一種穩定的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種穩定的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能 電池領域。
【背景技術】
[0002] 未來社會的持續發展將依賴豐富、便宜、環保的可再生能源。目前世界上使用的能 源85%以上來自化石能源，它們帶來了嚴重的污染環境和氣溫變暖等問題。因此開發可再 生的新型能源取代傳統的化石能源具有重要意義。隨著全球經濟發展，人類對能源需求量 越來越多，科學家預計人類在2050年能源需求將高達15太瓦額能量。太陽能取之不盡，用 之不竭。通過源源不斷的太陽能產生電力提供能源是替代化石燃料的最佳方式。現在占主 導地位的商業化硅太陽能電池制備工藝復雜，生產成本高，能源回收周期長，阻礙了其廣泛 應用。發展廉價、大面積、制備工藝簡單的新型太陽能電池迫在眉睫。
[0003] 近年發展的有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有光學性能好、迀移率高、載流子擴散 距離長等特點，可以作為一個理想的光伏材料而成功地被應用到太陽能電池，并得到了 急速的發展，其能量轉換效率從最初的3%提升到了目前的20%左右（J.Am.Chem.Soc.， 2009，131，6050 ;Nature，2013,499,316 ;Nature，2013,501，395 ;2014,345,542 ;Science， 2014, 344,458)。而且，該類型太陽能電池可低溫制備，兼容柔性襯底，可以實現低成本、高 效率的卷對卷（roll-to-roll)生產工藝，成為新一代最具潛力的光伏器件，已引起太陽能 電池研究領域的廣泛關注，表現出巨大應用前景，并有可能從根本上推進太陽能電池的廣 泛應用，為可再生清潔能源的發展和環境保護做出重要貢獻。
[0004] 但是鈣鈦礦太陽能電池（特別是平面異質結鈣鈦礦太陽能電池）面臨的一個嚴重 問題就是穩定性。鈣鈦礦材料遇到水極易分解，在空氣中暴露一段時間后器件的性能會明 顯下降。尤其是在高濕度（> 45RH% )的環境中，通常在24小時之內效率就會衰減超過 50%以上。因此，尋求一種高效、簡潔、低成本地制備穩定的鈣鈦礦太陽能電池的方法，將對 鈣鈦礦太陽能電池發展及應用至關重要。在發明人前期發明的新型二氧化鈦納米晶（Ti02) 合成方法及其在聚合物太陽能電池中應用的基礎上（CN104103761A;CN103466696A)，本發 明進一步將該二氧化鈦納米晶應用于平面異質結鈣鈦礦太陽能電池，顯著改善鈣鈦礦太陽 能電池器件的穩定性，并具有良好的應用前景。
【發明內容】
[0005] 本發明針對現有技術中平面異質結鈣鈦礦太陽能電池性能穩定性差、衰減速度快 等問題，提出一種結構簡單、器件性能穩定的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
[0006] 本發明提供了一種穩定的平面異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池，在低層透明陽極 電極和頂層陰極電極層之間夾有鈣鈦礦平面異質結，所述鈣鈦礦平面異質結有三層，從下 到上依次為空穴傳輸層、鈣鈦礦活性層和電子傳輸層；并且電子傳輸層和陰極電極層中間 有一層二氧化鈦納米晶薄膜層；
[0007] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池底層電極包括氟摻雜的氧化錫 (FT0)、銦摻雜的氧化錫（ΙΤ0)、石墨烯、碳納米管層或銀納米線。
[0008] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸層包括PEDOT:PSS，P3HT， PCDTBT，PTB7,M〇0X，grapheneoxide，NiOx，W03,V205,Spiro-MeOTAD，薄膜層厚度在 30 納米 至lj120納米之間。
[0009] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池鈣鈦礦活性層為CH3NH3Pb13， CH3NH3PbIxBr3x，CH3NH3PbIxCl3x，根據溶液配制方式的不同，X取值在1到3之間，薄膜層厚 度在200納米到600納米之間。
[0010] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層包括PC6QBM，PC7QBM， ICBA，C6。以及其它富勒烯衍生物，薄膜層厚度在30納米到120納米之間。
[0011] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池二氧化鈦納米晶是一種交聯體系，具 有良好的熱穩定性，形成的納米晶薄膜層厚度為5納米到50納米，可以有效阻擋氧和水氣 的穿過。
[0012] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池二氧化鈦納米晶薄膜層通過溶液法 沉積制備，低溫（低于150度）退火處理。
[0013] 本發明所述的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池頂層電極包括鋁、銀、金、ΙΤ0、石墨 烯、碳納米管。
[0014] 有益效果
[0015] 與常規未添加所述二氧化鈦納米晶薄膜層的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池相比， 本發明提供的方法制備的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池的穩定性得到了顯著改善，在空 氣中放置200小時后依然保持有原始光電轉換效率的75%以上。
【附圖說明】
[0016] 【圖1】插入1102納米晶薄膜層形成穩定的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池結構示意 圖
[0017] 【圖2】含有Ti02納米晶薄膜層和沒有TiO2納米晶薄膜層的鈣鈦礦太陽能電池器 件在空氣中暴露后的光電轉換效率的衰減曲線圖
【具體實施方式】 [0018] 與實施例
[0019] 以下實施方式和實施例是對本
【發明內容】
的進一步說明，而不是限制本發明的保護 范圍。
[0020] 實施例1
[0021] 本實施例使用圖案化的商業ΙΤ0基底。將該ΙΤ0基底分別用丙酮、洗滌劑、去離子 水和異丙醇分別超聲清洗15分鐘，然后在熱風下干燥，最后在紫外-臭氧機（UV-Ozone)里 面處理15分鐘。整個過程清潔基底表面，并且提高基底功函數。
[0022] 在處理的ΙΤ0基底上以3000rpm速度旋涂PEDOT:PSS材料形成50nm的空穴傳輸 層，并于150度熱臺上退火15分鐘。然后轉移到手套箱中，以5000rpm速度旋涂先期配好 的35wt%CH3NH3PbI3溶液（將CH3NH3I和Pbl^DMF溶劑中以1 : 1混合配置成溶液，然 后在室溫下攪拌24小時，得到CH3NH3PbI3溶液）。旋涂過程中先低速旋涂，待旋涂儀從加速 向勻速旋轉時，在薄膜表面滴入少量氯苯，隨后將樣品放在100度熱臺上退火10分鐘，形成 290nm厚的均勻CH3NH3PbI3鈣鈦礦活性層。隨后冷卻到室溫，將溶于無水氯苯中的15mg/ml的PCBM溶液以3000rpm速度旋涂到鈣鈦礦活性層上，100度退火10分鐘，形成50nm厚的 PCBM電子傳輸層。然后，將基于發明人前期發明方法（CN104103761A)合成的二氧化鈦納米 晶溶液以2500rpm速度旋涂到PCBM電子傳輸層上面，形成20nm二氧化鈦納米晶薄膜層，在 100度熱臺上處理15分鐘。最后轉移到真空蒸鍍儀，在4X10 4Pa的真空環境下蒸鍍100nm 鋁頂電極，完成整個鈣鈦礦太陽能電池的制備。本發明專利含有二氧化鈦納米晶薄膜層的 平面異質結鈣鈦礦太陽能電池器件的基本結構如圖1。
[0023] 對制備的CH3NH3PbI3鈣鈦礦太陽能電池進行測試，含有二氧化鈦納米晶薄膜層的 太陽能電池，基于12個器件的平均開路電壓為0. 96V，短路電流為18. 28mA/cm2,填充因子 為69%，光電轉換效率12. 04%。而不含二氧化鈦納米晶薄膜層的參考電池的平均開路 電壓為0. 92V，短路電流為18. 49mA/cm2,填