CN109216559B - 一种快速合成的b相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用，首次将快速合成的B相二氧化钛其应用于钙钛矿太阳能电池中。该方法涉及一种快速水热合成法，将乙醇酸、尿素溶于去离子水中，加入钛酸四丁酯和浓硫酸，随后在高温反应釜中反应2小时以上，得到B相二氧化钛前驱体，将其涂覆于FTO导电玻璃上经煅烧制得B相二氧化钛电子传输层，应用于钙钛矿太阳能电池的组装，得到了17.54%的高效率。该合成方法简便易行，重现性好，对将来制备高效钙钛矿太阳能电池的研究提供了一个新思路。

Description

一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是近年来的太阳能电池的一个热门研究方向。因其具备成本低、制备简单、易成膜，性能优越，稳定性良好等优点，备受科研工作者的青睐。当前已报道且认证的钙钛矿太阳能电池的最高效率为23.3%，故研究者认为其有望在将来能与硅基太阳能电池媲美。目前，以各种不同的半导体氧化物，如二氧化钛、氧化锌、二氧化锡、锡酸锌等，作为钙钛矿太阳能电子传输层的材料已被广泛研究报道，其中，二氧化钛为最佳的电子传输材料，并且当前最高效率也是基于二氧化钛的研究得到的。常见的二氧化钛有四个相，锐钛矿相，金红石相，板钛矿相和B相。其中，B相二氧化钛在近年来开始被研究者们应用于锂电子电池领域，但是研究较为有限。
目前还尚未有快速合成B相二氧化钛纳米粒子，并将其应用于钙钛矿太阳能电池中的相关专利报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明首次利用通过水热法快速合成得到B相二氧化钛纳米粒子，并将其应用于钙钛矿太阳能电池电子传输层。在100mW/cm2的光强、AM1.5条件下，取得了17.54%的光电转化效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用，包括以下步骤：
（1）取50-70 mL 去离子水置于容积为100 mL烧杯中，依次加入6-8 g 乙醇酸固体，3-5g尿素，搅拌15 min左右。待其充分溶解后，用移液枪量取1.5-2.5 mL钛酸四丁酯溶液，逐滴加入到烧杯中，剧烈搅拌5 min。随后，用移液枪量取0.3-0.5 mL浓硫酸液体，缓慢加入到上述溶液中，继续剧烈搅拌15 min。将烧杯中溶液转移到容积为100 mL的高压反应釜中，置于170-200℃烘箱中恒温反应2-4 h，得到灰色沉淀。将灰色沉淀离心分离，并用去离子水洗涤3次，烘干，得到B相二氧化钛前驱体。
（2）将制备得到的B相二氧化钛前驱体与乙基纤维素、松油醇按20：2：1的质量比混合均匀，随后加入200 mL无水乙醇，充分搅拌后，40℃减压旋蒸30min得到灰色粘稠状浆料。将得到的灰色粘稠状浆料与无水乙醇按1: 9的质量比稀释，剧烈搅拌12小时后，得到均匀分散液，留待备用。将以上稀释得到的分散液以2000转每秒的速度旋涂在FTO导电玻璃上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至400-450℃，恒温2h-3h，即得到B相二氧化钛电子传输层。最后，将B相二氧化钛电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池，进行后续的电化学性能表征。
本发明的优点及用途：基于二氧化钛电子传输层的钙钛矿太阳能电池因其优越的电化学性能，引起了广泛的研究。本发明首次通过水热法快速合成B相二氧化钛纳米粒子，并将其应用于钙钛矿太阳能电池中，得到了17.54%的高效率。现有报道中，B相二氧化钛合成方法大多由钛酸盐转化，强碱性且反应时间至少需要24小时。另一方面，由于B相二氧化钛对反应环境敏感，不易制得纯相。本发明的有两个创新之处：一是水热反应时间很短，最少可以缩短到2小时，且重现性良好；二是样品合成后不直接煅烧，而是制备好电子传输层后再煅烧得到50-80 nm左右的粒子，既保证B相二氧化钛为纯相，又避免了纳米粒子的团聚。该合成方法对将来制备高效钙钛矿太阳能电池的研究提供了一个新思路。
附图说明
图1 为B相二氧化钛纳米粒子的XRD谱图；
图2为钙钛矿太阳能电池截面的扫描电镜图；
图3为钙钛矿太阳能电池的性能曲线图；
图4为钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线图。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1
一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用，包括以下步骤：
（1）取60 mL 去离子水置于容积为100 mL烧杯中，依次加入7g 乙醇酸固体，4g尿素，搅拌15 min。待其充分溶解后，用移液枪量取2.0mL钛酸四丁酯溶液，逐滴加入到烧杯中，剧烈搅拌5 min。随后，用移液枪量取0.4 mL浓硫酸液体，缓慢加入到上述溶液中，继续剧烈搅拌15 min。将烧杯中溶液转移到容积为100 mL的高压反应釜中，置于180℃烘箱中恒温反应3 h，得到灰色沉淀。将灰色沉淀离心分离，并用去离子水洗涤3次，烘干，得到B相二氧化钛前驱体。
（2）将制备得到的B相二氧化钛前驱体与乙基纤维素、松油醇按20g：2g：1g的质量比混合均匀，随后加入200 mL无水乙醇，充分搅拌后，40℃减压旋蒸30min得到灰色粘稠状浆料。将得到的灰色粘稠状浆料与无水乙醇按1g: 9g的质量比稀释，剧烈搅拌12小时后，得到均匀分散液，留待备用。将以上稀释得到的分散液以2000转每秒的速度旋涂在FTO导电玻璃上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至400℃，恒温2h，即得到B相二氧化钛电子传输层。最后，将B相二氧化钛电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池，进行后续的电化学性能表征。该钙钛矿太阳能电池各组成部分为：TiO2致密层，MAPbI3钙钛矿层，spiro-OMeTAD空穴传输层以及金电极。
图1 为实施例1得到的B相二氧化钛纳米粒子的XRD谱图，该谱图中各衍射峰均可归属于B相二氧化钛，JCDPS卡片号为74-1940。图2为钙钛矿太阳能电池截面的扫描电镜图，从图中清楚的看出各层的厚度和形貌。电子传输层厚度约为200 nm，钙钛矿层厚度约为800nm。钙钛矿层晶粒大小为1μm左右，且晶界清晰，说明该钙钛矿结晶性较好。图3为钙钛矿太阳能电池的性能曲线图。其中短路电流Jsc为22.99 mA/cm2，开路电压Voc 为1.06 V，填充因子FF为0.72，所以得到光电转化效率为17.54%。图4为钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线图。从图上可以看出，450-750nm的波长范围内，IPCE值均超过70%，尤其是550-650 nm这一范围内，IPCE值超过80%。
实施例2
一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用，包括以下步骤：
（1）取50mL 去离子水置于容积为100 mL烧杯中，依次加入6g 乙醇酸固体，3g尿素，搅拌15 min。待其充分溶解后，用移液枪量取1.5mL钛酸四丁酯溶液，逐滴加入到烧杯中，剧烈搅拌5 min。随后，用移液枪量取0.3 mL浓硫酸液体，缓慢加入到上述溶液中，继续剧烈搅拌15 min。将烧杯中溶液转移到容积为100 mL的高压反应釜中，置于170℃烘箱中恒温反应2h，得到灰色沉淀。将灰色沉淀离心分离，并用去离子水洗涤3次，烘干，得到B相二氧化钛前驱体。
（2）将制备得到的B相二氧化钛前驱体与乙基纤维素、松油醇按20g：2g：1g的质量比混合均匀，随后加入200 mL无水乙醇，充分搅拌后，40℃减压旋蒸30min得到灰色粘稠状浆料。将得到的灰色粘稠状浆料与无水乙醇按1g: 9g的质量比稀释，剧烈搅拌12小时后，得到均匀分散液，留待备用。将以上稀释得到的分散液以2000转每秒的速度旋涂在FTO导电玻璃上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至430℃，恒温2.5h，即得到B相二氧化钛电子传输层。最后，将B相二氧化钛电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池。该钙钛矿太阳能电池各组成部分为：TiO2致密层，MAPbI3钙钛矿层，spiro-OMeTAD空穴传输层以及金电极。
实施例3
一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用，包括以下步骤：
（1）取70 mL 去离子水置于容积为100 mL烧杯中，依次加入8 g 乙醇酸固体，5g尿素，搅拌15 min。待其充分溶解后，用移液枪量取2.5 mL钛酸四丁酯溶液，逐滴加入到烧杯中，剧烈搅拌5 min。随后，用移液枪量取0.5 mL浓硫酸液体，缓慢加入到上述溶液中，继续剧烈搅拌15 min。将烧杯中溶液转移到容积为100 mL的高压反应釜中，置于200℃烘箱中恒温反应4 h，得到灰色沉淀。将灰色沉淀离心分离，并用去离子水洗涤3次，烘干，得到B相二氧化钛前驱体。
（2）将制备得到的B相二氧化钛前驱体与乙基纤维素、松油醇按20g：2g：1g的质量比混合均匀，随后加入200 mL无水乙醇，充分搅拌后，40℃减压旋蒸30min得到灰色粘稠状浆料。将得到的灰色粘稠状浆料与无水乙醇按1g: 9g的质量比稀释，剧烈搅拌12小时后，得到均匀分散液，留待备用。将以上稀释得到的分散液以2000转每秒的速度旋涂在FTO导电玻璃上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至450℃，恒温3h，即得到B相二氧化钛电子传输层。最后，将B相二氧化钛电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池。该钙钛矿太阳能电池各组成部分为：TiO2致密层，MAPbI3钙钛矿层，spiro-OMeTAD空穴传输层以及金电极。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种快速合成的B相二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取50-70 mL 去离子水置于容积为100 mL烧杯中，依次加入6-8 g 乙醇酸固体，3-5g尿素，搅拌15 min，待其充分溶解后，量取1.5-2.5 mL钛酸四丁酯溶液，逐滴加入到烧杯中，剧烈搅拌5 min，随后，量取0.3-0.5 mL浓硫酸液体，缓慢加入到上述溶液中，继续剧烈搅拌15 min，将烧杯中溶液转移到容积为100 mL的高压反应釜中，置于170-200℃烘箱中恒温反应2-4 h，得到灰色沉淀，将灰色沉淀离心分离，并用去离子水洗涤3次，烘干，得到B相二氧化钛前驱体；
（2）将B相二氧化钛前驱体与乙基纤维素、松油醇按20：2：1的质量比混合均匀，随后加入无水乙醇，充分搅拌后，40℃减压旋蒸30min得到灰色粘稠状浆料；
（3）将得到的灰色粘稠状浆料与无水乙醇按1: 9的质量比稀释，剧烈搅拌12小时后，得到均匀分散液；
（4）将分散液旋涂在FTO导电玻璃上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至400-450℃，恒温2h-3h，即得到B相二氧化钛电子传输层；
（5）最后，将B相二氧化钛电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池。
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