本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池及其制作方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們面臨的能源形式也越來越嚴(yán)峻。傳統(tǒng)化石燃料不僅儲量有限，而且還會造成環(huán)境污染，太陽能是清潔的可再生能源，太陽能電池可以直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，有著廣泛的應(yīng)用前景。晶體硅太陽能電池作為第一代太陽能電池，目前已成為光伏電池的主流產(chǎn)品，但是其制作過程中的高耗能、高污染特征限制其發(fā)展。化合物半導(dǎo)體、多晶硅等第二代太陽能電池雖然轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)約原料，但是制備過程中的高耗能、依賴地殼稀有元素等特征也限制了其推廣。以鈣鈦礦為代表的第三代太陽能電池，具有高轉(zhuǎn)換效率、制備工藝簡單、有望實(shí)現(xiàn)大面積制備的優(yōu)點(diǎn)。目前的平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池雖然可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換效率，但是大多數(shù)采用了高溫(＞450℃)燒結(jié)制備二氧化鈦介孔層的工藝，產(chǎn)生高能耗和工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的制作方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，包括依次層疊設(shè)置的襯底、二氧化鈦層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和銀電極層，其中，所述二氧化鈦層為致密的層狀結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述鈣鈦礦吸光層和所述空穴傳輸層均為致密的平面層結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，上述二氧化鈦層的制作方法包括如下步驟：

(1)將金屬有機(jī)鈦鹽和有機(jī)醇溶劑混合成前軀體溶液，在50～95℃及pH＝1～6的酸性溶液中反應(yīng)得到二氧化鈦納米膠液；上述金屬有機(jī)鈦鹽為叔丁醇鈦、異丙醇鈦、乙酰丙酮氧鈦、雙(乙酰丙酮基)二異基鈦酸酯或四氯化鈦；

(2)在清洗后的襯底上旋涂至少一層上述二氧化鈦納米膠液以形成致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層；

上述鈣鈦礦吸光層中的鈣鈦礦化合物為甲脒碘化鉛鈣鈦礦材料。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述二氧化鈦層的厚度為10-100nm。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為400～800nm。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述空穴傳輸層的材料為2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴(即：Spiro-OMeTAD)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述銀電極層的厚度為80～300nm。

本發(fā)明的另一技術(shù)方案如下：

一種平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的制作方法，包括如下步驟：

(1)將金屬有機(jī)鈦鹽和有機(jī)醇溶劑混合成前軀體溶液，在50～95℃及pH＝1～6的酸性溶液中水解反應(yīng)得到二氧化鈦納米膠液；上述金屬有機(jī)鈦鹽為叔丁醇鈦、異丙醇鈦、乙酰丙酮氧鈦、雙(乙酰丙酮基)二異基鈦酸酯或四氯化鈦；

(2)在清洗后的襯底上旋涂至少一層上述二氧化鈦納米膠液以形成致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層；

(3)在上述致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層上再依次旋涂PbI₂和甲脒溶液，在80～120℃溫度下反應(yīng)10～120min形成甲脒碘化鉛鈣鈦礦吸光層；

(4)在上述鈣鈦礦吸光層上旋涂空穴傳輸材料，形成空穴傳輸層；

(5)在上述空穴傳輸層上進(jìn)行真空蒸鍍，形成銀電極層。

在步驟(1)中采用了溶膠凝膠法制備超細(xì)型銳鈦礦型二氧化鈦納米晶作為平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸層，這樣就減少了介孔二氧化鈦層的使用，為低溫制備高效平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池提供了必要條件，從而顯著降低了平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)成本。此外，控制前軀體溶液的pH值處于酸性條件下有助于形成均勻穩(wěn)定的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦晶型。

在步驟(2)中，實(shí)現(xiàn)水溶液處理和不需要退火工藝制備致密和光滑的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜作為電子傳輸層，有利于提高鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

在步驟(3)中，在80～120℃溫度下反應(yīng)形成鈣鈦礦吸光層，實(shí)現(xiàn)了低溫退火，這樣既能保證鈣鈦礦吸光層良好的吸光性能，又確保電池工藝兼容低溫柔性基底的使用，有利于促進(jìn)發(fā)展高效率和低成本的柔性鈣鈦礦太陽能電池。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述步驟(1)中的酸性溶液為鹽酸、鹽酸鹽、硝酸、硝酸鹽、硫酸、硫酸鹽、醋酸和醋酸鹽中的至少一種的水溶液，控制前軀體溶液的pH值處于酸性條件下有助于形成均勻穩(wěn)定的銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦晶型，且金屬有機(jī)鈦鹽在酸的作用下有助于形成均勻穩(wěn)定的二氧化鈦納米膠液。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述二氧化鈦層的厚度為10～100nm。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為400～800nm。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述空穴傳輸材料為2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴。2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴又稱spiro-OMeTAD，其在本發(fā)明的制備方法中能夠?qū)崿F(xiàn)較佳的空穴傳輸性能。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述銀電極層的厚度為80～300nm。

通過對二氧化鈦層、鈣鈦礦吸光層和銀電極層厚度的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)太陽能光的高效吸收和轉(zhuǎn)化。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明采用水相溶膠凝膠技術(shù)制備超細(xì)銳鈦礦型二氧化鈦納米晶，二氧化鈦晶粒為3～4nm，作為鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸致密層，從而縮減了介孔二氧化鈦層的使用，優(yōu)化了鈣鈦礦太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電池的低溫退火工藝(≤120℃)，可以達(dá)到電池制備工藝過程更綠色、簡單和降低成本的目的。

2、本發(fā)明使用低溫退火鈣鈦礦吸收層，其退火反應(yīng)溫度不超過120℃，保證了低溫制備太陽能器件的順利進(jìn)行，為制備柔性平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池提供了可能途徑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的二氧化鈦納米晶薄膜的透射電鏡圖和選區(qū)電子衍射圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的二氧化鈦納米晶的XRD譜圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池性能數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

以下通過具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的說明和描述。

實(shí)施例1：

(1)清洗襯底

(2)配制溶液：將50ml異丙醇鈦和30ml異丙醇混合成前軀體溶液備用，然后取100ml的蒸餾水置于圓底燒瓶中并添加1ml的鹽酸，并在600r.p.m./min下不斷攪拌，向不斷攪拌的蒸餾水中緩慢逐滴滴加異丙醇鈦前軀體溶液，在60℃下加熱4h水解得到二氧化鈦膠液；

(3)旋涂銳鈦礦型二氧化鈦納米晶：使用旋涂儀在上述襯底上旋涂1～5層致密的二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)為：每層使用50μL二氧化鈦膠液，旋涂轉(zhuǎn)速為4000r.p.m./min，旋涂時(shí)間為50s；

(4)旋涂鈣鈦礦吸收層：利用兩步法制備鈣鈦礦吸收層，先在步驟(3)所述的致密的二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)上旋涂一層PbI₂薄膜，后再往上旋涂甲脒溶液，經(jīng)過反應(yīng)即可得到鈣鈦礦薄膜；

(5)在步驟(4)的鈣鈦礦薄膜上面旋涂一層空穴傳輸材料spiro-MeOTAD作為空穴傳輸層。

(6)在上述得到的薄膜上真空蒸鍍一層100nm左右的銀電極。

通過上述方法制備了平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，包括依次制備致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和銀電極層。由本實(shí)施例得到的平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的二氧化鈦納米晶薄膜的透射電鏡圖圖1和二氧化鈦納米晶的XRD譜圖圖2可知，二氧化鈦呈銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池層結(jié)構(gòu)均勻致密，性能較好。

該制備方法便宜快捷，而且可通過優(yōu)化吸光層的厚度達(dá)到太陽光的最優(yōu)吸收特性，可極大的提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。這種鈣鈦礦太陽能光電池的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到20％以上。

實(shí)施例2

(1)清洗襯底

(2)配制溶液：將20～80ml叔丁醇鈦和10～60ml異丙醇混合成前軀體溶液備用，然后取50～150ml的蒸餾水置于圓底燒瓶中并添加0.5～3ml的鹽酸，在200～600r.p.m./min下不斷攪拌，向不斷攪拌的蒸餾水中緩慢逐滴滴加異丙醇鈦前軀體溶液，在50～95℃下加熱1h～6h得到二氧化鈦膠液；

(3)旋涂銳鈦礦型二氧化鈦納米晶：使用旋涂儀在上述襯底上旋涂1～5層致密的二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)為：每層使用30μL～60μL二氧化鈦膠液，旋涂轉(zhuǎn)速為3000～4000r.p.m./min，旋涂時(shí)間為50s～60s；

(4)旋涂鈣鈦礦吸收層：利用兩步法制備鈣鈦礦吸收層，先在步驟(3)所述的致密的二氧化鈦層狀結(jié)構(gòu)上旋涂一層PbI₂薄膜，后再往上旋涂甲脒溶液，經(jīng)過反應(yīng)即可得到鈣鈦礦薄膜；

(5)在步驟(4)的鈣鈦礦薄膜上面旋涂一層空穴傳輸材料spiro-MeOTAD作為空穴傳輸層。

(6)在上述得到的薄膜上真空蒸鍍一層300nm左右的銀電極。

通過上述方法制備了平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，包括依次制備致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和銀電極層。鈣鈦礦吸光層中形成的鈣鈦礦化合物為甲脒鉛碘。由圖3的平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池相關(guān)性能測試數(shù)據(jù)可知，該平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池具有較佳的吸光和轉(zhuǎn)化效果。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，本發(fā)明的技術(shù)方案的技術(shù)參數(shù)在如下范圍內(nèi)變化時(shí)，可以得到相同或相近的可預(yù)期的技術(shù)效果，仍然屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍：

一種平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，包括依次層疊設(shè)置的襯底、二氧化鈦層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和銀電極層，其中，所述二氧化鈦層為致密的層狀結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的，所述鈣鈦礦吸光層和所述空穴傳輸層均為致密的平面層結(jié)構(gòu)。

上述二氧化鈦層的制作方法包括如下步驟：

(1)將金屬有機(jī)鈦鹽和有機(jī)醇溶劑混合成前軀體溶液，在50～95℃及pH＝1～6的酸性溶液中水解反應(yīng)得到二氧化鈦納米膠液；上述金屬有機(jī)鈦鹽為叔丁醇鈦、異丙醇鈦、乙酰丙酮氧鈦、雙(乙酰丙酮基)二異基鈦酸酯或四氯化鈦；

(2)在清洗后的襯底上旋涂至少一層上述二氧化鈦納米膠液以形成致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層；

上述鈣鈦礦吸光層中的鈣鈦礦化合物為甲脒碘化鉛鈣鈦礦材料。

一種平面結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的制作方法，包括如下步驟：

(1)將金屬有機(jī)鈦鹽和有機(jī)醇溶劑混合成前軀體溶液，在50～95℃及pH＝1～6的酸性溶液中水解反應(yīng)得到二氧化鈦納米膠液；上述金屬有機(jī)鈦鹽為叔丁醇鈦、異丙醇鈦、乙酰丙酮氧鈦、雙(乙酰丙酮基)二異基鈦酸酯或四氯化鈦；

(2)在清洗后的襯底上旋涂至少一層上述二氧化鈦納米膠液以形成致密的層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層；

(3)在上述致密的二氧化鈦層上再依次旋涂PbI₂和甲脒溶液，在80～120℃溫度下反應(yīng)10～120min形成甲脒碘化鉛鈣鈦礦吸光層；

(4)在上述鈣鈦礦吸光層上旋涂空穴傳輸材料，形成空穴傳輸層；

(5)在上述空穴傳輸層上進(jìn)行真空蒸鍍，形成銀電極層。

所述步驟(1)中的酸性溶液為鹽酸、鹽酸鹽、硝酸、硝酸鹽、硫酸、硫酸鹽、醋酸和醋酸鹽中的至少一種的水溶液。所述二氧化鈦層的厚度為10～100nm。所述鈣鈦礦吸光層的厚度為400～800nm。所述空穴傳輸層的材料為2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴。所述銀電極層的厚度為80～300nm。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。