CN113285029A - 一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机‑无机杂化钙钛矿太阳能电池，包括一种有机‑无机杂化钙钛矿太阳能电池制备方法和制备详细步骤，与现有技术相比，本发明在制备过程中通过热基底喷涂法制备有机‑无机杂化钙钛矿薄膜，不要求严苛的气体环境，降低了制备条件；制得的有机‑无机杂化钙钛矿薄膜致密，晶粒尺寸可超过500nm，制得的有机‑无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换效率超过12％，有效的提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术技术领域，尤其涉及一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。
太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。
杂化材料是一种均匀的多相材料，其中至少有一相的尺寸和维度在纳米数量级，纳米相与其它相间通过化学作用与物理作用在纳米水平上复合。
而在最近几年，具有钙钛矿结构的甲胺铅碘(CH；NH3Pbl；)太阳能电池也成为大家关注的焦点，它具有制备简单和成本低廉优点，而且它的光电转换效率在近几年内增长速度很快，从2009年到2014年，5年内从3.8％迅速提高到19.3％，比研究多年的非晶硅薄膜太阳电池效率(10.1％)高出很多，被评选为2013年重要的科学突破，钙钛矿材料也成为研究者的明星材料。很多实验室及理论计算研究者对CHNH,Pbl材料、电池结构及工作原理、生产工艺以及环境等问题进行多方面研究，经过努力钙钛矿电池效率很有希望继续增长，很可能成为新的薄膜电池。
目前,整个钙钛矿太阳电池领域的研究发展趋势有以下的几个方面:拓宽吸收光谱范围、获得较高的开路电压、制备出高质量钙钛矿结构有机金属卤化物、开发新型空穴传输材料和光阳极材料、提高器件的一致性和稳定性、研究电池的机理性能和测试方法、制备平面异质结钙钛矿太阳电池、有机电子输运材料型钙钛矿太阳电池、透明型钙钛矿太阳电池以及大面积的钙钛矿太阳电池。
虽然钙钛矿太阳电池的转换效率一直在提高，但是较差的重现性会影响到将来大规模应用和进一步的科学研究。钙钛矿太阳电池在制备过程对细微条件的变化非常敏感,这导致同一条件下制备出的一组电池的光电转换效率有很大的统计偏差。
发明内容
为此，本发明提供一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，用以解决上述背景中提到的问题。
本发明提供一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，电池制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃，经过刻蚀和清洗，制备为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池导电电极；
(2)配制二氧化钛溶胶，以旋涂法，低速旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，经过马沸炉升降温处理后制成致密二氧化钛薄膜；
(3)通过在步骤(2)制备的致密二氧化钛薄膜表面上，通过喷涂法喷涂混合有阳离子的DMF前驱液，得到水热氧化钛薄膜；
(4)在步骤(3)制备的水热氧化钛薄膜表面需要制备一层空穴传输层；
(5)制备金属电极：通过热蒸镀一层金电极到钙钛矿的表面，得到有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。
进一步地，所述步骤(1)中，FTO导电玻璃清洗，首先采用清洁剂清洗，以去除FTO表面残留的污渍，然后用去离子水反复冲洗。
进一步地，所述制备致密二氧化钛薄膜采用到的二氧化钛溶胶由TiO2、SnO2制备所得。
进一步地，所述步骤(2)二氧化钛薄膜制备方法是，将配制好的二氧化钛溶胶以低速500rpm/min，10s；高速1500rpm/min，40s,旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，放入马弗炉中450℃(升温速度3℃/min)，保温2h后，降温(速度2℃/min)至室温。
进一步地，所述制备得到的致密二氧化钛薄膜的厚度为25-300nm。
进一步地，所述步骤(5)中，制备得到的金属电极，厚度约为100-200nm。
与现有技术相比，本发明在制备过程中通过热基底喷涂法制备有机-无机杂化钙钛矿薄膜，不要求严苛的气体环境，降低了制备条件；制得的有机-无机杂化钙钛矿薄膜致密，晶粒尺寸可超过500nm，制得的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换效率超过12％，有效的提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池实施例一的特征曲线示意图；
图2为本发明所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池实施例一的光电转换效率示意图；
图3为本发明所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池实施例二的莫氏-肖特基曲线示意图；
图4为本发明所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池实施例二的光电转换效率示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合实施例和附图对本发明做出进一步的解释和说明。
实施例一、
请参阅图1-图3所示，本实施例涉及一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，具体实施步骤如下：
本实施例中制备有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，需要用到的材料包括：
碘化铅、甲胺溶液、氢碘酸、二甲基甲酰胺、甲醇、钛酸丁酯、乙酰丙酮、冰醋酸、无水乙醇、去离子水、锌粉、盐酸、FTO导电玻璃。
步骤一、将FTO导电玻璃，经过刻蚀和清洗，制备为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池导电电极；FTO导电玻璃刻蚀，配制体积比为1:1盐酸和水的溶液，搅拌均匀后备用。
具体方法如下：将FTO导电玻璃切成1.6cm×1.6cm的小块，注意边缘平整。先用清洁剂清洗FTO，以除去表面的较大污渍，去离子水冲洗干净。随后在去离子水中浸泡，超声20min，放入鼓风干燥箱中70℃干燥。干燥好的FTO玻璃衬底，用耐酸碱的胶带，将需保留的FTO导电部分粘住，然后在在未贴胶带的部分，均匀地撒上一层锌粉。将事先配置好的溶液，用胶头滴管缓慢滴加到，覆盖有锌粉的部分。等反应结束，大约一分钟后，用大量去离子水冲洗表面，以去除表面的酸。用万用表测量刻蚀的地方，当电阻大于200Mohm时，则刻蚀成功，FTO导电玻璃清洗，首先使用清洁剂清洗，以去除FTO表面残留的污渍。然后用去离子水反复冲洗。再分别用异丙醇、丙酮和酒精，在加热50℃下超声各10分钟。把清洗好的FTO放到真空干燥箱中60℃干燥备用。
步骤二、配制二氧化钛溶胶，以旋涂法，低速旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，经过马沸炉升降温处理后制成致密二氧化钛薄膜；
具体方法如下：将配制好的二氧化钛溶胶以低速500rpm/min，10s；高速1500rpm/min，40s,旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，放入马弗炉中450℃(升温速度3℃/min)，保温2h后，降温(速度2℃/min)至室温；
步骤三、通过在步骤二制备的致密二氧化钛薄膜表面上，通过喷涂法喷涂混合有阳离子的DMF前驱液，得到水热氧化钛薄膜；
具体方法如下：配制质量分数为40％的CH3NH3PbI3,的DMF前驱液:称取质量为0.395g的CH3NH3I和1.157g的PbI放入棕色小瓶中，溶于2mL的DMF溶剂中。将配制好的溶液，油浴60℃下搅拌12小时后，过滤待用，通过喷涂法喷涂混合有阳离子的DMF前驱液在致密二氧化钛薄膜表面上；
步骤四、在步骤三制备的水热氧化钛薄膜表面需要制备一层空穴传输层；
步骤五、制备金属电极：通过热蒸镀一层金电极到钙钛矿的表面，得到有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。
所制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸为500nm，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池光转换效率为11.70％，在70天后，测试的光电转换效率为11.22％。
实施例二、
请参阅图3-4所示，本实施例涉及一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，具体实施步骤如下：
本实施例中制备有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，需要用到的材料包括：
碘化铅、甲胺溶液、氢碘酸、二甲基甲酰胺、甲醇、钛酸丁酯、乙酰丙酮、冰醋酸、无水乙醇、去离子水、锌粉、盐酸、FTO导电玻璃。
步骤一、将FTO导电玻璃，经过刻蚀和清洗，制备为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池导电电极；FTO导电玻璃刻蚀，配制体积比为1:1盐酸和水的溶液，搅拌均匀后备用。
具体方法如下：将FTO导电玻璃切成1.6cm×1.6cm的小块，注意边缘平整。先用清洁剂清洗FTO，以除去表面的较大污渍，去离子水冲洗干净。随后在去离子水中浸泡，超声20min，放入鼓风干燥箱中70℃干燥。干燥好的FTO玻璃衬底，用耐酸碱的胶带，将需保留的FTO导电部分粘住，然后在在未贴胶带的部分，均匀地撒上一层锌粉。将事先配置好的溶液，用胶头滴管缓慢滴加到，覆盖有锌粉的部分。等反应结束，大约一分钟后，用大量去离子水冲洗表面，以去除表面的酸。用万用表测量刻蚀的地方，当电阻大于200Mohm时，则刻蚀成功，FTO导电玻璃清洗，首先使用清洁剂清洗，以去除FTO表面残留的污渍。然后用去离子水反复冲洗。再分别用异丙醇、丙酮和酒精，在加热50℃下超声各10分钟。把清洗好的FTO放到真空干燥箱中60℃干燥备用。
步骤二、配制二氧化钛溶胶，以旋涂法，低速旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，经过马沸炉升降温处理后制成致密二氧化钛薄膜；
具体方法如下：将配制好的二氧化钛溶胶以低速500rpm/min，10s；高速1500rpm/min，40s,旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，放入马弗炉中450℃(升温速度3℃/min)，保温2h后，降温(速度2℃/min)至室温；
步骤三、通过在步骤二制备的致密二氧化钛薄膜表面上，通过喷涂法喷涂混合有阳离子的DMF前驱液，得到水热氧化钛薄膜；
具体方法如下：配制质量分数为45％的CH3NH3PbI3,的DMF前驱液:称取质量为0.245g的CH3NH3I和1.185g的PbI放入棕色小瓶中，溶于5mL的DMF溶剂中。将配制好的溶液，油浴60℃下搅拌12小时后，过滤待用，通过喷涂法喷涂混合有阳离子的DMF前驱液在致密二氧化钛薄膜表面上；
步骤四、在步骤三制备的水热氧化钛薄膜表面需要制备一层空穴传输层；
步骤五、制备金属电极：通过热蒸镀一层金电极到钙钛矿的表面，得到有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。
所制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸为450nm，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池光转换效率为12.50％，在70天后，测试的光电转换效率为10.24％。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电池制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃，经过刻蚀和清洗，制备为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池导电电极；
(2)配制二氧化钛溶胶，以旋涂法，低速旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，经过马沸炉升降温处理后制成致密二氧化钛薄膜；
(3)通过在步骤(2)制备的致密二氧化钛薄膜表面上，通过喷涂法喷涂混合有阳离子的DMF前驱液，得到水热氧化钛薄膜；
(4)在步骤(3)制备的水热氧化钛薄膜表面需要制备一层空穴传输层；
(5)制备金属电极：通过热蒸镀一层金电极到钙钛矿的表面，得到有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(1)中，FTO导电玻璃清洗，首先采用清洁剂清洗，以去除FTO表面残留的污渍，然后用去离子水反复冲洗。
3.根据权利要求1所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述制备致密二氧化钛薄膜采用到的二氧化钛溶胶由TiO2、SnO2制备所得。
4.根据权利要求1所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(2)二氧化钛薄膜制备方法是，将配制好的二氧化钛溶胶以低速500rpm/min，10s；高速1500rpm/min，40s,旋涂在臭氧处理过的洁净FTO衬底上，放入马弗炉中450℃(升温速度3℃/min)，保温2h后，降温(速度2℃/min)至室温。
5.根据权利要求1所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述制备得到的致密二氧化钛薄膜的厚度为25-300nm。
6.根据权利要求1所述的一种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述步骤(5)中，制备得到的的金属电极，厚度约为100-200nm。
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