CN111039576A - 一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛纳米花结构介孔层制备方法，所述介孔层为纳米花结构TiO2，通过水热工艺控制，优化纳米花结构TiO2的形貌，通过旋涂工艺控制，优化介孔层的厚度。由于介孔层有利于电子空穴对分离和电子的传输，可提高钙钛矿太阳能电池的能量转换效率。

Description

一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池制备技术领域，具体为一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法。
背景技术
近年来，钙钛矿型太阳能电池受到人们的广泛关注，因为其具有换能效率高、制作简单、成本低等优点，钙钛矿太阳能电池的结构主要包括：透明导电基底、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传输层和金属电极，结构如图(1)所示。
其中，透明导电基底常见的主要有FTO和ITO两种材料。用于电子传输层的材料主要有氧化钛、氧化锌和C60。钙钛矿层一般为CH3NH3PbI3。空穴传输材料最常用的有Spiro-OMeTAD和P3HT。电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层是钙钛矿太阳能电池结构中重要的组成部分，这些材料的差异会导致太阳能电池效率和稳定性的不同。
二氧化钛作为一种n型半导体常作为电子输运层材料，它具有诸多优点，比如：与钙钛矿相匹配的能级结构、大的能带带隙、在紫外和可见光区域大范围的光透过率，以及低廉的制备成本。为了提升改善钙钛矿层的成膜性能，提升电子空穴对的分离和传输的效率，可以将二氧化钛层制备成介孔结构和致密结构复合的结构，其中介孔结构主要起到增加和钙钛矿晶体的接触面积，增加钙钛矿成核位点，提升电子传输效率的作用；致密层由于结构致密可以起到阻挡空穴输运的作用；除了微观结构，二氧化钛层的厚度也影响着电子传输性能。
发明内容
本发明提供一种能够提高介孔层与钙钛矿光敏层的接触面积、提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)使用一步水热法制备纳米花结构TiO2：将四异丙醇钛和氨水溶液配置成第一溶液后再加入氯化钠粉末得到混合物；将混合物充分搅拌后倒入水热反应釜中加热，得到第二溶液，第二溶液中出现纳米花结构TiO2；将冷却后的第二溶液洗涤至pH值接近7；将纳米花结构TiO2进行干燥和煅烧，得到纳米花结构TiO2粉末；
(2)将纳米花结构TiO2粉末与酒精按质量比1：3～1：30配置成悬浊液，将悬浊液充分搅拌后旋涂在TiO2致密层上，旋涂有悬浊液的TiO2致密层经退火后得到TiO2介孔层。
根据上述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中四异丙醇钛和氨水溶液的体积比是1：17～3：17。
根据上述的制备方法，其特征在于，步骤(1)混合物中的氯化钠浓度是0.1mol/L～1mol/L。
根据上述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中水热反应釜的加热温度是100℃～320℃、加热时间为12h～36h。
根据上述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纳米花结构TiO2的煅烧温度是300℃～500℃、煅烧时间为0.5h～2.5h。
根据上述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中悬浊液旋涂在TiO2致密层上的旋涂转速为3000r/min～4500r/min；旋涂有悬浊液的TiO2致密层的退火温度为150℃～300℃、退火时间为0.5h～2.5h。
本发明的有益技术效果：本发明旨在解决纳米花结构TiO2介孔层的制备方法，通过水热工艺控制，优化纳米花结构TiO2的形貌，通过旋涂工艺控制，优化介孔层的厚度，使介孔层有利于电子空穴对分离和电子的传输，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。通过水热法制备的纳米花结构TiO2介孔层具有更大的比表面积，与钙钛矿吸光层有更好的接触，从而提高光电转换效率。用旋涂法制备纳米花结构二氧化钛介孔层时，通过改变旋涂速度和时间控制层厚，操作简单易行。
附图说明
图1为钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法，包括以下步骤：(1)使用一步水热法制备纳米花结构TiO2；将四异丙醇钛和氨水溶液配置成第一溶液后再加入氯化钠粉末得到混合物，四异丙醇钛和氨水溶液的体积比是1：17～3：17，混合物中的氯化钠溶液的浓度是0.1mol/L～1mol/L。将混合物充分搅拌后倒入水热反应釜中加热，得到第二溶液，第二溶液中出现纳米花结构TiO2，水热反应釜的加热温度是100℃～320℃、加热时间为12h～36h。将冷却后的第二溶液洗涤至pH值接近7；将制备的纳米花结构TiO2进行干燥和煅烧，得到纳米花结构TiO2粉末；纳米花结构TiO2的煅烧温度是300℃～500℃、煅烧时间为0.5h～2.5h。(2)将纳米花结构TiO2粉末与酒精按质量比1：3～1:30配置成悬浊液，将悬浊液充分搅拌后旋涂在TiO2致密层上，悬浊液旋涂在TiO2致密层上的旋涂转速为3000r/min～4500r/min；旋涂有悬浊液的TiO2致密层经退火后得到TiO2介孔层，旋涂有悬浊液的TiO2致密层的退火温度为150℃～300℃、退火时间为0.5h～2.5h。
实施例1
制备两个FTO/TiO2致密层/TiO2介孔层/CH3NH3PbI3/P3HT/Au太阳能电池，为控制变量，仅纳米花结构TiO2介孔层制备方法不同，其余层原料、制备方法、工艺参数均相同。
样品一采用磁控法制备TiO2致密层。
TiO2致密层制备：以TiO2为靶材，真空度为3×10-4Pa，在1Pa、60W的条件下在FTO基片上沉积TiO2致密层。通入气体总流量20sccm，Ar、O2流量比为9:1。制备的致密层的厚度为25nm。
样品二采用磁控溅射制备TiO2致密层，水热法制备纳米花结构TiO2介孔层。
TiO2致密层制备：制备的TiO2致密层的厚度为25nm，同样品一。
TiO2介孔层制备：将四异丙醇钛和氨水溶液以1.95mL：17mL的比例配置成第一溶液，加入0.275g的氯化钠粉末得到混合物。充分搅拌后倒入水热反应釜中，在烘箱中180℃的条件下加热24h，得到第二溶液。将冷却后的第二溶液离心洗涤至中性。将制备的纳米花结构TiO2干燥24h，并在400℃高温煅烧1h。将纳米花TiO2粉末与酒精按质量比1：10配置成悬浊液，将悬浊液充分搅拌后以4000r/min旋涂在TiO2致密层上，旋涂有悬浊液的TiO2致密层在200℃加热1h后得到TiO2介孔层。制备的TiO2介孔层的厚度为250nm。
完成后用同样工序制备钙钛矿层CH3NH3PbI3、空穴传输层P3HT、电极层Au。然后进行测试，测试结果见表1。
表1不同电子传输层TiO2的钙钛矿太阳能电池主要性能参数
Figure BDA0002333321430000041
样品二采用水热法制备纳米花结构TiO2介孔层制备的钙钛矿太阳能电池的转换效率高于样品一。

Claims (6)

1.一种用于钙钛矿太阳能电池的二氧化钛介孔层制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)使用一步水热法制备纳米花结构TiO2：将四异丙醇钛和氨水溶液配置成第一溶液后再加入氯化钠粉末得到混合物；将混合物充分搅拌后倒入水热反应釜中加热，得到第二溶液，第二溶液中出现纳米花结构TiO2；将冷却后的第二溶液洗涤至pH值接近7；将纳米花结构TiO2进行干燥和煅烧，得到纳米花结构TiO2粉末；
(2)将纳米花结构TiO2粉末与酒精按质量比1：3～1：30配置成悬浊液，将悬浊液充分搅拌后旋涂在TiO2致密层上，旋涂有悬浊液的TiO2致密层经退火后得到TiO2介孔层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中四异丙醇钛和氨水溶液的体积比是1：17～3：17。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)混合物中的氯化钠浓度是0.1mol/L～1mol/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中水热反应釜的加热温度是100℃～320℃、加热时间为12h～36h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纳米花结构TiO2的煅烧温度是300℃～500℃、煅烧时间为0.5h～2.5h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中悬浊液旋涂在TiO2致密层上的旋涂转速为3000r/min～4500r/min；旋涂有悬浊液的TiO2致密层的退火温度为150℃～300℃、退火时间为0.5h～2.5h。
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