CN108493346B - 基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次分布的FTO导电基底、氧化锡纳米棒阵列，钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极层。本发明还提供了一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的制备方法。本发明中氧化锡材料化学性能稳定，自身对钙钛矿材料不会造成分解作用，其二氧化锡材料本身具有比氧化钛和氧化锌更加优异的电子传输性能，有利于电子的抽取以及提高钙钛矿电池的性能。目前基于本发明的钙钛矿电池获得了比其他阵列结构材料更加优异的光电转化性能。

Description

基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是近几年兴起的一类非常具有前景的太阳能电池，其具有光电转换效率高、成本低、制作简单等突出优点。因此，这类太阳能电池相关材料和器件工艺的研究成为最近国内外研究的前沿和热点。目前提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的主要技术手段，一是调整钙钛矿电池的材料成分，研发性能更加优良的物质替代原类型的空穴传输层、钙钛矿吸收层或电子传输层；二是优化结构或调控钙钛矿电池各层的形貌来优化界面性能。这些措施使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率(即PCE)在7年的时间内从3.8％迅速提高22.1％。
钙钛矿太阳能电池的种类按结构划分可分为平面结构电池和介孔结构电池，平面结构根据底层电子传输层的类型不同又可分为n-i-p结构(正型)和p-i-n结构(反型)。P-i-n反型平面结构的电池通常没有滞后效应，所谓滞后效应即在I-V特性测试过程中正测(从Jsc扫到Voc)与反测(从Voc扫到Jsc)有区别。常规正型n-i-p结构通常采用TiO2作为电子传输层，这种类型的器件反测效率很高，但正测效率比反测效率低很多，因滞后效应往往导致难以获得准确可靠的电池转换效率(即PCE)。产生这种滞后效应的原因可能是钙钛矿吸收层的离子迁移，或者钙钛矿吸收层与电子传输层之间电学接触不好，存在势垒，从而产生电荷聚集，加剧滞后。
因此，改善钙钛矿吸收层和电子传输层的电学接触显得尤为重要。氧化锡带隙为3.6eV，导带能级可达＞4.3eV，其导带比TiO2更低，与钙钛矿匹配时，更有利于电荷的转移；而且氧化锡的迁移率比TiO2高很多，因此，能够极大地消除电池的滞后，同时也说明氧化锡比氧化钛更适合做高效太阳能电池的电子传输层。
目前基于将纳米棒阵列应用于钙钛矿太阳能电池的材料主要有氧化钛纳米棒阵列，氧化锌纳米棒阵列；但是目前基于上述两种纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的电池效率偏低，其次基于氧化锌材料由于氧化锌本身的化学活性高，对钙钛矿材料造成严重的降解，从而严重影响钙钛矿电池的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于将氧化锡纳米棒材料应用于钙钛矿太阳能电池中，并获得优异的光电性能。氧化锡材料良好的化学稳定性和优异的电子传输性能，大大提高基于纳米棒阵列结构的钙钛矿电池的光电转化性能。
本发明是这样实现的：
一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次分布的FTO导电基底、氧化锡纳米棒阵列，钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极层。
更进一步的方案是：
所述FTO导电基底的厚度为300～500nm，氧化锡纳米棒的厚度为20～200nm，钙钛矿吸收层的厚度为400～800nm，空穴传输层的厚度为100～200nm，金属电极层的厚度为100～150nm。
FTO导电基底用于将氧化锡纳米棒阵列的电子输出到太阳能电池外部；氧化锡纳米棒阵列用于传输钙钛矿吸收层的电子到FTO导电基底；钙钛矿吸收层用于吸收太阳光能量失去电子形成空穴；空穴传输层用于将来自金属电极层的电子和空穴进行复合；金属电极层用于接收太阳能电池外输入的电子。
更进一步的方案是：
所述空穴传输层的材料是Spiro-OMeTAD、PTAA、CuPc、CuSCN、CuI或X60中的任意一种。
本发明的核心在于使用了氧化锡纳米棒阵列。
在此之前，已经有使用氧化锡颗粒作为电子传输层，本发明通过采用氧化锡纳米棒阵列，能够实现更大面积的电池制备。
此外，目前的基于二氧化钛或者二氧化锌的纳米棒阵列结构钙钛矿电池效率普遍偏低，一般只有13-15％，而本发明的二氧化锡的纳米棒阵列可以获得更好的效果。
本发明还提供了一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在清洗干净的FTO导电玻璃上水热生长氧化锡纳米棒阵列；
步骤二、在氧化锡纳米阵列上面制备钙钛矿吸收层；
步骤三、在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；
步骤四、蒸镀金属电极形成金属电极层。
更进一步的方案是：
步骤一具体如下：以摩尔比1：30～1：100的五水合四氯化锡和脲素为原料，加入一定量的表面活性剂，在具有PEFT内衬的不锈钢反应釜中放入清洗干净的FTO导电玻璃，而后将反应釜放在烘箱中，反应温度范围为60～240℃；时间范围为12～100h。反应过程中，锡盐与脲素通过一系列的配位水解的过程，并在表面活性剂的导向作用下，沿着附图3中[001]方向生长，形成氧化锡的纳米棒结构，其示意图如下附图3所示：
更进一步的方案是：
所述的表面活性剂为离子型的表面活性剂。
更进一步的方案是：
所述的离子型的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或乙二胺四乙酸二钠。
更进一步的方案是：
所述的表面活性剂加入量与锡盐加入量的摩尔比在4：1～1：1。
更进一步的方案是：
所述的金属电极材料是金或银。
本发明将氧化锡纳米阵列作为电子传输材料应用于钙钛矿太阳能电池，并最终获得比氧化钛、氧化锌纳米棒材料更好的光电性能。本发明中氧化锡材料化学性能稳定，自身对钙钛矿材料不会造成分解作用，其二氧化锡材料本身具有比氧化钛和氧化锌更加优异的电子传输性能，有利于电子的抽取以及提高钙钛矿电池的性能。目前基于本发明的钙钛矿电池获得了比其他阵列结构材料更加优异的光电转化性能。
附图说明
图1为本发明的基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明与氧化钛纳米棒阵列的电流密度与开路电压关系曲线图；
图3为氧化锡的纳米棒生长示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如附图1所示，一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次分布的FTO导电基底2、氧化锡纳米棒阵列1，钙钛矿吸收层3、空穴传输层4和金属电极层5。
实施例2
基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在清洗干净的FTO导电玻璃上水热生长氧化锡纳米棒阵列(以摩尔比1：30～1：100的五水合四氯化锡和脲素为原料，加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或乙二胺四乙酸二钠。表面活性剂加入量与锡盐加入量的摩尔比在4：1～1：1。在具有PEFT内衬的不锈钢反应釜中放入清洗干净的FTO导电玻璃，而后将反应釜放在烘箱中，反应温度范围为60～240℃；时间范围为12～100h。反应过程中，锡盐与脲素通过一系列的配位水解的过程，并在表面活性剂的导向作用下，沿着附图3中[001]方向生长，形成氧化锡的纳米棒结构，其示意图如下附图3所示：
步骤二、在氧化锡纳米阵列上面制备钙钛矿吸收层；
步骤三、在钙钛矿吸收层上制备空穴传输材料(可以是Spiro-OMeTAD，
PTAA，CuPc等)
步骤四、蒸镀金电极，I-V测试。
对比例1
结构与实施例1相同，区别在于用氧化钛纳米棒阵列替代了氧化锡纳米棒阵列。
将实施例1和对比例1的钙钛矿太阳能电池的相关数据对比分析，如图2和表1。可以看出，实施例1的转化效率达到16.69％，远高于对比例1。
表1
Figure BDA0001640894000000061
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (5)

1.一种基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括自下而上依次分布的FTO导电基底、氧化锡纳米棒阵列，钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极层，所述氧化锡纳米棒阵列的制备方法具体如下：以摩尔比1：30～1：100的五水合四氯化锡和脲素为原料，加入一定量的表面活性剂，在具有PEFT内衬的不锈钢反应釜中放入清洗干净的FTO导电玻璃，而后将反应釜放在烘箱中，反应温度范围为60～240℃；时间范围为12～100h，反应过程中，锡盐与脲素通过一系列的配位水解的过程，并在表面活性剂的导向作用下，进行生长，形成氧化锡的纳米棒结构，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或乙二胺四乙酸二钠，所述的表面活性剂加入量与锡盐加入量的摩尔比在4：1～1：1。
2.根据权利要求1所述基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：
所述FTO导电基底的厚度为300～500nm，氧化锡纳米棒的厚度为20～200nm，钙钛矿吸收层的厚度为400～800nm，空穴传输层的厚度为100～200nm，金属电极层的厚度为100～150nm。
3.根据权利要求1所述基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：
所述空穴传输层的材料是 Spiro-OMeTAD、PTAA、CuPc、CuSCN、CuI或X60中的任意一种。
4.权利要求1至3任一权利要求所述基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、在清洗干净的FTO导电玻璃上水热生长氧化锡纳米棒阵列；具体如下：以摩尔比1：30～1：100的五水合四氯化锡和脲素为原料，加入一定量的表面活性剂，在具有PEFT内衬的不锈钢反应釜中放入清洗干净的FTO导电玻璃，而后将反应釜放在烘箱中，反应温度范围为60～240℃；时间范围为12～100h，反应过程中，锡盐与脲素通过一系列的配位水解的过程，并在表面活性剂的导向作用下，进行生长，形成氧化锡的纳米棒结构；所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠或乙二胺四乙酸二钠，所述的表面活性剂加入量与锡盐加入量的摩尔比在4：1～1：1；
步骤二、在氧化锡纳米阵列上面制备钙钛矿吸收层；
步骤三、在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；
步骤四、蒸镀金属电极形成金属电极层。
5.根据权利要求4所述基于氧化锡纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：
所述的金属电极材料是金或银。
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