一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。電池從下至上由FTO導電玻璃、氧化鈦致密層、氧化鈦介孔層、甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層、碳對電極和疏水防護層組成。其中，甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層材料具有三維非層狀鈣鈦礦晶體結構；疏水防護層采用具有疏水性質的聚四氟乙烯材料。本發明采用無毒的二價銅離子取代有毒鉛離子制備出甲胺鹵化銅作為吸光材料，具有合適的禁帶寬度以及在可見光范圍較好的光吸收；此外，以聚四氟乙烯作為疏水防護層可以大大提高器件的濕度穩定性。
【專利說明】
一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域。
【背景技術】
[0002]鈣鈦礦太陽能電池自2009年首次以3.8%的光電轉化效率出現后，其效率在隨后短短五年里以前所未有的速度不斷攀升。截止2016年6月26日由美國國家可再生能源實驗室認證的鈣鈦礦太陽能電池的最高效率達到22.1%ο鈣鈦礦型太陽能電池是以具有鈣鈦礦晶體結構的有機無機雜化金屬鹵化物AMX3 (A—般是CH3NH3+、HC(NH2) 2+等，M—般是Pb2+、Sn2+等，X—般是Cl—等)為光吸收層的一類新型太陽能電池。
[0003]目前，鈣鈦礦型太陽能電池要實現大規模商業化生產還面臨著以下兩個方面的技術不足:第一，目前廣泛采用的鈣鈦礦吸光材料CH3NH3PbX3U—般是Cl—、Br—、I—等)中含有有毒可致癌重金屬鉛，一旦分解后會滲透到土壤中從而對環境和人類及動物健康造成極大的威脅;第二，金屬有機鹵化鉛CH3NH3PbX3對濕度敏感，一定的空氣濕度會使鈣鈦礦材料分解從而使器件性能急劇衰減，這將嚴重影響太陽能電池的使用壽命。因此，在替代有毒鉛的同時具備良好的濕度穩定性對于鈣鈦礦太陽能電池的商業化有著非常重要的意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術的不足而提供一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。為實現以上發明的目的，本發明采用以下技術方案:一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，從下至上由FTO導電玻璃、氧化鈦致密層、氧化鈦介孔層、甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層、碳對電極和疏水防護層組成;其中，所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層材料具有三維非層狀鈣鈦礦晶體結構。
[0005]其中，所述甲胺制七銅基鈣鈦礦吸光層為CH3NH3CuX3,X選自Br—、C1—、I—及其組合。
[0006]其中，所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層厚度為300-800nm。
[0007]其中，所述碳對電極的厚度為10_15μπι。
[0008]其中，所述疏水防護層采用具有疏水性質的聚四氟乙烯材料涂覆而成，可以有效的阻隔大氣中的水分，能夠大大的提高器件的濕度穩定性。
[0009]—種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0010](I)在清洗干凈的FTO透明導電玻璃上制備氧化鈦致密層并進行退火處理；
[0011](2)在氧化鈦致密層上采用絲網印刷或旋涂法制備氧化鈦介孔層并進行退火處理；
[0012](3)在氧化鈦介孔層上采用旋涂法制備甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層并進行退火處理；
[0013](4)采用絲網印刷的方式在甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層上制備碳對電極并進行退火處理；
[0014](5)在碳對電極上旋涂聚四氟乙烯溶液(氟系溶劑)，并于75°C干燥35min。
[0015]總體而言，按照本發明的上述技術構思與現有技術相比，主要具備以下的技術優占.V.
[0016](I)本發明采用無毒的二價銅離子取代了有毒的鉛離子制備出具備AMX3型三維立體鈣鈦礦晶體結構的甲胺鹵化銅作為吸光材料，同時該材料具有合適的禁帶寬度以及在可見光范圍較好的光吸收；
[0017](2)本發明將具有疏水防水性質的聚四氟乙烯作為疏水防護層涂覆在厚度為10-15μπι的碳對電極上，可以起到良好的防水作用，可以大大提高器件的濕度穩定性。
【附圖說明】
[0018]圖1是防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法的結構示意圖；
[0019]圖2是甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層材料的晶體結構示意圖；
[0020]圖3是本發明實施例的CH3NH3CuBr21吸光材料的J-V曲線；
[0021 ]圖4是本發明實施例的CH3NH3CuBr2I吸光材料的XRD譜圖；
[0022 ]圖5是本發明實施例的CH3NH3CuBr21吸光材料的UV-Vi s吸收光譜。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及具體實施例對本發明實施方法作進一步說明。
[0024]本發明提供的防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池從下至上由FTO導電玻璃、氧化鈦致密層、氧化鈦介孔層、甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層、碳對電極和疏水防護層組成。其中，所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層材料具有三維非層狀鈣鈦礦晶體結構;所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層為CH3NH3CuX3，X選自Br—、Cl—、I—及其組合;所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層厚度為300-800nm;所述碳對電極的厚度為10-15ym;所述疏水防護層采用具有疏水性質的聚四氟乙烯材料涂覆而成，可以有效的阻隔大氣中的水分，能夠大大的提高器件的濕度穩定性。
[0025]器件制備過程:
[0026](I)FTO透明導電玻璃預處理:將刻蝕好的FTO透明導電玻璃依次用去離子水、丙酮、乙醇分別超聲清洗15min，氮氣吹干，然后用紫外臭氧清洗機處理30min以除去殘留的有機物；
[0027](2)氧化鈦致密層制備:在預處理好的FTO透明導電玻璃上用旋涂法制備氧化鈦致密層(工藝參數為250(^.?.111，308)，并在500°(:進行退火處理(升溫速率為5°(:/1^11，保溫時間為60min)；
[0028](3)氧化鈦介孔層制備:將氧化鈦介孔漿料旋涂在氧化鈦致密層上(工藝參數為3500r.p.m,60s)，并在500°C進行退火處理(升溫速率為5°C/min,保溫時間為60min)；
[0029](4)甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層制備:在氧化鈦介孔層上將摩爾濃度為2.0M的CH3NH3CuBr2I溶液(DMF為溶劑)采用旋涂法制備甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層(工藝參數為2500r.p.m，60s)，并于70°C在熱臺上加熱60min，加熱結束后形成黑色的CH3NH3CuBr2I鈣鈦礦薄膜；
[0030](5)碳對電極的制備:采用絲網印刷的方式在甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層上印刷碳對電極，并于100°c在熱臺加熱30min;
[0031](6)疏水防護層制備:在碳對電極上旋涂(工藝參數為2500r.p.m，60s)聚四氟乙烯的氟系溶劑溶液，并于75°C在熱臺干燥35min，至此完成器件的全部制備過程，電池結構如圖1所述。
[0032]測試表征:
[0033]在lOOmW/cm2的AMl.5標準太陽光模擬器下，以0.25cm2的活性面積獲得了0.13%的光電轉化效率，其中，開路電壓νο^805πιν，短路電流Jsc為0.607mA/cm2，填充因子FF為
0.2614 (如圖3所述)；XRD譜圖(如圖4所述)表明:CH3NH3CuBr21具有立體鈣鈦礦晶體結構(如圖2所述)；UV-Vis吸收光譜(如圖5所述)表明:CH3NH3CuBr2I具有1.16eV的禁帶寬度及可見光范圍有著良好的光學吸收；聚四氟乙烯疏水防護層可以有效的阻隔空氣中的水分，延長電池在實際環境中的使用壽命。
[0034]綜上所述，以上僅為本發明的最佳實施例而已，凡是依本發明權利要求書和說明書所作的等效修改，均屬于本發明專利涵蓋的范圍。
【主權項】
1.一種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池，從下至上由FTO導電玻璃、氧化鈦致密層、氧化鈦介孔層、甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層、碳對電極和疏水防護層組成，其特征在于:所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層材料具有三維非層狀鈣鈦礦晶體結構。2.如權利要求1所述的防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層為CH3NH3CuX3，X選自Br-、Cl-、1-及其組合。3.如權利要求1所述的防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層厚度為300-800nm。4.如權利要求1所述的防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述碳對電極的厚度為 10-15μηι。5.如權利要求1所述的防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述疏水防護層采用具有疏水性質的聚四氟乙烯材料。6.—種防水式銅基鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)在清洗干凈的FTO透明導電玻璃上制備氧化鈦致密層并進行退火處理； (2)在氧化鈦致密層上采用絲網印刷或旋涂法制備氧化鈦介孔層并進行退火處理； (3)在氧化鈦介孔層上采用旋涂法制備甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層并進行退火處理； (4)采用絲網印刷的方式在甲胺鹵化銅基鈣鈦礦吸光層上制備碳對電極并進行退火處理； (5)在碳對電極上旋涂聚四氟乙烯溶液(氟系溶劑)，并于75°C干燥35min。
【文檔編號】H01L51/48GK105977385SQ201610514333
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】李小磊, 王金斌, 李勃超, 張陽, 苗瑩瑩, 鐘向麗, 蔣雙泉
【申請人】湘潭大學