本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池及其方法。

背景技術(shù)：

目前，能源問題依舊是制約著社會(huì)發(fā)展的問題之一。環(huán)境污染、資源短缺是人類當(dāng)前面臨的難題。數(shù)據(jù)顯示目前人類80％-85％的能源供給來自于傳統(tǒng)的化石燃料?？稍偕茉匆蚱渚哂锌沙掷m(xù)性、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為未來能源的發(fā)展方向，并受到人們的廣泛關(guān)注。在諸如氫能、風(fēng)能、潮汐能等眾多清潔能源中，太陽能因其具有儲(chǔ)量豐富、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是當(dāng)今最重要的新能源之一。

光電轉(zhuǎn)化是當(dāng)前利用太陽能的主要用途。利用一種半導(dǎo)體器件組裝成太陽能電池，將光能轉(zhuǎn)化成電能是對(duì)光能加以利用是一種非常理想的轉(zhuǎn)化途徑。2012年，全固態(tài)有機(jī)-無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦太陽能電池[perovskitesolarcells,pscs]開辟了一個(gè)太陽能電池的嶄新時(shí)代[science,2012,338:643-647.]，在短短幾年里，其電池效率從開始的3.8％突破到現(xiàn)在的22.1％，[小時(shí)ttp://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency_c小時(shí)art.jpg]展示出了非常好的應(yīng)用前景，這類電池具有能帶適中、光吸收強(qiáng)、載流子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，因此吸引了越來越多的研究者關(guān)注[2013106514184，2013106505058]。2013年鈣鈦礦太陽能電池被science雜志評(píng)為當(dāng)年10大科學(xué)突破之一[science,2013,342,1438-1439]。

傳統(tǒng)鈣鈦礦的主要結(jié)構(gòu)是fto/tio2致密層/tio2多孔層/ch3nh3pbi3/spiro-meoted/金屬電極。fto導(dǎo)電玻璃、tio2致密層、tio2多孔層等電子傳輸層的價(jià)格昂貴，并且制備工藝復(fù)雜，限制了鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

在解決基底昂貴方面，一些科研工作者開展如下工作，例如，復(fù)旦大學(xué)制備了一種線狀鈣鈦礦太陽能電池，他們?cè)诓讳P鋼絲、鈦絲上制備了鈣鈦礦太陽能電池，可以編制到衣物上，但是這種絲狀金屬基底電池受光面積只有一半，限制了其效率[2014102561867，cn201510653640.7，cn201610270624.4]。盛傳詳?shù)仍诓讳P鋼基底上制備了鈣鈦礦太陽能電池，利用20nm的薄銀作為背電極，獲得0.885％的光電轉(zhuǎn)化效率[cn201510975591.9]，這種電池同樣需要旋涂致密層和多孔層材料沒有達(dá)到簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)的效果。在簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)方面，許多專利發(fā)明了無空穴傳輸層結(jié)構(gòu)[2015106293458，2015207602717]來優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明利用原位制備鈣鈦礦太陽能電池的致密層、多孔層，一步實(shí)現(xiàn)基底電子收集層一體化制備，在降低電池成本的同時(shí)也優(yōu)化了電池結(jié)構(gòu)。所以我們?cè)O(shè)計(jì)的新型鈣鈦礦太陽能電池有很高的商業(yè)發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的目的是提供一種原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池，并提供實(shí)例驗(yàn)證該方法的可行性。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池，所述的原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池從下到上依次為金屬基底、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層以及薄金電極，其中，金屬基底和電子傳輸層為致密層、多孔層一體化的金屬電極。

所述的金屬基底的厚度為0.1-0.5mm，尺寸為1cm²-1m²；所述的電子傳輸層厚度為30-100nm；所述的鈣鈦礦層厚度為300-600nm；所述的空穴傳輸層的厚度為40-80nm；所述的薄金電極的厚度為8-20nm。

所述的金屬基底的材質(zhì)包括鈦、鐵、鋅、鋁、鎢、鎳或銅。

一種原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池的方法，步驟如下：

步驟1、對(duì)金屬基底的打磨清洗

步驟1.1、采用3000-7000目砂紙對(duì)金屬基底打磨，然后表面拋光處理；

步驟1.2、將打磨好的金屬基底依次用丙酮、異丙醇、無水乙醇和去離子水中各超聲清洗10-30分鐘；

步驟2、對(duì)金屬基底的化學(xué)處理，制備多孔形貌

將打磨清洗后的金屬基底置于1-5m的硫酸溶液中在30-90℃下進(jìn)行刻蝕1-3小時(shí)，沖洗吹干，待用；

步驟3、燒結(jié)形成氧化物作為電子傳輸層

將步驟2制備的已經(jīng)形成多孔形貌的金屬基底在300-600℃下燒結(jié)1-5小時(shí)，利用熱氧化形成一層氧化物作為電子傳輸層；

步驟4、在電子傳輸層上沉積鈣鈦礦層

步驟4.1、將碘化鉛溶解于n，n-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜的混合溶液中，得到碘化鉛溶液；其中，n，n-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜的體積比為5:1，碘化鉛溶液的濃度為1-1.5m；配制1-1.5m的甲基碘化銨的異丙醇溶液；

步驟4.2、碘化鉛溶液在40-60℃的熱臺(tái)上攪拌1-3小時(shí)，用孔徑為0.2μm的濾膜過濾，甲基碘化銨的異丙醇溶液同樣用0.2μm的濾膜過濾后使用；

步驟4.3、將步驟4.2得到的碘化鉛溶液以3000-5000rpm/min的速度旋涂到步驟2制備的金屬基底上，自然揮發(fā)溶劑10-60分鐘后，再將步驟4.2得到的甲基碘化銨的異丙醇溶液按照5000-7000rpm/min的速度旋涂到碘化鉛上，將金屬基底放到熱臺(tái)上，80-120℃下退火30-60分鐘形成鈣鈦礦層；

步驟5、在鈣鈦礦層上沉積空穴傳輸層

步驟5.1、配制1-1.5m的spiro-meotad氯苯溶液，每毫升spiro-meotad氯苯溶液加入100微升li-tfsi溶液、4-叔丁基吡啶溶液以及鈷鹽配體的混合溶液，三者的體積比為10:17:11；在40-60℃下攪拌1-3小時(shí)，使其全部溶解；

步驟5.2、將空穴傳輸層材料按照4500-7500rpm/min的速度旋涂到鈣鈦礦層上形成空穴傳輸層；

步驟6、在空穴傳輸層上蒸鍍薄金電極，完成原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池。

所述的表面拋光處理的用具包括石條、羊毛輪或砂紙，選用的拋光方式包括機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光、超聲波拋光、流體拋光和磁研磨拋光。

所述的刻蝕所用溶液包括硫酸、硝酸、氫氟酸、鹽酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、氨水和過氧化氫溶液。

所述的熱氧化的條件包括馬弗爐、管式爐、箱式爐、plasma處理機(jī)和臭氧處理機(jī)；處理環(huán)境包括空氣氛圍、氮?dú)夥諊?、氬氣氛圍?/p>

將制備好的鈣鈦礦太陽能電池放到掩膜板中，將真空鍍膜機(jī)真空度抽到1.0*10^-4pa時(shí)按照的蒸發(fā)速率進(jìn)行蒸鍍，當(dāng)蒸鍍到時(shí)停止蒸鍍。

本發(fā)明與現(xiàn)有的鈣鈦礦太陽能電池發(fā)明相比：電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電池使用廉價(jià)金屬基底成本低。同時(shí)利用化學(xué)刻蝕氧化方法制備了一體化電子收集層，優(yōu)化了鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)例1中金屬基底打磨清洗之后的掃描電鏡圖(sem)。

圖3是實(shí)例1中金屬基底化學(xué)處理并氧化之后形成的多孔狀電子傳輸層sem圖。

圖4是實(shí)例1中原位制備基底、致密層、多孔層一體化式鈣鈦礦太陽能電池的i-v曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，具體說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例1

取金屬基底并將基底切割成2*2cm²的矩形，依次用3000目、5000目、7000目砂紙各打磨數(shù)小時(shí)，使表面光滑并除去金屬表面的氧化物。將金屬基底在洗缸中依次用丙酮、異丙醇、乙醇、去離子水超聲清洗各10-30分鐘，取出基底用氮?dú)獯蹈杀４?。制備好的表面形貌見圖2。制備多孔結(jié)構(gòu)電子傳輸層需要先將基底放到1-5m的硫酸中，在30-90℃下進(jìn)行刻蝕1-3小時(shí)，沖洗吹干，待用。將刻蝕好的基底在馬弗爐中300-600℃下燒結(jié)1-5小時(shí)，自然降溫等到基底冷卻，形成的多孔形貌表面電鏡見圖3。在基底邊緣用砂紙打磨出一定的邊緣留做電極測(cè)試。這樣就制備好了基底、致密層、多孔層一體化電極。

有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦層的制備包括以下步驟：將1-1.5m碘化鉛溶解于n，n-二甲基甲酰胺(dmf)和二甲基亞砜(dmso)的混合溶液中，1-1.5m甲基碘化銨溶于異丙醇溶液中。其中dmf與dmso的體積比為5:1。

碘化鉛溶液在40-60℃的熱臺(tái)上攪拌1-3小時(shí)，直至溶質(zhì)全部溶解掉，用孔徑為0.2μm的濾膜過濾，用移液槍將過濾后的碘化鉛均勻滴到制備好多孔電子傳輸層的基底上，進(jìn)行旋涂。按照3000-5000rpm/min的速度旋涂到步驟2制備好的基底上，自然揮發(fā)溶劑10-60分鐘后，甲基碘化銨按照5000-7000rpm/min的速度旋涂到碘化鉛上，將基底放到熱臺(tái)上，70-120℃下退火30-60分鐘形成鈣鈦礦層。

空穴傳輸層的制備包括將spiro-meotad溶于氯苯中，加入三種添加劑分別為鋰鹽的乙睛溶液、四叔丁基吡啶(tbp)、鈷鹽的乙睛溶液，三者的體積比為10:17:11，將配好的溶液在40-60℃下攪拌1-3小時(shí)，使其全部溶解。將空穴傳輸層材料按照4500-7500rpm/min的速度旋涂到鈣鈦礦上形成空穴傳輸層。

金屬背電極的制備主要是將制備好的電池放到掩膜板中，將掩膜板放到蒸鍍機(jī)里。在鎢舟中放入適當(dāng)?shù)慕鹱鳛檎翦冊(cè)?。打開蒸鍍機(jī)，當(dāng)真空度顯示在1.0*10^-4pa時(shí)以的蒸發(fā)速率進(jìn)行蒸鍍，當(dāng)蒸鍍到時(shí)停止蒸鍍。完成整個(gè)電池的制備過程。通過測(cè)試電池效率的i-v曲線見圖4。