圖2】含有Ti02納米晶薄膜層和沒(méi)有TiO2納米晶薄膜層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器 件在空氣中暴露后的光電轉(zhuǎn)換效率的衰減曲線圖
【具體實(shí)施方式】 [0018] 與實(shí)施例
[0019] 以下實(shí)施方式和實(shí)施例是對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 本實(shí)施例使用圖案化的商業(yè)ΙΤ0基底。將該ΙΤ0基底分別用丙酮、洗滌劑、去離子 水和異丙醇分別超聲清洗15分鐘，然后在熱風(fēng)下干燥，最后在紫外-臭氧機(jī)（UV-Ozone)里 面處理15分鐘。整個(gè)過(guò)程清潔基底表面，并且提高基底功函數(shù)。
[0022] 在處理的ΙΤ0基底上以3000rpm速度旋涂PEDOT:PSS材料形成50nm的空穴傳輸 層，并于150度熱臺(tái)上退火15分鐘。然后轉(zhuǎn)移到手套箱中，以5000rpm速度旋涂先期配好 的35wt%CH3NH3PbI3溶液（將CH3NH3I和Pbl^DMF溶劑中以1 : 1混合配置成溶液，然 后在室溫下攪拌24小時(shí)，得到CH3NH3PbI3溶液）。旋涂過(guò)程中先低速旋涂，待旋涂?jī)x從加速 向勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在薄膜表面滴入少量氯苯，隨后將樣品放在100度熱臺(tái)上退火10分鐘，形成 290nm厚的均勻CH3NH3PbI3鈣鈦礦活性層。隨后冷卻到室溫，將溶于無(wú)水氯苯中的15mg/ml的PCBM溶液以3000rpm速度旋涂到鈣鈦礦活性層上，100度退火10分鐘，形成50nm厚的 PCBM電子傳輸層。然后，將基于發(fā)明人前期發(fā)明方法（CN104103761A)合成的二氧化鈦納米 晶溶液以2500rpm速度旋涂到PCBM電子傳輸層上面，形成20nm二氧化鈦納米晶薄膜層，在 100度熱臺(tái)上處理15分鐘。最后轉(zhuǎn)移到真空蒸鍍儀，在4X10 4Pa的真空環(huán)境下蒸鍍100nm 鋁頂電極，完成整個(gè)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備。本發(fā)明專利含有二氧化鈦納米晶薄膜層的 平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的基本結(jié)構(gòu)如圖1。
[0023] 對(duì)制備的CH3NH3PbI3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行測(cè)試，含有二氧化鈦納米晶薄膜層的 太陽(yáng)能電池，基于12個(gè)器件的平均開(kāi)路電壓為0. 96V，短路電流為18. 28mA/cm2,填充因子 為69%，光電轉(zhuǎn)換效率12. 04%。而不含二氧化鈦納米晶薄膜層的參考電池的平均開(kāi)路 電壓為0. 92V，短路電流為18. 49mA/cm2,填