CN106711333B - 一种钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法。本发明在导电玻璃基底上，通过两步低温溶剂热过程以及一步煅烧处理制备出渐变异质结电子传输层；所述两步低温溶剂热过程先后采用锡源前驱体和钛源前驱体；所述该渐变异质结电子传输层由分布呈梯度变化的氧化锡以及氧化钛纳米颗粒组成；所述氧化锡纳米颗粒在近导电玻璃区域分布多，在远导电玻璃区域分少；所述氧化钛在远导电玻璃区域分布多，在近导电玻璃区域分布少。

Description

一种钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法。该渐变异质结电子传输层在钙钛矿电池中有优秀的光电转换效率以及弱的磁滞效应。
背景技术
能源短缺和环境污染是目前人类急需解决的两大问题。一方面我们需要节能，减少能源的消耗，并且尽可能的使用可再生的清洁能源；另一方面我们必须减少污染物的排放，消除环境污染。太阳光是清洁能源，如何把太阳光转化为我们方便使用的能源以及利用太阳光消除环境污染成为研究热点。
钙钛矿电池作为新型的光电转换设备，由于具有全溶液制备、廉价以及光电转换效率高等优点，被科研界以及企业界广泛关注。典型的钙钛矿电池由电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层以及背电极组成。电子传输层能选择性地从钙钛矿光吸收层中摄取光生电子，并将电子传输至导电玻璃，抑制界面处的电子空穴复合。到目前为止，最广泛使用的电子传输层材料是氧化钛。然而，氧化钛的本征电子迁移率较低(0.1-1cm2V-1s-1)，远低于钙钛矿材料的本征电子迁移率(20-30cm2V-1s-1)。电子迁移率的差距导致电子容易富集在氧化钛钙钛矿的界面处，进而导致了所谓的磁滞现象。氧化锡具有较高的本征电子迁移率(100-200cm2V-1s-1)，然而，基于氧化锡电子传输层的钙钛矿电池中电子空穴复合现象严重。
发明内容
本发明的目的在于开发一种制备高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法。
一种钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法，包含如下步骤：
将清洗干净的导电玻璃放置到70℃的锡源前驱体溶液中，反应4小时。随后将导电玻璃用去离子水以及乙醇清洗吹干，再次放置到70℃的钛源前驱体溶液中，反应40分钟。将导电玻璃取出，用去离子水以及乙醇清洗吹干。最后将导电玻璃在空气中500℃条件下煅烧30分钟。
所述的导电玻璃放置方法是导电面朝下，导电玻璃与反应容器壁呈45°，斜靠在反应器内壁上。
所述的锡源前驱体是四氯化锡。
所述的钛源前驱体是四氯化钛。
所述的渐变异质结电子传输层由分布呈梯度变化的氧化锡以及氧化钛纳米颗粒组成，氧化锡纳米颗粒在近导电玻璃区域分布多，在远导电玻璃区域分布少。氧化钛在远导电玻璃区域分布多，在近导电玻璃区域分布少。
与传统氧化钛电子传输层相比，本发明具有以下优点：本发明利用两步低温溶剂热过程制备了氧化锡-氧化钛渐变异质结电子传输层，该电子传输层能有效的传输电子，抑制电子空穴的复合现象，使得钙钛矿电池的光电转换效率可达16.71％，远高于传统氧化钛电子传输层电池12.02％的光电转换效率。并且，磁滞现象也有明显降低。综上，本发明合成过程简单，光电转换效率高，磁滞现象较低。
附图说明
图1是本发明制备方法的流程示意图；
图2是实施例1所制备的渐变异质结电子传输层的扫描电子显微镜照片；
图3是实施例1所制备的渐变异质结电子传输层的透射电子显微镜照片；
图4是图3对应的线性元素扫描图；
图5是实施例1所制备的渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的光电转换效率图；
图6是实施例1所制备的渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的阻抗图；
图7是实施例1所制备的渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的磁滞现象图；
图8是传统氧化钛电子传输层钙钛矿电池的磁滞现象图。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-2、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。
本发明中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以互相组合形成新的技术方案。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以互相组合形成新的技术方案。
下面将结合具体实施例来具体阐述本发明的优选实施方法，但是应当理解，本领域技术人员可以在不背离权利要求书限定的范围的前提下，对这些实施例进行合理的变化、改良和相互组合，从而获得新的具体实施方法，这些通过变化、改良和相互组合获得的新的具体实施方式也都包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
步骤一、渐变异质结电子传输层的制备
本发明的渐变异质结电子传输层的制备方法流程图如图1所示。将清洗干净的导电玻璃放置到70℃的锡源前驱体溶液中，导电玻璃的导电面朝下，呈45°角斜靠在反应容器内壁上，反应4小时。随后将导电玻璃用去离子水以及乙醇清洗吹干，再次放置到70℃的钛源前驱体溶液中，反应40分钟。将导电玻璃取出，用去离子水以及乙醇清洗吹干。最后将导电玻璃在空气中500℃条件下煅烧30分钟。传统氧化钛电子传输层的制备是将清洗干净的导电玻璃放置到70℃的钛源前驱体溶液中，反应40分钟。将导电玻璃取出，用去离子水以及乙醇清洗吹干。最后将导电玻璃在空气中500℃条件下煅烧30分钟。
图2是所制备的渐变异质结电子传输层的扫描电镜照片，可以看出，渐变异质结电子传输层均一地覆盖在导电玻璃表面。
图3和图4是所制备的渐变异质结电子传输层的透射电子显微镜照片以及对应的线性元素扫描图，从图中可以看出，渐变异质结电子传输层由两种粒径的氧化锡以及氧化钛纳米颗粒组成，且氧化锡纳米颗粒在近导电玻璃区域分布多，在远导电玻璃区域分布少。氧化钛纳米颗粒在远导电玻璃区域分布多，在近导电玻璃区域分布少。
步骤二、性能表征测试
将制备好的渐变异质结电子传输层应用于钙钛矿太阳能电池，并在一个标准太阳光条件下测试电池的光电转换效率。在黑暗条件下，测试钙钛矿电池的阻抗曲线。通过控制扫描方向以及不同扫描速度(0.015V/s,0.15V/s以及1.5V/s)，测试钙钛矿电池的磁滞现象。
图5是所制备的渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的光电转换效率图，从图中可以看出，渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的短路电流、开路电压以及光电转换效率分别为22.25mA cm-2、1010.27mV以及16.71％。而传统氧化钛电子传输层钙钛矿电池的短路电流、开路电压以及光电转换效率分别为22.22mA cm-2、974.44mV以及12.02％。可以看出，渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的光电转换效率明显高于传统氧化钛电子传输层钙钛矿电池。
图6是所制备的渐变异质结电子传输层钙钛矿电池的阻抗图，图中圆的半径大小代表电池中电荷复合电阻的大小。从图中可以看出，渐变异质结电子传输层钙钛矿电池具有更高的电荷复合电阻，表明渐变异质结电子传输层能有效地传输电子，抑制电子空穴的复合。
图7和图8是所制备的渐变异质结电子传输层钙钛矿电池以及传统氧化钛电子传输层钙钛矿电池的磁滞现象对比图。从图中可以看出，渐变异质结电子传输层钙钛矿电池较之传统氧化钛电子传输层钙钛矿电池有较弱的磁滞现象。

Claims (1)

1.一种钙钛矿太阳能电池渐变异质结电子传输层的制备方法，其特征在于，在导电玻璃基底上，通过两步低温溶剂热过程以及一步煅烧处理制备出渐变异质结电子传输层；所述两步低温溶剂热过程先后采用锡源前驱体和钛源前驱体； 所述该渐变异质结电子传输层由分布呈梯度变化的氧化锡以及氧化钛纳米颗粒组成；所述氧化锡纳米颗粒在近导电玻璃区域分布多，在远导电玻璃区域分少；所述氧化钛在远导电玻璃区域分布多，在近导电玻璃区域分布少；
所述的锡源前驱体是四氯化锡；
所述的钛源前驱体是四氯化钛； 所述一步煅烧处理是将经两步低温溶剂热过程处理后的导电玻璃取出后，用去离子水以及乙醇清洗吹干；再将导电玻璃在空气中500°C条件下煅烧30分钟；
所述的导电玻璃是导电面朝下放置，导电玻璃与反应容器壁呈45°，斜靠在反应器内壁上；
所述两步低温溶剂热过程是将清洗干净的导电玻璃放置到70°C的锡源前驱体溶液中，反应4小时；随后将导电玻璃用去离子水以及乙醇清洗吹干，再次放置到70°C的钛源前驱体溶液中，反应40分钟。
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