一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法與流程

本發明涉及太陽能電池技術領域，特別涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術：

能源的供給以及環境影響成為了21世紀以來人類所面臨的最大的挑戰之一，可再生資源的有效利用是能源可持續發展的必由之路。隨著太陽能電池價格的下降，越來越多的研究者躋身光伏行列。有機、無機、雜化鈣鈦礦材料在光電材料、激光、發光器件以及光電探測器等領域顯示出優秀的性能引起了國內外的廣泛關注與深入研究。其優點十分突出：1.優異的光吸收性能；2.載流子擴散長度長；3.載流子壽命長；4.激子結合能小。鈣鈦礦太陽能電池是一種使用鈣鈦礦類材料作為光吸收層的新型有機無機雜化的光伏體系，相比與其它種類的太陽能電池其光電轉化效率高，制備工藝簡單易行，原材料豐富，商業化前景好而且其效率在6年中，光轉化效率已經從一開始的3.8%漲到了22.%。制備好的鈣鈦礦薄膜的結晶度高、缺陷少，同時又具有其本身的特性，有望成為下一代的商用太陽能電池。現有的鈣鈦礦太陽能電池由于采用了tio2致密層，導致了其與鈣鈦礦之間存在著大量的缺陷不利于完整晶粒的形成，同時由于鈣鈦礦材料在大氣環境下容易遇水分解成pbi2和ch3nh3i導致了器件的不穩定，因此鈣鈦礦電池的制備都是在手套箱中制備，而且對水含量有著嚴格的要求，嚴重限制了鈣鈦礦電池在空氣中的正常使用，從而限制了該類太陽能電池的商業化應用。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術中鈣鈦礦電池在商業化應用中較難實現的技術問題，提供一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種鈣鈦礦太陽能電池，包括導電玻璃基底、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層，空穴傳輸層和金屬電極，從所述導電玻璃基底開始由下往上依次設置為所述電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層，空穴傳輸層和金屬電極，所述電子傳輸層為tio2層，所述鈣鈦礦光吸收層的材料為添加有聚乙烯醇的鈣鈦礦材料。

作為本發明的一個優選的實施例，所述導電玻璃基底為fto導電玻璃，所述空穴傳輸層為spiro-ometad，所述金屬電極為au。

根據本發明的另一個方面，本發明提供一種鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括：

（1）用洗衣粉、水、丙酮、乙醇對導電玻璃基底超聲清洗后，用氮氣吹干，并進行10min氧等離子處理；

（2）采用ticl4水溶液浸泡的方法制備電子傳輸層，并在70℃下恒溫1h，再用水和乙醇依次清洗并用氮氣吹干，再將其放入100℃烘箱中保溫1h；

（3）采用一步旋涂法將鈣鈦礦前驅液旋涂至電子傳輸層上，然后在100℃下退火5min，得到鈣鈦礦光吸收層；

（4）采用旋涂法將空穴傳輸層溶液旋涂在所述鈣鈦礦光吸收層上，得到空穴傳輸層；

（5）采用真空蒸鍍法將金屬電極蒸鍍在所述空穴傳輸層上，最終得到鈣鈦礦太陽能電池。

作為本發明的一個優選的實施例，步驟（2）中所述ticl4水溶液即為有機鈦前驅體溶液，其制備過程為：將2.3ml的ticl4溶于100ml的水中并攪拌均勻后既得。

作為本發明的一個優選的實施例，所述100ml的水由40ml冰和60ml水構成。

作為本發明的一個優選的實施例，步驟（3）中所述鈣鈦礦前驅液的濃度為1.2moll^-1；添加的pva的量為0mgml^-1、2mgml^-1、3mgml^-1、5mgml^-1；溶劑為n，n-二甲基甲酰胺：二甲基亞砜=4：6；溶液配置方法：預先將要加入的pva溶解在70℃的混合溶劑中，待其自然降溫到室溫后加入0.191g的ch3nh3i和0.553g的pbi2；旋涂工藝為低速1000r旋涂20s，高速6000r旋涂55s，其中，當高速旋涂25s后，500μl的氯苯需快速的滴加在基片上。

作為本發明的一個優選的實施例，步驟（3）中所述鈣鈦礦光吸收層的厚度為450nm。

作為本發明的一個優選的實施例，步驟（4）中所述空穴傳輸層溶液的配置過程為：將72.3mg的spiro-ometad、28.8μl的4-一叔丁基吡啶、17.5μl的濃度為520mgml-1的雙三氟甲烷磺酞亞胺鋰乙睛溶液溶于1ml的氯苯溶液中攪拌4h；所述旋涂工藝為：高速5000r旋涂30s。

作為本發明的一個優選的實施例，步驟（5）中所述金屬電極為au，所述蒸鍍條件為：氣壓為1.0^-5pa，蒸鍍速率為0.1am/s，所述金屬電極厚度為80nm；所述鈣鈦礦太陽能電池的面積為0.07cm²。

本發明的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法的有益效果是，1.本發明在制備鈣鈦礦吸光層過程中，采用預溶解先讓pva溶解后再配制鈣鈦礦溶液，當旋涂成膜退火過程后，鈣鈦礦晶粒團聚的體積變得更大，原來分散的較小的晶粒變得更加緊密連成一片，有效的減少了薄膜的空隙，改善了薄膜的形貌，同時薄膜的紫外吸收變強，從而提高了器件的光電轉換效率；2.本發明在制備成的器件在相對濕度為85-85%的環境下放置一個月后最高仍然保持了95%以上的效率，為鈣鈦礦太陽能電池的能夠在高濕度環境下應用提供了基礎；本發明采用的鈣鈦礦太陽能電池制備方法簡單，效率高，成本低，穩定性好，有利于實現在濕度高的區域的工業化大生產，且得到的太陽能電池的性能有較大提高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中：

圖1為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖；

圖2為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦光吸收層的形貌圖；

圖3為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦光吸收層的截面形貌圖；

圖4為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池與未改性電池在標準測試條件下的j-v曲線對比圖；

圖5為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池與未改性電池穩定性效率對比圖；

圖6為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦薄膜與未改性鈣鈦礦薄膜變化對比圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。

本發明所述的一種鈣鈦礦太陽能電池，包括：基底、電極材料和凝膠狀電解質。為了便于理解，現結合實施例介紹：

此處所稱的“一個實施例”或“實施例”是指可包含于本發明至少一個實現方式中的特定特征、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的“在一個實施例中”并非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。

請參閱圖1，圖1為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖。如圖1所示，本發明提供的鈣鈦礦太陽能電池，包括導電玻璃基底101、電子傳輸層102、鈣鈦礦光吸收層103，空穴傳輸層104和金屬電極105，從所述導電玻璃基底101開始由下往上依次設置為所述電子傳輸層102、鈣鈦礦光吸收層103，空穴傳輸層104和金屬電極105，所述電子傳輸層102為tio2層，所述鈣鈦礦光吸收層103的材料為添加有聚乙烯醇的鈣鈦礦材料，其中，鈣鈦礦光吸收層103可以為添加不同量pva的ch3nh3pbi3層，所述導電玻璃基底101為fto導電玻璃，所述空穴傳輸層104為spiro-ometad，所述金屬電極105為au。

本發明還提供上述結構的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，下面通過實施例1和實施例2來介紹：

實施例1

步驟1：導電玻璃基底的準備：將fto透明導電玻璃按順序分別在洗衣粉、去離子水、丙酮和無水乙醇中各超聲清洗20分鐘，在氮氣吹干后對fto透明導電玻璃進行氧等離子體處理10分鐘。

步驟2：電子傳輸層的制備：采用高濃度的ticl4（200mm）水溶液浸泡的方法制備tio2致密層，并在70℃恒溫1h，依次用水和乙醇依次清洗并用氮氣吹干并與100℃中保溫1h，自然冷卻至室溫得到tio2致密層，其中ticl4水溶液的配制方法為：將2.3ml的ticl4溶于100ml的水中并攪拌均勻后既得。其中，步驟2中的關鍵是ticl4水溶液的配制及浸泡后的處理過程，該步驟對tio2致密層性能的調控能力特別突出，有利于改善該層的電子傳輸性能，對器件的光電轉化效率有非常明顯的改善作用。

步驟3：鈣鈦礦吸光層的制備：采用一步旋涂法將鈣鈦礦前驅液旋涂至tio2致密層上，然后在100℃下退火5min，得到鈣鈦礦光吸收層，在該步驟中鈣鈦礦層的結晶行以及厚度對器件的光電轉化效率有著更為重要的影響，本步驟通過采取最佳的pva添加量（2mgml^-1）配制鈣鈦礦前驅液，同時采用最佳的濃度（1.2moll^-1），最佳的溶劑n，n-二甲基甲酰胺（dmf）：二甲基亞砜（dmso）=4：6，最佳的旋涂工藝：高速6000r旋涂55s，當高速旋涂25s后500μl的氯苯要快速的滴加在基片上，獲得的鈣鈦礦薄膜層的厚度大約在450nm左右，最終得到了性能優越的鈣鈦礦吸光層。

步驟4：空穴傳輸層的制備：空穴傳輸層是光激發產生空穴的傳輸通道，同時可以阻擋電子進入此層，降低電子和空穴的復合機率，提高太陽能電池的光電轉換效率。本步驟采取旋涂法旋涂空穴傳輸層。其中，所述空穴傳輸層旋涂的最佳轉速為：高速5000r旋涂30s，空穴傳輸層溶液的配置過程為：將72.3mg的spiro-ometad、28.8μl的4-一叔丁基吡啶、17.5μl的濃度為520mgml^-1雙三氟甲烷磺酞亞胺鋰乙睛溶液溶于1ml的氯苯溶液中攪拌4h。

步驟5：金屬電極的制備：本發明采用金作為鈣鈦礦太陽能電池的金屬電極,可以有效地收集空穴并使其高效地傳輸至外電路。同時金可以降低向空穴傳輸層的擴散。本步驟通過真空蒸鍍法的進行金電極的制備，蒸鍍條件為：氣壓為1.0^-5pa，蒸鍍速率為0.1am/s，金屬電極厚度為：80nm；電池的面積為0.07cm²。

實施例2

本實施例與實施例1的區別為：步驟3中前驅液中所添加的pva的含量為3mgml^-1，其余步驟與實施例1相同。

對比例1

本對比例與實施例1的區別為：步驟3中前驅液中沒有添加pva，其余步驟與實施例1相同。

在上述兩個實施例及一個對比例中的步驟3可以進行鈣鈦礦光吸收層的對比，具體請參閱圖2和圖3，圖2為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦光吸收層的形貌圖；圖3為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦光吸收層的截面形貌圖。如圖2所示，其為通過一步旋涂工藝制備的鈣鈦礦吸光層的形貌。如圖3所示，其為通過一步旋涂工藝制備的鈣鈦礦吸光層截面的形貌。通過上述兩個圖，可知，在本步驟中，采用添加pva的鈣鈦礦及一步旋涂法可以有效控制光吸收層的厚度進而提升光吸收層的光電性能。

性能表征：請參閱圖4，圖4為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池與未改性電池在標準測試條件下的j-v曲線對比圖。如圖4所示，實施例1中，在標準測試條件下（am1.5g光照），本實驗條件下所制備的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率達到17.4%，填充因子為0.747，開路電壓為1.02v，短路電流為22.76macm^-2。

穩定性的研究：請參閱圖5和圖6，圖5為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池與未改性電池穩定性效率對比圖；圖6為本發明中的一種鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦薄膜與未改性鈣鈦礦薄膜變化對比圖。如圖5和圖6所示，將實施例1和2與對比例1放在同一個較高濕度環境下（85-95%），放置一個月并比較他們的光電轉換效率。一個月后實施例1和2都保持了其原來90%以上的效率，而對比例1在5天后就已經全部分解掉了。

綜上所述，本發明中鈣鈦礦太陽能電池，通過在前驅液中添加適量的pva，有效的改善了薄膜的形貌，增加了薄膜的覆蓋率，提高電池光電轉換效率和穩定性，構成一種耐高濕度的鈣鈦礦太陽能電池。

以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。