一種鈣鈦礦型太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于染料敏化太陽能電池領域，具體涉及一種鈣鈦礦型太陽能電池及其制 備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著石油、煤、天然氣等化石能源的大量使用，溫室氣體和燃料廢氣的排放引發溫 室效應、酸雨等環境問題對人類自身生存造成了嚴重威脅。石油、天然氣和煤炭三大化石能 源的儲量供人類使用的期限也非常有限。因此，人們越來越重視環境友好可再生能源技術 的研發，而太陽能是資源量最大、分布最為廣泛的綠色可再生能源。
[0003] 光伏發電是利用太陽能的最主要方式。1954年，貝爾實驗室研發出第一塊硅摻雜 硅太陽能電池，效率達6%，從此開啟了硅太陽能電池的時代。時至今日，硅太陽能電池仍然 占據著光伏行業的絕對地位。光伏技術已經發展了幾十年的時間，但是目前人類對光伏技 術的有效利用還非常有限，其中一個非常重要的原因就是傳統的無機硅太陽能電池成本過 高。例如，硅太陽能電池的成本約為$2/W，明顯高于$0. 1/W的化石能源成本。因此我們需 要尋找一種新型的低成本太陽能電池來替代硅太陽能電池.
[0004] 針對現階段硅系太陽能電池的成本問題，從上世紀九十年代開始，一種新型的有 機一無機復合的太陽能電池一染料敏化太陽能電池以其成本低廉，制備簡便的特點引起了 人們的廣泛關注。它也被認為是一種很有前途的利用太陽能的技術。
[0005] 1991年，瑞士洛桑高等工業學院科學家Gratzel教授在該研究領域取得了突 破性進展，他用高比表面積的納米多孔Ti02代替傳統的平板電極引入到染料敏化太 陽能電池的研究當中，轉換效率大大提高，達到7%。（ Gritzel等，美國專利，公開號， W09116719A-310ctl991 ;Gritz被等，美國專利，公開號，US005350644A-27S印 1994)。目前單 結結構和疊層結構的染料敏化太陽能電池分別得到了 11. 18%和15. 09%的光電轉換效率 (Progress In Photovoltaics:Research And Applications, 2006. V. 14. 429-442,Applied Physics Letters, 2006. V. 88. 203103-1-3)。鈣鈦礦型有機一無機復合物 CH3NH3PbI3 及其 衍生物，具有高的摩爾吸光系數和較寬的光譜吸收范圍，被用于替代染料敏化太陽能電池 中的傳統染料。
[0006] 采用空穴傳輸材料替代了液態碘電解質，解決了電解質對敏化劑腐蝕的問題。空 穴傳輸材料具有較低的L0M0能級，能夠有效提高電池的開路電壓，常用的空穴傳輸材料有 spiro-MeOTAD，PTAA等。經過短短3年的發展，鈣鈦礦電池的性能有了突飛猛進的進展。 目前，在材料研究學會會議上，美國加州大學洛杉磯分校材料學家Yang Yang報告稱，他的 團隊已經制造出效率為19. 3%的太陽能電池。Yang并未提供關于其團隊制造電池的細節。 不過他表示，其團隊專注于對鈣鈦礦晶體缺陷的技術改善，以及設備中不同材料層之間接 口的改進。韓國成均館大學化學家Nam-Gyu Park表示，這些缺陷和界面問題通常會影響電 荷，阻止其到達電極。對晶體增加方式的改進令Park的團隊所研制的鈣鈦礦太陽能電池的 效率達到了 17. 01%。
[0007] 鈣鈦礦太陽能電池分為納米多孔載體層和異質結太陽能電池，納米多孔載體層具 備能吸附更多的鈣鈦礦，可濕法制備等優點，目前最高效率的鈣鈦礦太陽能電池也是納米 多孔載體層太陽能電池。
[0008] 目前多孔載體層又能分為兩類，一類是不具備電子傳輸功能的光陽極，如A1203，這 類載體材料由于不能傳電子，需要和有著良好電子傳輸能力的摻氯的鈣鈦礦相匹配，但是 摻氯鈣鈦礦的吸光特性沒有全碘的鈣鈦礦好；一類是具有電子傳輸功能的Ti02納米多孔載 體層，但這類載體層Ti02和鈣鈦礦的界面存在很多問題：Ti02有表面缺陷會形成電子陷阱， 并且其表面的羥基會腐蝕鈣鈦礦，而且Ti02本身就有一定的光催化作用。
[0009] 目前在Ti02和鈣鈦礦界面的修飾有Sb2S3和Y20 3兩種，但是這兩種方法也存在一 些問題：Sb2S3有毒性，會對環境造成污染；Υ203需要500攝氏度的制備溫度，并且Υ 203的成 本比較高。因此在本專利中，我們使用了幾種無毒、低成本且制備工藝簡單的修飾劑對二氧 化鈦-鈣鈦礦界面進行了修飾。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種鈣鈦礦型太陽能電池及其制備方法。
[0011] 本發明所提供的鈣鈦礦型太陽能電池，自下而上依次包括：由Ti02致密膜層和 Ti〇2多孔膜層組成的光陽極、位于所述光陽極的Ti02多孔膜層上的界面修飾材料層、鈣鈦 礦型染料敏化層、空穴傳輸層和對電極。
[0012] 所述f丐鈦礦型太陽能電池結構中，所述Ti02致密膜層的厚度為40nm-60nm。
[0013] 所述Ti02多孔膜層的厚度為400-500nm，Ti02顆粒的粒徑在20nm左右，Ti0 2多孔 膜的孔隙率為50% -60%，孔徑為20nm-50nm。
[0014] 所述界面修飾材料選自下述至少一種Mg0、Al203和Cs 2C03。
[0015] 所述界面修飾材料層的厚度為5nm-10nm。
[0016] 所述鈣鈦礦型染料敏化層由鈣鈦礦型敏化染料制成；所述鈣鈦礦型敏化染料具體 可為CH3NH3PbI3 ;所述鈣鈦礦型染料敏化層的厚度為180nm-220nm。
[0017] 所述空穴傳輸層的厚度為80nm-120nm。
[0018] 所述空穴傳輸層的材料具體可為spiro-OMeTAD與雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰的混合 物。
[0019] 所述對電極的厚度為55nm-65nm。所述對電極的材料具體可為金。
[0020] 本發明所提供的鈣鈦礦型太陽能電池是按照包括下述步驟的方法制備得到的：
[0021] 1)制備由Ti02致密膜層和Ti02多孔膜層組成的光陽極；
[0022] 2)在所述光陽極的Ti02多孔膜層上制備界面修飾材料層：
[0023] a)當所述界面修飾材料為MgO時，所述界面修飾材料層是按照包括下述步驟的方 法制備得到的：將MgO前驅體分散于溶劑中，得到MgO前驅體的溶液；然后將所述MgO前驅 體的溶液滴加到所述Ti02多孔膜上，勻膠后燒結，得到在所述Ti02多孔膜層上的界面修飾 材料層；
[0024] b)當所述界面修飾材料為A1203時，所述界面修飾材料層是按照包括下述步驟的 方法制備得到的：將A1203前驅體分散于溶劑中，得到A120 3前驅體的溶液；然后將所述A1203前驅體的溶液滴加到所述Ti02多孔膜上，勻膠后燒結，得到在所述Ti02多孔膜層上的界面 修飾材料層；
[0025] c)當所述界面修飾材料為Cs2C03時，所述界面修飾材料層是按照包括下述步驟的 方法制備得到的：將碳酸銫顆粒分散于溶劑中，得到碳酸銫溶液；將所述碳酸銫溶液滴加 到所述Ti02多孔膜上，勻膠后燒結，得到在所述Ti02多孔膜層上的界面修飾材料層；
[0026] 3)在所述界面修飾材料層上制備鈣鈦礦型染料敏化層；
[0027] 4)在所述鈣鈦礦型染料敏化層上制備空穴傳輸層；
[0028] 5)在所述空穴傳輸層上制備對電極，得到所述鈣鈦礦型太陽能電池。
[0029] 上述方法步驟1)中，所述Ti02致密膜層按照現有方法進行制備，如參照文 獻：Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding9 %, H. S. Kim, C. R. Lee, J. H. Im, K. B. Lee, T. Moehl, A. Marchioro, S. J. Moon, R. Humphry-Baker, J. H. Yum, J. E. Moser, M. Gratzel and N.G. Park, Scientific Reports, 2012, 2, 591.中提供的方法進行制備；得到的 Ti02致密膜層的厚度為40nm-60nm。
[0030] 所述Ti02多孔膜層按照現有方法進行制備，如參照文獻：Sequential deposition as a route to high-performanceperovskite-sensitized solar cells, J. Burschka, N. Pellet, S. Moon, R. H.