CN108281551B - 基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，公开了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，制备出的太阳能电池包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅‑二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。与现有技术相比，本发明中基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的慢光效应较强，对入射光的捕获效率较高，载流子的输运效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法。
背景技术
随着全球能源危机日益加剧，太阳能因具有资源丰富、分布广泛、环保等优点，已成为可再生清洁能源领域的研究热点。钙钛矿太阳能电池(PSCs)拥有光电转换效率高、成本低、工艺简单等特点，作为一种最有发展前景的光伏发电技术之一，受到了广泛关注。
通常PSCs拥有三种典型的结构，分别是正式介孔结构(导电玻璃(FTO)/电子传输层/介孔层/钙钛矿光吸收层/空穴传输层/金属电极)、正式平面结构(FTO/电子传输层/钙钛矿光吸收层/空穴传输层/金属电极)及反式平面结构(FTO/空穴传输层/钙钛矿光吸收层/电子传输层/金属电极)。研究人员对器件结构中的各组成部分及其界面都进行了大量深入探究，例如：开发新型无机空穴传输材料、钙钛矿光吸收层材料、电子传输材料及金属电极材料，优化空穴传输层/光吸收层与电子传输层/光吸收层界面。特别是钙钛矿光吸收层作为器件结构中最关键的组成部分，其晶体结构、形貌及光学性能对器件效率均起着至关重要的作用。为了进一步提高器件效率，研究人员采用带隙工程与界面工程探究了钙钛矿光吸收层能带隙及其界面匹配性对器件光电性能的影响，初步阐述了其内在的作用机制。尤其是在反式PSCs中，采用带隙工程有利于获得高度结晶的钙钛矿光吸收层；采用界面工程能够有效优化出光电性能更加优异的电池器件。由此可见，反式平面结构更加有利于构建出器件效率高、迟滞效应小、稳定性好的PSCs。但是，如何获得光电性能优异、廉价的PSCs仍然是学术与工业界面临的难题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，制备出的太阳能电池的慢光效应较强，对入射光的捕获效率较高，载流子的输运效率较高。
技术方案：本发明提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。
进一步地，所述三维钙钛矿吸光层为填充有三维钙钛矿类吸光半导体材料的二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结。该异质结的构筑有利于提高钙钛矿吸光层对入射光的捕获效率，通过调控其界面及厚度，能够优化出高效率的钙钛矿太阳能电池；基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层利用其光子带隙、慢光效应提高器件的量子效率，且利用三维有序大孔结构提高了载流子的传输效率，从而提高器件的光电转换效率。
优选地，所述三维钙钛矿类吸光半导体材料为具有ABX3型晶体结构的半导体材料，其中，所述A为阳离子，所述B为金属阳离子，所述X为卤素阴离子。
优选地，所述阳离子为以下任意一种或其组合：甲胺阳离子(MA+，CH3NH3 + )、甲脒阳离子 (FA+，CH(NH2)2 +)、铯离子(Cs+)；所述金属阳离子为以下任意一种或其组合：Pb2+ 、Sn2 +；所述卤素阴离子为以下任意一种或其组合：I-、Br-、Cl-。
优选地，所述空穴传输层为氧化镍、氧化铜或氧化钴。
优选地，所述空穴阻挡层为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉(BCP)。
优选地，所述金属电极为银电极或金电极。
优选地，所述透明导电衬底为氟掺杂氧化锡导电玻璃（FTO）。
本发明还提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，包含以下步骤：S1：在透明导电衬底上制备空穴传输层；S2：配制二氧化硅前驱体溶液和二氧化钛前驱体溶液；S3：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与所述二氧化硅前驱体溶液配置成组装溶液甲，以所述透明导电衬底为基片，采用恒温垂直沉积法在所述空穴传输层上沉积聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；S4：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与所述二氧化钛前驱体溶液配置成组装溶液乙，以所述透明导电衬底基片，采用恒温垂直沉积法在所述聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体上引入二氧化钛，得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结；S5：去除所述聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结中的聚苯乙烯小球，得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；S6：以所述透明导电衬底为基片，采用两步法在所述三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结内填充钙钛矿类吸光半导体材料，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层；S7：在所述三维钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀空穴阻挡层和金属电极。
进一步地，在所述S6中，所述两步法具体包括以下步骤：首先，配制ABX3型晶体结构的半导体材料中的阳离子（A）溶液、金属阳离子（B）溶液：以异丙醇(IPA)为溶剂配制浓度为30~40 mg/mL的阳离子（A）溶液，以N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)为溶剂配制浓度为0.6~1.2mol/L的金属阳离子（B）溶液；其次，在空气环境下，依次在所述二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结上旋涂所述金属阳离子（B）溶液和所述阳离子（A）溶液：在空气环境下，将二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结基片置于旋涂仪中在75~95℃下进行热处理，随后在其表面上旋涂处于70~80℃温度下的金属阳离子（B）溶液，接着将附着有二甲基亚砜(DMSO)的结晶皿盖住基片，在70~80℃温度下持续8~12分钟，而后在基片上旋涂阳离子（A）溶液；最后，经热处理得所述三维钙钛矿吸光层：将附着有DMF的结晶皿盖住基片，在80~110℃温度下持续0.9~1.2小时，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层。
有益效果：本发明中的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的结构为导电玻璃/空穴传输层/基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层/空穴阻挡层/金属电极，其特点有：
1) 利用基于二氧化钛光子晶体的三维钙钛矿吸光层的光子带隙提高了器件在长波长600-800nm范围内的量子效率；
2) 利用基于二氧化硅光子晶体的三维钙钛矿吸光层的光子带隙与钙钛矿材料能带隙的匹配性，增强了慢光效应，提高了器件对入射光的捕获效率；
3) 基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层具有独特的电学性能：一方面，基于二氧化硅光子晶体的三维钙钛矿吸光层可以将空穴传输层与基于二氧化钛光子晶体的三维钙钛矿吸光层隔开，避免二氧化钛中的电子与空穴传输层中的空穴发生复合；另一方面，电子能够经二氧化钛传输到空穴阻挡层，进而经空穴阻挡层进入金属电极，同时，空穴阻挡层能够阻挡空穴进入金属电极，避免电子和空穴在金属电极处发生复合；可见基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层的上述独特电学性能有助于提高载流子的输运效率；
4) 利用基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层的有序大孔结构能够有效提高载流子的输运效率；
5) 基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池器件表现出一定的色彩，增强了美观。
6) 由本发明中基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池能够有效制备出大面积的电池器件，与正式三维钙钛矿太阳能电池相比，具有光电转换效率高、迟滞效应小、稳定性好等优势。
附图说明
图1为基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备流程图；
图3为聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的制备流程图；
图4为三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的制备流程图；
图5为基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿MAPbI3吸光层的制备流程图。
图6为基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿FASnI3吸光层的制备流程图。
图7为基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿CsPbBr3吸光层的制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，结构如图1所示，由FTO以及依次层叠于FTO之上的氧化镍空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、BCP空穴阻挡层和银电极组成。其中三维钙钛矿吸光层为填充有MAPbI3的三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结。
上述基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法如下，制备流程图如图2：
S1：在FTO上通过旋涂法制备氧化镍空穴传输层；
具体过程为：以无水乙醇为溶剂配置浓度为0.5 mol/L的乙酰丙酮镍溶液，且加入与镍离子摩尔数相等的二乙醇胺，在70℃下搅拌12小时；待反应结束后，将溶液置于150℃下蒸发30分钟，形成氧化镍前驱体；将清洗干净的FTO导电玻璃置于旋涂仪上，滴入氧化镍前驱体，且在3000 转/秒条件下旋涂30秒；将FTO置于干燥箱中，在60℃下干燥1小时，即可得到氧化镍空穴传输层。
S2：配制二氧化硅前驱体溶液和二氧化钛前驱体溶液；
配制二氧化硅前驱体溶液具体过程为：首先，在室温下，将1mL正硅酸四乙酯与1mL无水乙醇混合搅拌均匀；其次，在搅拌条件下，依次缓慢滴加0.25mL盐酸和0.2mL去离子水，得二氧化硅前驱体溶液；最后，将配制的二氧化硅前驱体溶液在4℃下保存，备用。
配置二氧化钛前驱体溶液具体过程为：首先，在室温下，将1mL钛酸四正丁酯与1mL无水乙醇混合搅拌均匀；其次，在搅拌条件下，依次缓慢滴加0.2mL盐酸和0.4mL去离子水，得二氧化钛前驱体溶液；最后，将配制的二氧化钛前驱体溶液在4℃下保存，备用。
S3：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与S2中制备的二氧化硅前驱体溶液配置成组装溶液甲，以S1中制备的旋涂有氧化镍空穴传输层的FTO为基片，采用恒温垂直沉积法在氧化镍上沉积聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；
具体过程为：采用无皂乳液聚合法制备的单分散聚苯乙烯小球作为构筑基元，将0.1mL二氧化硅前驱体溶液分散于50mL质量分数为0.05%的聚苯乙烯小球乙醇溶液中，配置成组装溶液甲，并置于温度为25℃的真空干燥箱中；将旋涂有氧化镍的FTO基片插入组装溶液甲中，待溶剂挥发完以后，即可制得聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；制备流程图如图3。
S4：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与S2中制备的二氧化钛前驱体溶液配置成组装溶液乙，以在氧化镍上沉积有聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的FTO为基片，采用恒温垂直沉积法在聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体上引入二氧化钛，得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结；
具体过程为：采用无皂乳液聚合法制备的单分散聚苯乙烯小球作为构筑基元，将0.1mL二氧化钛前驱体溶液分散于50mL质量分数为0.05%的聚苯乙烯小球乙醇溶液中，配置成组装溶液乙，并置于温度为25℃的真空干燥箱中；将在氧化镍上沉积有聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的FTO基片插入组装溶液乙中，待溶剂挥发完以后，即可制得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结。
S5：去除S4中聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结中的聚苯乙烯小球，得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；
具体过程为：将聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结置于烧结炉中进行热处理，升温速率为每分钟2℃，在500℃下保持1小时，即可获得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；S4和S5两步的制备流程图如图4。
S6：以具有三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的FTO为基片，采用两步法在三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结内填充MAPbI3，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层；
具体过程为：首先，配制旋涂溶液：称取碘化铅加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在70℃条件下搅拌3小时配置成浓度为0.6 mol/L的碘化铅溶液；称取甲基碘化胺加入到异丙醇溶液中，在20℃条件下搅拌3小时配置成浓度为30 mg/mL的甲基碘化胺溶液；
其次，在空气环境下，依次在上述二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结上旋涂碘化铅溶液和甲基碘化胺溶液。具体过程为：在空气环境下，将具有三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的FTO基片置于旋涂仪中并在75℃下进行热处理15分钟，然后在三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的表面上旋涂温度为70℃的碘化铅溶液旋，涂条件为在3000 转/秒条件下旋涂30秒，接着将附着有二甲基亚砜(DMSO)的结晶皿盖住基片，在70℃温度下持续8分钟，而后再旋涂甲基碘化胺溶液，旋涂条件为在4000 转/秒条件下旋涂40秒；
最后，将附着有DMF的结晶皿盖住基片，在80℃温度下持续处理1.2小时，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层。制备流程如图5。
S7：在三维钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀空穴阻挡层和金属电极，得基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池。
具体过程为：将上述具有三维钙钛矿吸光层的FTO基片放置于高真空镀膜仪中，依次蒸镀BCP和银电极，从而构建出基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，并通过掩膜板控制器件的面积为0.1cm2。
实施方式2：
本实施方式提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，结构如图1所示，由FTO以及依次层叠于FTO之上的氧化铜空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、BCP空穴阻挡层和金电极组成。其中三维钙钛矿吸光层为填充有FASnI3的三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结，
上述基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法如下，制备流程图如图2：
S1：在FTO上通过旋涂法制备氧化铜空穴传输层；
具体过程为：以乙二醇为溶剂配置浓度为0.5 mol/L的五水合硫酸铜溶液，且加入一定量1,2-乙二胺二盐酸盐(浓度为1.0mol/L)；待反应结束即可形成氧化铜前驱体；将清洗干净的FTO导电玻璃置于旋涂仪上，滴入氧化铜前驱体，且在6000 转/秒条件下旋涂50秒；将FTO置于管式炉中，在氩气氛围下300℃下热处理2小时，即可得到氧化铜空穴传输层。
S2：配制二氧化硅前驱体溶液和二氧化钛前驱体溶液；
配制二氧化硅前驱体溶液具体过程为：首先，在室温下，将1mL正硅酸四乙酯与1mL无水乙醇混合搅拌均匀；其次，在搅拌条件下，依次缓慢滴加0.25mL盐酸和0.2mL去离子水，得二氧化硅前驱体溶液；最后，将配制的二氧化硅前驱体溶液在4℃下保存，备用。
配置二氧化钛前驱体溶液具体过程为：首先，在室温下，将1mL钛酸四正丁酯与1mL无水乙醇混合搅拌均匀；其次，在搅拌条件下，依次缓慢滴加0.2mL盐酸和0.4mL去离子水，得二氧化钛前驱体溶液；最后，将配制的二氧化钛前驱体溶液在4℃下保存，备用。
S3：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与S2中制备的二氧化硅前驱体溶液配置成组装溶液甲，以S1中制备的旋涂有氧化铜空穴传输层的FTO为基片，采用恒温垂直沉积法在氧化铜上沉积聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；
具体过程为：采用无皂乳液聚合法制备的单分散聚苯乙烯小球作为构筑基元，将0.1mL二氧化硅前驱体溶液分散于50mL质量分数为0.05%的聚苯乙烯小球乙醇溶液中，配置成组装溶液甲，并置于温度为25℃的真空干燥箱中；将旋涂有氧化铜的FTO基片插入组装溶液甲中，待溶剂挥发完以后，即可制得聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；制备流程图如图3。
S4：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与S2中制备的二氧化钛前驱体溶液配置成组装溶液乙，以在氧化铜上沉积有聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的FTO为基片，采用恒温垂直沉积法在聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体上引入二氧化钛，得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结；
具体过程为：采用无皂乳液聚合法制备的单分散聚苯乙烯小球作为构筑基元，将0.1mL二氧化钛前驱体溶液分散于50mL质量分数为0.05%的聚苯乙烯小球乙醇溶液中，配置成组装溶液乙，并置于温度为25℃的真空干燥箱中；将在氧化铜上沉积有聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的FTO基片插入组装溶液乙中，待溶剂挥发完以后，即可制得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结。
S5：去除S4中聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结中的聚苯乙烯小球，得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；
具体过程为：将聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结置于烧结炉中进行热处理，升温速率为每分钟2℃，在450℃下保持1小时，即可获得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；S4和S5两步的制备流程图如图4。
S6：以具有三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的FTO为基片，采用两步法在三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结内填充FASnI3，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层；
具体过程为：首先，配制旋涂溶液：以N,N-二甲基甲酰胺溶液为溶剂，依次加入30微升三甲胺(33%乙醇溶液)、碘化锡(浓度为1.0 mol/L)、氟化锡(浓度为0.1 mol/L)，在75℃条件下搅拌3小时配置成锡离子溶液；称取甲脒碘化胺加入到异丙醇溶液中，在25℃条件下搅拌3小时配置成浓度为35 mg/mL的甲脒碘化胺溶液；
其次，在空气环境下，依次在上述二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结上旋涂锡离子溶液和甲脒碘化胺溶液。具体过称为：在空气环境下，将具有三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的FTO基片置于旋涂仪中，并在85℃下进行热处理15分钟，然后在三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的表面上旋涂温度为75℃的锡离子溶液，旋涂条件为在6000 转/秒条件下旋涂50秒，接着将附着有二甲基亚砜(DMSO)的结晶皿盖住基片，在75℃温度下持续10分钟，而后再旋涂甲脒碘化胺溶液，旋涂条件为在5000 转/秒条件下旋涂20秒；
最后，将附着有DMF的结晶皿盖住基片，在95℃温度下持续处理1.0小时，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层。制备流程如图6。
S7：在三维钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀空穴阻挡层和金属电极，得基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池。
具体过程为：将上述具有三维钙钛矿吸光层的FTO基片放置于高真空镀膜仪中，依次蒸镀BCP和金电极，从而构建出基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，并通过掩膜板控制器件的面积为0.1cm2。
实施方式3：
本实施方式提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，结构如图1所示，由FTO以及依次层叠于FTO之上的氧化钴空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、BCP空穴阻挡层和金电极组成。其中三维钙钛矿吸光层为填充有CsPbBr3的三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结，
上述基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法如下，制备流程图如图2：
S1：在FTO上通过旋涂法制备氧化钴空穴传输层；
具体过程为：以乙二醇为溶剂配置浓度为0.5 mol/L的四水合乙酸钴溶液，且加入一定量1,2-乙二胺二盐酸盐(浓度为1.0mol/L)；待反应结束即可形成氧化钴前驱体；将清洗干净的FTO导电玻璃置于旋涂仪上，滴入氧化钴前驱体，且在6000 转/秒条件下旋涂50秒；将FTO置于管式炉中，在氩气氛围下300℃下热处理2小时，即可得到氧化钴空穴传输层。
S2：配制二氧化硅前驱体溶液和二氧化钛前驱体溶液；
配制二氧化硅前驱体溶液具体过程为：首先，在室温下，将1mL正硅酸四乙酯与1mL无水乙醇混合搅拌均匀；其次，在搅拌条件下，依次缓慢滴加0.25mL盐酸和0.2mL去离子水，得二氧化硅前驱体溶液；最后，将配制的二氧化硅前驱体溶液在4℃下保存，备用。
配置二氧化钛前驱体溶液具体过程为：首先，在室温下，将1mL钛酸四正丁酯与1mL无水乙醇混合搅拌均匀；其次，在搅拌条件下，依次缓慢滴加0.2mL盐酸和0.4mL去离子水，得二氧化钛前驱体溶液；最后，将配制的二氧化钛前驱体溶液在4℃下保存，备用。
S3：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与S2中制备的二氧化硅前驱体溶液配置成组装溶液甲，以S1中制备的旋涂有氧化钴空穴传输层的FTO为基片，采用恒温垂直沉积法在氧化钴上沉积聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；
具体过程为：采用无皂乳液聚合法制备的单分散聚苯乙烯小球作为构筑基元，将0.1mL二氧化硅前驱体溶液分散于50mL质量分数为0.05%的聚苯乙烯小球乙醇溶液中，配置成组装溶液甲，并置于温度为25℃的真空干燥箱中；将旋涂有氧化钴的FTO基片插入组装溶液甲中，待溶剂挥发完以后，即可制得聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；制备流程图如图3。
S4：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与S2中制备的二氧化钛前驱体溶液配置成组装溶液乙，以在氧化钴上沉积有聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的FTO为基片，采用恒温垂直沉积法在聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体上引入二氧化钛，得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结；
具体过程为：采用无皂乳液聚合法制备的单分散聚苯乙烯小球作为构筑基元，将0.1mL二氧化钛前驱体溶液分散于50mL质量分数为0.05%的聚苯乙烯小球乙醇溶液中，配置成组装溶液乙，并置于温度为25℃的真空干燥箱中；将在氧化钴上沉积有聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体的FTO基片插入组装溶液乙中，待溶剂挥发完以后，即可制得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结。
S5：去除S4中聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结中的聚苯乙烯小球，得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；
具体过程为：将聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结置于烧结炉中进行热处理，升温速率为每分钟2℃，在450℃下保持1小时，即可获得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；S4和S5两步的制备流程图如图4。
S6：以具有三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的FTO为基片，采用两步法在三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结内填充CsPbBr3，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层；
具体过程为：首先，配制旋涂溶液：称取溴化铅加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在80℃条件下搅拌3小时配置成浓度为1.2 mol/L的溴化铅溶液；称取溴化铯加入到异丙醇溶液中，在30℃条件下搅拌3小时配置成浓度为40 mg/mL的溴化铯溶液；
其次，在空气环境下，依次在上述二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结上旋涂溴化铅溶液和溴化铯溶液。具体过称为：在空气环境下，将具有三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的FTO基片置于旋涂仪中，并在95℃下进行热处理15分钟，然后在三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的表面上旋涂温度为80℃的溴化铅溶液，旋涂条件为在2000 转/秒条件下旋涂30秒，接着将附着有二甲基亚砜(DMSO)的结晶皿盖住基片，在80℃温度下持续12分钟，而后再旋涂溴化铯溶液，旋涂条件为在3000 转/秒条件下旋涂40秒；
最后，将附着有DMF的结晶皿盖住基片，在110℃温度下持续处理0.9小时，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层。制备流程如图7。
S7：在三维钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀空穴阻挡层和金属电极，得基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池。
具体过程为：将上述具有三维钙钛矿吸光层的FTO基片放置于高真空镀膜仪中，依次蒸镀BCP和金电极，从而构建出基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，并通过掩膜板控制器件的面积为0.1cm2。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，其制备方法包含以下步骤：
S1：在透明导电衬底上制备空穴传输层；
S2：配制二氧化硅前驱体溶液和二氧化钛前驱体溶液；
S3：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与所述二氧化硅前驱体溶液配置成组装溶液甲，以所述透明导电衬底为基片，采用恒温垂直沉积法在所述空穴传输层上沉积聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；
S4：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与所述二氧化钛前驱体溶液配置成组装溶液乙，以所述透明导电衬底基片，采用恒温垂直沉积法在所述聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体上引入二氧化钛，得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结；
S5：去除所述聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结中的聚苯乙烯小球，得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；
S6：以所述透明导电衬底为基片，采用两步法在所述三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结内填充钙钛矿类吸光半导体材料，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层；
S7：在所述三维钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀空穴阻挡层和金属电极，得基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述三维钙钛矿吸光层为填充有三维钙钛矿类吸光半导体材料的二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结。
4.根据权利要求3所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述三维钙钛矿类吸光半导体材料为具有ABX3型晶体结构的半导体材料，其中，所述A为阳离子，所述B为金属阳离子，所述X为卤素阴离子。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，
所述阳离子为以下任意一种或其组合：甲胺阳离子、甲脒阳离子、铯离子；
所述金属阳离子为以下任意一种或其组合：Pb2+ 、Sn2+；
所述卤素阴离子为以下任意一种或其组合：I-、Br-、Cl-。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层为氧化镍、氧化铜或氧化钴。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述空穴阻挡层为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述金属电极为银电极或金电极。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述透明导电衬底为氟掺杂氧化锡导电玻璃。
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Application publication date: 20180713 Assignee: Shanghai Houfei Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980014318 Denomination of invention: Preparation method of trans three-dimensional perovskite solar cell based on photonic crystal heterojunction Granted publication date: 20210525 License type: Common License Record date: 20211213 |
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