CN103904147A - 基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池 - Google Patents

基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池 Download PDF

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张克难
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Abstract

本发明公开了一种基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池，该电池的结构包括第一电极、纳米氧化物电子传输层、钙钛矿结构吸光层、空穴传输层和对电极构成，其中：二维纳米结构是纳米级的二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或以二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝为基础的多层薄膜；一维纳米结构是纳米级的管、线或棒状的二氧化钛、氧化锌或以二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝为基础的复合纳米级的管、线或棒状结构。本发明的优点是：该电池制备过程简单，纳米氧化物电子传输层生长温度低、质量高，且该基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池不仅可用于硬质衬底上，而且可用于柔性衬底上。

Description

基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池
技术领域
本发明属于新型材料技术领域，涉及光电材料制备技术，具体指一种以纳米氧化物作为电子传输层的钙钛矿电池。
背景技术
随着世界不可再生能源的日益消耗，能源短缺和环境恶化已成为新世纪人们所面临的愈发严重的问题。开发和利用清洁可再生能源越来越受到人们的重视。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色环保能源。发展光伏器件，有效地将太阳能转化为电能为解决能源问题提供了重要出路。
在太阳能光电技术中，硅光电池以其成熟的工艺，以及较高的光电转化效率在各类光伏器件中占主导地位。但硅原材料的短缺和昂贵的价格限制了硅电池的广泛应用。从染料敏化电池诞生至今，其一直被认为是最有潜力代替硅电池的太阳能电池之一，因为其成本低廉，且随着全世界各国科研人员不断的努力奋斗，其效率一直不断提升。染料是决定电池转换效率最重要的因素之一。然而近年来，高吸光效率的染料发展缓慢，且由于染料的毒性以及电池稳定性的限制，液态电解质染料敏化电池的发展逐渐陷入瓶颈，其效率的提升逐渐进入缓慢期。从2009年起，一种以钙钛矿结构材料作为光吸收层的明星电池诞生。该电池首次诞生时效率即达到3.8%，在短短的4年时间里，该电池的效率更是发展到了15%，且极有望在2014年达到20%。该电池只需要很薄的钙钛矿材料即可吸收80%以上的太阳光，且据测试表面该电池稳定性极好。
在高效的钙钛矿电池中，氧化钛是重要的电子传输层，然而高质量的致密的氧化钛层需要在高温下（450℃）制备。该制备温度限制了钙钛矿电池在柔性衬底上的使用。近年来，有一部分课题组将研究目标瞄准了低温制备技术。他们在全低温下利用不同的传输材料制备了钙钛矿电池，但是结果都不如高温下制备的二氧化钛传输层电池的效果好。其主要原因是低温下得到的钙钛矿电池中界面较差、结构和化学缺陷较多，从而使得电荷复合严重，降低了电池效率。所以寻找低温易制备且高质量的传输层材料显得非常的重要。
一直以来，一维纳米阵列结构都被认为具有特殊的电子传输特性，电子在纳米棒上传输时可以避免界面电阻造成的复合损失，特别是氧化锌纳米棒的电子扩散长度高达一百多微米。同时，利用低温法即可制备这样一些纳米氧化物材料，且制备过程对衬底要求极低。
综上所述，一种基于纳米结构氧化物电子传输层的钙钛矿电池具有非常重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
本发明所涉及的基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池，其结构为：在作为第一电极的透明衬底1上依次是纳米氧化物电子传输层2、钙钛矿结构吸光层3、空穴传输层4和对电极5。我们对已有的钙钛矿电池中的电子传输层做了改进，使之可以在低温下合成。该基于纳米氧化物电子传输层的特征在于：
所述的纳米氧化物电子传输层2是二维纳米结构或一维纳米结构，其中，二维纳米结构是纳米级的二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或以二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝为基础的多层薄膜；一维纳米结构是纳米级的管、线或棒状的二氧化钛、氧化锌或以二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝为基础的复合纳米级的管、线或棒状结构。
本发明的优点是：该电池制备过程简单，纳米氧化物电子传输层生长温度低、质量高，且该基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池不仅可用于硬质衬底上，而且可用于柔性衬底上。
附图说明
图1为基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
在作为第一电极的透明衬底上利用原子层沉积制备一层氧化锌薄膜作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
实施例2：
在作为第一电极的透明衬底上利用原子层沉积制备一层氧化锌薄膜，然后用化学水热法在低于150℃下制备一层氧化锌纳米棒，以氧化锌薄膜和纳米棒共同作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
实施例3：
在作为第一电极的透明衬底上利用原子层沉积在低温下（低于160℃）制备一层氧化锌薄膜，然后用化学法在低于150℃下制备一层氧化锌纳米棒，接着利用原子层沉积在氧化锌纳米棒表面包覆一层二氧化钛薄膜，以氧化锌薄膜和包覆氧化钛的氧化锌纳米棒共同作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
实施例4：
在作为第一电极的透明衬底上利用原子层沉积在低温下（低于160℃）制备一层氧化钛薄膜以及层叠于其表面的一层三氧化二铝薄膜作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
实施例5：
在作为第一电极的透明衬底上利用化学法制备一层氧化钛纳米管作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
实施例6：
在作为第一电极的透明衬底上利用原子层沉积制备一层氧化锌薄膜，然后用化学法在低于150℃下制备一层氧化锌纳米线，以氧化锌薄膜和纳米线共同作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。
实施例7：
在作为第一电极的透明衬底上利用化学法在低于150℃下制备一层氧化锌纳米管，然后在氧化锌纳米管表面利用原子层沉积在低于160℃下制备一层三氧化二铝薄膜，以氧化锌纳米管和三氧化二铝薄膜共同作为电子传输层；钙钛矿结构吸光层层叠于电子传输层之上；空穴传输层层叠于钙钛矿结构吸光层之上；对电极层叠于空穴传输层之上。即得到基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池。

Claims (1)

1.一种基于纳米氧化物电子传输层的钙钛矿电池，其结构为：在作为第一电极的透明衬底（1）上依次是纳米氧化物电子传输层（2）、钙钛矿结构吸光层（3）、空穴传输层(4)和对电极（5），其特征在于：
所述的纳米氧化物电子传输层（2）是二维纳米结构或一维纳米结构，其中，二维纳米结构是纳米级的二氧化钛薄膜、氧化锌薄膜或以二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝为基础的多层薄膜；一维纳米结构是纳米级的管、线或棒状的二氧化钛、氧化锌或以二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝为基础的复合纳米级的管、线或棒状结构。
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