本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，特別涉及一種基于高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
：當(dāng)今時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，伴隨著人口增長(zhǎng)和工業(yè)現(xiàn)代化，使人類對(duì)能源的需求不斷增加，大量化石能源的消耗又造成了能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題，而太陽(yáng)能作為可再生的清潔能源，收到人們的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能電池是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是目前快速發(fā)展的一種新型太陽(yáng)能電池，具有制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，效率高，可大面積化和柔性化等優(yōu)點(diǎn)。從2009年的3.9%的效率到目前已經(jīng)超過(guò)了22%，成為了研究的熱點(diǎn)。有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料是一種具有ABX3結(jié)構(gòu)的材料，具有高光吸收、高載流子遷移率、長(zhǎng)激子擴(kuò)散距離和低溫制備等優(yōu)點(diǎn)。目前的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池主要分為兩種結(jié)構(gòu)：一種是具有多孔骨架的介孔結(jié)構(gòu)，另一種是無(wú)多孔骨架的平面結(jié)構(gòu)。相比于平面結(jié)構(gòu)，介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池表現(xiàn)出較小的滯后效應(yīng)，主要是由于更加有效的電子結(jié)構(gòu)，光生載流子抽取分離效率更高，不易在界面形成電荷累積，造成電容效應(yīng)。而不管是平面還是介孔結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量才是決定器件性能高低的關(guān)鍵。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：基于解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用反溶劑處理的方式提高鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量，從而提高整個(gè)器件的光電轉(zhuǎn)化效率的基于高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池及制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池，該太陽(yáng)能電池包括襯底材料、透明電極、電子傳輸層、金屬骨架層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和對(duì)電極，其特征在于，所述鈣鈦礦吸光層為鈣鈦礦材料與多孔骨架通過(guò)反溶劑法形成異質(zhì)結(jié)。進(jìn)一步，所述襯底材料為玻璃或者柔性塑料；所述透明電極為銦錫氧化物、氟錫氧化物或鋁鋅氧化物，透光度>70%，面電阻<15歐姆，所述電子傳輸層為T(mén)iO2，ZnO或SnO。進(jìn)一步，所述多孔骨架為金屬氧化物，所屬金屬氧化物包括粒度為10-50nm的TiO2，ZnO，Al2O3漿料；所述多孔骨架為微孔互穿結(jié)構(gòu)，所述多孔骨架厚度為50-300nm。進(jìn)一步，所述鈣鈦礦材料為ABX3型，其中A=CH3NH3+、HC(NH2)2+，B=Pb、Sn，X=Cl、Br、I，厚度為100-400nm。進(jìn)一步，所述的空穴傳輸層選自有機(jī)材料Spiro-OMeTAD、P3HT和PTAA的一種或多種，選自無(wú)機(jī)材料CuI、CuSCN、Cu2O、NiOx和MoOx的一種或多種。進(jìn)一步：所述對(duì)電極為金屬電極或者導(dǎo)電碳材料電極。本發(fā)明另一目的是提供上述種基于高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟：步驟1：將一定質(zhì)量的鹵化鉛和/或鹵化錫溶于二甲基甲酰胺中，得到混合溶液；步驟2：配置甲基鹵化胺溶液：將一定量的CH3NH3I和CH3NH3Cl的混合物溶于的異丙醇溶液中，得到鹵化胺溶液，備用；步驟3：在襯底材料上制備透明電極，得到導(dǎo)電襯底；步驟4：在經(jīng)步驟3得到的導(dǎo)電襯底的表面上旋涂前驅(qū)液，在溫度為110-130℃烘烤6-8min后，放入馬弗爐中450-550℃燒結(jié)30-90min，獲得10-100nm的電子傳輸層；步驟5：制備金屬微孔骨架：將氧化金屬的漿料與乙醇按比例進(jìn)行混合，旋涂在步驟4獲得的電子傳輸層上面，然后115-135℃烘烤5-10min，然后放入馬弗爐中在450~550℃燒結(jié)30-90min，形成相互貫穿的多孔骨架；步驟6：鈣鈦礦吸光層的溶液原位合成：在步驟5制備得到多孔骨架上旋涂步驟1制備的混合溶液，形成濕膜，然后在所述濕膜表面滴加反溶劑快速抽取DMF溶液，使致密濕膜轉(zhuǎn)化為多孔結(jié)構(gòu)，烘干后在薄膜表面滴加步驟2制備得到甲基鹵化胺溶液，加熱后，其中一部分完全滲入金屬微孔骨架中，充分填充空隙，一部分殘留在微孔骨架的表面上面，形成異質(zhì)結(jié)的致密鈣鈦礦吸光層；步驟7：在步驟6得到的鈣鈦礦吸光層表面旋涂空穴傳輸層，厚度為200-300nm；步驟8：在經(jīng)過(guò)步驟7處理后的空穴傳輸層上采用熱蒸鍍對(duì)電極，對(duì)電極的厚度為200-300nm，最終得到高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池。進(jìn)一步，在步驟（2）鈣鈦礦層制備中，通過(guò)反溶劑處理把致密金屬鹵化物層轉(zhuǎn)為多孔結(jié)構(gòu)，利于鹵化胺溶液的滲入；并且通過(guò)改變鈣鈦礦溶液濃度控制薄膜質(zhì)量和厚度。進(jìn)一步，所述反溶劑為與金屬鹵化物所在溶劑相互溶，但并不溶解金屬鹵化物，包括苯、甲苯、1,2-二甲苯、1,3-二甲苯、1,4-二甲苯、氯苯、1,2-二氯苯、1,3-二氯苯、1,4-二氯苯、乙醇、異丙醇中的一種或多種。進(jìn)一步，所述步驟1中的混合溶液的濃度為0.5M-1.2M之間。進(jìn)一步，所述步驟2中鹵化胺溶液濃度為10mg/ml-50mg/ml。本發(fā)明的有益效果是：由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明制備的高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池效率極由10.62%到14.94%，提高了40%，并且制備過(guò)程簡(jiǎn)單，操作過(guò)程容易控制，節(jié)省材料，具有極大的應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的鈣鈦礦電池的性能參數(shù)曲線示意圖。圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1器件的外量子效率曲線示意圖。圖中：1.襯底和透明電極、2.電子傳輸層、3.金屬骨架層、4.鈣鈦礦吸光層、5.空穴傳輸層、6.對(duì)電極。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明一種基于高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池，該電池結(jié)構(gòu)包括襯底材料、透明電極、電子傳輸層、多孔骨架、有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料、空穴傳輸層和對(duì)電極，其中鈣鈦礦材料滲入多孔骨架并與之形成異質(zhì)結(jié)。進(jìn)一步，所述沉底材料為玻璃或者柔性塑料；所述透明電極為銦錫氧化物、氟錫氧化物或鋁鋅氧化物。進(jìn)一步，所述電子傳輸層和多孔骨架為金屬氧化物；其中多孔骨架為微孔互穿結(jié)構(gòu)，金屬顆粒粒徑在10-50nm，優(yōu)選為20nm，厚度為50-300nm，優(yōu)選為150nm。進(jìn)一步，所述有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料為ABX3型，其中A=CH3NH3+、HC(NH2)2+，B=Pb、Sn，X=Cl、Br、I，并滲入多孔骨架，與其形成異質(zhì)結(jié)；同時(shí)在多孔骨架上面形成一層致密均勻的鈣鈦礦薄膜。進(jìn)一步，所述的空穴傳輸層為有機(jī)材料或無(wú)機(jī)材料；所述有機(jī)材料為Spiro-OMeTAD、P3HT或PTAA的一種或多種，所述無(wú)機(jī)材料為CuI、CuSCN、Cu2O、NiOx或MoOx的一種或多種。進(jìn)一步，所述對(duì)電極為金屬電極或者導(dǎo)電碳材料電極。本發(fā)明另一目的是提供上述種基于高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟：（1）在襯底和透明電極上沉積電子傳輸層和微納米多孔骨架層；（2）通過(guò)原位溶液合成法制備鈣鈦礦吸光層，首先旋涂一層致密金屬鹵化物層，通過(guò)反溶劑處理使其轉(zhuǎn)化為多孔結(jié)構(gòu)，然后與鹵化胺溶液接觸形成鈣鈦礦；同時(shí)控制鈣鈦礦層厚度，使其完全滲入微孔骨架，并在表面殘留一個(gè)覆蓋層；（3）在吸光層表面沉積空穴傳輸層，然后制備對(duì)電極。進(jìn)一步，在步驟（2）鈣鈦礦層制備中，通過(guò)反溶劑處理把致密金屬鹵化物層轉(zhuǎn)為多孔結(jié)構(gòu)，利于鹵化胺溶液的滲入；并且通過(guò)改變鈣鈦礦溶液濃度控制薄膜質(zhì)量和厚度。進(jìn)一步，所述反溶劑為與金屬鹵化物所在溶劑相互溶，但并不溶解金屬鹵化物，包括苯、甲苯、1,2-二甲苯、1,3-二甲苯、1,4-二甲苯、氯苯、1,2-二氯苯、1,3-二氯苯、1,4-二氯苯、乙醇、異丙醇中的一種或多種。實(shí)施例1：高質(zhì)量鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池的構(gòu)建步驟1：配置PbI2溶液：PbI2濃度為1.0M，溶劑為二甲基甲酰胺（DMF），備用；步驟2：配置甲基鹵化胺溶液：15mg的CH3NH3I與1mgCH3NH3Cl溶于1ml的異丙醇溶液中，備用；步驟3：采用FTO導(dǎo)電玻璃作為襯底及透明電極，透光度>70%，面電阻<15歐姆；步驟4：在FTO表面旋涂TiO2前驅(qū)液（溶于異丙醇的酸性異丙醇鈦溶液），125℃烘烤5min后，放入馬弗爐中450℃燒結(jié)30min，通過(guò)調(diào)節(jié)濃度轉(zhuǎn)速，獲得30nm的具有良好電學(xué)性能的致密TiO2電子傳輸層；步驟5：制備TiO2微孔骨架：將Dyesol18-NRT與乙醇按比例進(jìn)行混合，旋涂后125℃烘烤5min，然后放入馬弗爐中在550℃燒結(jié)90min，形成相互貫穿的微孔骨架；步驟6：鈣鈦礦吸光層的溶液原位合成：在步驟5制備得到額TiO2多孔骨架上旋涂步驟1制備的PbI2溶液，然后在濕膜表面滴加氯苯溶液快速抽取DMF溶液，使致密薄膜轉(zhuǎn)化為多孔結(jié)構(gòu)，烘干后在薄膜表面滴加步驟2制備得到甲基鹵化胺溶液，加熱后一部分完全滲入TiO2微孔骨架中，充分填充空隙，形成良好的異質(zhì)結(jié)，一部分殘留在微孔骨架的表面上面形成致密的鈣鈦礦吸光層；（7）在鈣鈦礦層表面旋涂空穴傳輸層（溶于氯苯的Spiro-OMeTAD溶液），厚度為優(yōu)選為300nm；（8）對(duì)電極采用蒸鍍的金電極，厚度為50nm；實(shí)施例2：低質(zhì)量的鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池及制備（1）配置PbI2溶液：PbI2濃度為1.0M，溶劑為二甲基甲酰胺（DMF）；（2）配置甲基鹵化胺溶液：15mg的CH3NH3I與1mgCH3NH3Cl溶于1ml的異丙醇溶液中；（3）采用FTO導(dǎo)電玻璃作為襯底及透明電極，透光度>70%，面電阻<15歐姆；（4）在FTO表面旋涂TiO2前驅(qū)液（溶于異丙醇的酸性異丙醇鈦溶液），125℃烘烤5min后，放入馬弗爐中550℃燒結(jié)90min，通過(guò)調(diào)節(jié)濃度轉(zhuǎn)速，獲得60nm的具有良好電學(xué)性能的致密TiO2電子傳輸層；（5）制備80-600nm的TiO2微孔骨架：將Dyesol18-NRT與乙醇按比例進(jìn)行混合，旋涂后125℃烘烤5min，然后放入馬弗爐中在450~550℃燒結(jié)30-90min，形成相互貫穿的微孔，通過(guò)調(diào)節(jié)濃度控制多孔層厚度；（6）鈣鈦礦吸光層的溶液原位合成：現(xiàn)在TiO2多孔骨架上旋涂PbI2溶液，烘干后在薄膜表面滴加甲基鹵化胺溶液，加熱轉(zhuǎn)化成鈣鈦礦活性層；（7）在鈣鈦礦層表面旋涂空穴傳輸層（溶于氯苯的Spiro-OMeTAD溶液），厚度為200nm；（8）對(duì)電極采用蒸鍍的金電極，厚度為50-150nm；器件性能測(cè)試將實(shí)例1和實(shí)例2的太陽(yáng)能電池置于光強(qiáng)為100mWcm-2標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能光模擬器（Newport,AM1.5G）下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如圖1所示，電池性能參數(shù)如表1所示。表1鈣鈦礦電池的性能參數(shù)樣品Voc(V)Jsc(mAcm-2)FFPCE(%)低質(zhì)量異質(zhì)結(jié)0.992±0.01516.49±0.5210.649±0.02210.62±0.524高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)1.059±0.01619.94±0.2580.708±0.01314.94±0.419圖2給出的是器件的外量子效率，可看出高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)具有更高的外量子效率，具有更高的光電轉(zhuǎn)化效率。以上通過(guò)實(shí)例詳細(xì)描述了本發(fā)明所提供的基于高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)的鈣鈦礦電池及制備方法。通過(guò)反溶劑處理，使致密金屬鹵化物層轉(zhuǎn)化為多孔結(jié)構(gòu)，提升異質(zhì)結(jié)質(zhì)量，提高載流子的抽取和傳輸，有效降低載流子的復(fù)合損失，有效提高器件性能。以上所述僅是發(fā)明實(shí)例，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明公開(kāi)的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改或變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3