CN110828669A - 一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；各层之间紧密贴合，形成稳定的介孔骨架结构；介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中填充有钙钛矿晶体。采用无机胶体纳米晶作为粘接剂制备碳电极，胶体纳米晶表面含有大量残余羟基，可实现高电导碳电极的制备；纳米晶具有外观尺寸形状，有利于维持碳电极的高孔隙度。采用低温真空渗透技术将钙钛矿晶体活性层填充在介孔骨架当中。所制备的器件的光电转换效率达到14％，且具有优异的稳定性。本发明进一步降低了介孔碳基钙钛矿太阳能电池的生产成本，有利于产业化。

Description

一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，具体涉及一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳光能储量大，分布范围广，是一种可靠的可再生清洁能源。太阳能电池将光能直接转化为电能，是一种理想的太阳能利用方式。有机-无机铅卤化物钙钛矿太阳能电池(简称钙钛矿太阳能电池，PSCs)是一种新型薄膜太阳能电池，自2009年提出以来便受到了国内外的广泛关注。经过近7年发展，其光电转换效率已超过20％(AM1.5G，100mW/cm2，下同)，达到经认证的25.2％[Best Reaserch-Cells Efficiencies,National RenewableEnergy Laboratory,2017,https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html,Accesseddate:23October 2019.]，接近晶硅光伏技术的水平。然而该效率通常依靠金属电极，由于有机-无机铅卤化物钙钛矿对金属的腐蚀作用，使得器件稳定性较差。碳电极具有优异的导电性和抗腐蚀性，采用碳电极制备的介孔结构钙钛矿太阳能电池具有稳定性高、制备成本低廉的优点。然而，常见的介孔结构器件需采用高温工艺(>400℃)。2014年，Mei等人将5-氨基戊酸碘盐掺入钙钛矿前驱体溶液中，改善钙钛矿的填充情况，提高钙钛矿的结晶，将介孔碳基钙钛矿太阳能电池的效率提升至12.84％，但是其二氧化钛薄膜、二氧化锆薄膜和碳膜均在高温(＞400℃)的条件下制得[Mei,A.Y.,et al.,A hole-conductor-free,fullyprintable mesoscopic perovskite solar cell with high stability.Science,2014.345(6194):p.295-298.]。2017年，Rong等人将氯化铵作为添加剂掺入到钙钛矿前驱体中，利用水分辅助钙钛矿结晶，钝化晶界，使介孔碳基钙钛矿太阳能电池达到了15.6％的光电转换效率，同样的，器件的制备仍采用的是高温工艺(＞400℃)[Rong,Y.,et al.,Synergy of ammonium chloride and moisture on perovskite crystallization forefficient printable mesoscopic solar cells.Nat Commun,2017.8:p.14555.]。高温制备过程增加了制备成本，延长了制备周期，不利于大规模化生产，同时也不利于器件柔性化。因此，亟需开发一种低温制备介孔碳基钙钛矿太阳能电池的方法。
研究发现，在传统高温碳基介孔结构钙钛矿太阳能电池制备过程中，碳电极材料中采用聚合物高分子作为粘接剂。为获得较高导电性以及较高的孔隙率，需要在高温下(400℃左右)进行热处理，以除去聚合物高分子材料。这增加了器件制备能耗，延长了生产周期，也增加了生产成本。作为技术改进方案，韩宏伟等在专利“一种新型基于碳电极全固态可印刷钙钛矿太阳能电池(CN 107146847B)”中提出将碳电极分成“高温碳电极”和“低温碳电极”两部分来制备。但是该方案并不能从根本上解决低温化的难题。为此，本发明提出采用无机胶体纳米晶作为粘接剂在低温(150℃)条件下制备高电导介孔碳电极，配合低温真空渗透技术在多孔骨架中填充吸光活性层，最终实现在低温条件下制备高效率的碳基介孔结构钙钛矿太阳能电池。
发明内容
针对现有技术中高温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的碳电极采用有机高分子粘结剂，需要经过高温处理除去，不仅增加了工艺复杂度与制备成本，也降低了生产效率的技术问题，本发明的目的在于提供一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
本发明提供的这种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；
所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中渗透有钙钛矿，各层之间紧密贴合，形成稳定的层状介孔结构；
所述碳电极采用无机胶体纳米晶作为粘接剂，由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；所述无机胶体纳米晶表面含有大量无定型的胶相以及表面羟基，无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒表面基团产生氢键作用，利用氢键的作用，在低温(≤150℃)条件下制备的碳电极即具有导电性高、孔隙度高的优点，避免了高温热处理工艺的缺陷。
优选的方案，所述无机胶体纳米晶包含SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2胶体纳米晶中的一种或多种组合。
优选的方案，所述石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：(0.05～0.2)。
更优选的方案，所述石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：0.15。
优选的方案，所述透明导电层采用掺杂F的SnO2，或者In2O3-SnO2，透明导电层与基底形成导电玻璃FTO或ITO。
优选的方案，所述致密电子传输层采用TiO2或者SnO2制备而成。
优选的方案，所述介孔电子传输层采用TiO2、SnO2纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。
优选的方案，所述介孔阻挡层采用SiO2、ZrO2氧化物纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。
优选的方案，所述钙钛矿采用有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿材料，其分子式为ABX3，其中A为有机基团，如甲胺基、甲脒基中的一种或多种组合；B为金属阳离子，如铅离子；X为卤素离子，如氯、溴、碘中的一种或多种组合。
本发明还提供一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在基底上依次制备透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极，每层都在100～150℃的温度下进行热处理，得到介孔骨架；所述碳电极由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；
(2)在真空环境下，将钙钛矿前驱体溶液渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中，在30～100℃的温度下进行退火处理，使钙钛矿前驱体结晶，制得所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池。
进一步，所述步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液配置方法为：通过将钙钛矿材料溶解在溶剂中配制而成。
进一步，所述步骤(2)中，采用低温真空渗透技术，将钙钛矿前驱体溶液在100℃以内的温度下渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中。
真空渗透技术，指利用常用真空获得手段，如机械泵、分子泵等与密封装置连接组装的装置，密封装置内的温度可以调节；在实施时，预先将钙钛矿前驱体溶液滴加在介孔骨架表面，然后放入真空室中抽真空，通过调节温度、时间进行填充与结晶处理。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
1)本发明所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池具有生产成本低、稳定性高、市场应用广阔的优点，采用低温制备技术(≤150℃)，所制备的器件光电转换效率最高达到14％，且具有优异的稳定性。
2)本发明所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，采用无机胶体纳米晶作为粘接剂在低温下制备高导电介孔碳电极，胶体中的纳米晶表面含有大量残余羟基，这些羟基可以与碳材料表面基团产生氢键作用，从而粘接碳颗粒，实现高电导碳电极制备；同时，纳米晶具有一定的外观尺寸形状，掺入碳电极中有利于维持碳材料之间的孔隙度，有利于后续吸光层前驱体的填充，该技术完全避免高温热处理工艺的使用，解决了介孔碳基钙钛矿太阳能电池的低温化难题。
3)本发明所述低温制备介孔碳基钙钛矿太阳能电池的方法，采用真空渗透工艺在低温下(100℃以内)进行活性吸光层前驱体的填充以及晶化，在抽真空环境下，介孔材料中会出现负压，负压有利于前驱体的填充；填充完毕后，随着溶剂的挥发，负压的维持会继续压缩介孔碳电极，增强碳电极内表面与吸光层的界面接触，提升器件界面电荷传输，改善器件光电转换性能；同时，介孔碳电极在被压缩后，其内部孔隙率降低，有利于抑制水氧在器件中的扩散渗透，从而提高器件稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图；
其中，1-透明导电层；2-致密电子传输层；3-介孔电子传输层；4-介孔阻挡层；5-碳电极；6-钙钛矿；7-无机胶体纳米晶。
图2为本发明实施例1制得器件的光电流-电压曲线。
图3为本发明实施例2制得器件的光电流-电压曲线。
图4为本发明实施例3制得器件的光电流-电压曲线。
图5为本发明实施例4制得器件的光电流-电压曲线。
图6为本发明实施例5制得器件的光电流-电压曲线。
图7为本发明实施例6制得器件的光电流-电压曲线。
图8为本发明实施例7制得器件的光电流-电压曲线。
图9为本发明实施例8制得器件的光电流-电压曲线。
图10为本发明实施例9制得器件的光电流-电压曲线。
图11为本发明实施例10制得器件的光电流-电压曲线。
图12为本发明实施例11制得器件的光电流-电压曲线。
图13为本发明实施例12制得器件的光电流-电压曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层1、致密电子传输层2、介孔电子传输层3、介孔阻挡层4和碳电极5；
介孔电子传输层3、介孔阻挡层4和碳电极5中渗透有钙钛矿6，各层之间紧密贴合，形成稳定的层状介孔结构；
碳电极5采用无机胶体纳米晶7作为粘接剂，由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；无机胶体纳米晶7表面含有大量无定型的胶相以及表面羟基，无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒表面基团产生氢键作用，所制备的碳电极5具有导电性高与孔隙度高的优点。
在一个具体实施例中，无机胶体纳米晶包含SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2胶体纳米晶中的一种或多种组合。
在一个具体实施例中，石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：(0.05～0.2)。
在一个具体实施例中，透明导电层1采用掺杂氟的SnO2制备而成，与基底形成导电玻璃FTO。
在一个具体实施例中，致密电子传输层2采用TiO2或者SnO2制备而成。
在一个具体实施例中，介孔电子传输层3采用TiO2、SnO2纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。
在一个具体实施例中，介孔阻挡层4采用SiO2、ZrO2氧化物纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。
在一个具体实施例中，钙钛矿采用有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿材料，其分子式为ABX3，其中A为有机基团，如甲胺基、甲脒基中的一种；B为金属阳离子，如铅离子；X为卤素离子，如氯、溴、碘中的一种或多种组合。
本发明还提供一种低温制备所述介孔碳基钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
(1)在基底上依次制备透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极，每层都在100～150℃的温度下进行热处理，得到介孔骨架；所述碳电极由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；
(2)在真空环境下，将钙钛矿前驱体溶液渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中，在30～100℃的温度下进行退火处理，使钙钛矿前驱体结晶，制得所述介孔碳基钙钛矿太阳能电池。
采用现有工艺在基底上依次制备透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层。
所述步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液配置方法为：通过将碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)溶解在溶剂中配制而成。
下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备In2O3、SnO2共混薄膜，得到导电玻璃(ITO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：ZrO2胶体纳米晶＝2：0.75：0.15，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(ITO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为50℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例1的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图2)，获得10.22％的光电转换效率。
实施例2
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备In2O3、SnO2共混薄膜，得到导电玻璃(ITO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：SiO2胶体纳米晶＝2：0.75：0.12，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(ITO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为90℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例2的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图3)，获得9.61％的光电转换效率。
实施例3
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备In2O3、SnO2共混薄膜，得到导电玻璃(ITO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：Al2O3胶体纳米晶＝2：0.75：0.2，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(ITO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为80℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例3的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图4)，获得8.92％的光电转换效率。
实施例4
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备In2O3、SnO2共混薄膜，得到导电玻璃(ITO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2胶体纳米晶＝2：0.75：0.15，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(ITO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为50℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例4的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在95mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图5)，获得14.07％的光电转换效率。
实施例5
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、ZrO2(质量比2:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.15，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为60℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例5的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在95mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图6)，获得12.25％的光电转换效率。
实施例6
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备In2O3、SnO2共混薄膜，得到导电玻璃(ITO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、SiO2(质量比3:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.2，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(ITO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为80℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例6的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图7)，获得13.0％的光电转换效率。
实施例7
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、Al2O3(质量比1:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.2，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为70℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例7的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图8)，获得12.74％的光电转换效率。
实施例8
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、ZrO2、SiO2(质量比1:1:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.15，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为60℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例8的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在95mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图9)，获得11.09％的光电转换效率。
实施例9
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、SiO2、Al2O3(质量比2:1:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.15，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为50℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例9的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图10)，获得13.36％的光电转换效率。
实施例10
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：ZrO2、SiO2、Al2O3(质量比1:1:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.05，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为80℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例10的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图11)，获得11.41％的光电转换效率。
实施例11
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、ZrO2、Al2O3(质量比2:1:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.1，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为90℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例11的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图12)，获得12.65％的光电转换效率。
实施例12
本发明实施例一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上制备掺杂氟的SnO2层，得到导电玻璃(FTO)；
(2)低温碳浆配制：称量石墨、炭黑颗粒质量比为(2：0.75)，加入20mL去离子水混合后于球磨机中球磨24h，从而使炭黑和石墨均匀混合；按照质量比为石墨：炭黑颗粒：TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3(质量比1:1:1:1)胶体纳米晶＝2：0.75：0.08，将纳米晶加入至球磨好的碳浆料中，搅拌均匀，得到低温碳浆；
(3)在导电玻璃(FTO)依次沉积致密电子传输层(SnO2，厚度为50nm)、介孔电子传输层(TiO2，厚度为500nm)、介孔阻挡层(ZrO2，厚度为1μm)、碳电极(通过沉积低温碳浆制得，厚度为20μm)，每层都在150℃下退火5h；
(4)吸光活性层填充：取30μL活性层前驱体溶液碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)滴在碳电极上面，静置于密封箱体(调节箱体内压强为负压，温度为100℃)，然后真空退火处理1h，得到介孔碳基钙钛矿太阳能电池；
其中CH3NH3PbI3的制备方法为：称量0.3975g碘甲胺(CH3NH3I，MAI)、1.146g碘化铅(PbI2)、0.03g 5-氨基戊酸碘盐(HOOC(CH2)4NH3I，5AVA-I)于2.7mLγ-丁内酯(GBL)在70～80℃条件下搅拌5～6h，得到钙钛矿前驱体溶液；
实施例12的介孔碳基钙钛矿太阳能电池器件制备完成后，在100mW*cm-2的模拟太阳光下测试其光电流-电压曲线(图13)，获得10.13％的光电转换效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；
所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中渗透有钙钛矿，各层之间紧密贴合，形成稳定的层状介孔结构；
所述碳电极采用无机胶体纳米晶作为粘接剂，由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；所述无机胶体纳米晶表面含有大量无定型的胶相以及表面羟基，无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒表面基团产生氢键作用，所制备的碳电极具有导电性好、孔隙度高的优点。
2.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述无机胶体纳米晶包含SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2胶体纳米晶中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：(0.05～0.2)。
4.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层采用掺杂F的SnO2，或者In2O3-SnO2，透明导电层与基底形成导电玻璃FTO或ITO。
5.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述致密电子传输层采用TiO2或者SnO2制备而成。
6.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述介孔电子传输层采用TiO2、SnO2纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm；
所述介孔阻挡层采用SiO2、ZrO2氧化物纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。
7.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿采用有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿材料，其分子式为ABX3，其中A为有机基团，如甲胺基、甲脒基中的一种或多种组合；B为金属阳离子，如铅离子；X为卤素离子，如氯、溴、碘中的一种或多种组合。
8.根据权利要求1～7中任一项所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)低温介孔骨架制备：在基底上依次制备透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极，每层都在100～150℃的温度下进行热处理，得到介孔骨架；所述碳电极由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；
(2)低温真空填充钙钛矿：在真空环境下，将钙钛矿前驱体溶液渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中，在30～100℃的温度下进行退火处理，使钙钛矿前驱体结晶，制得所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液配置方法为：通过将钙钛矿材料溶解在溶剂中配制而成。
10.根据权利要求8所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用低温真空渗透技术，将钙钛矿前驱体溶液在100℃以内的温度下渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中。
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