本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

有機(jī)——無機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料憑借其在可見光范圍中較高的吸光系數(shù)、較低的激子結(jié)合能以及較長的載流子擴(kuò)散長度（大于1微米）等優(yōu)異性質(zhì)得到廣泛關(guān)注和研究。基于此類材料的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在過去幾年內(nèi)突飛猛進(jìn)，如今已高達(dá)22.1%。另外，鈣鈦礦太陽能電池具備可溶液法制備特點(diǎn)，可極大地降低生產(chǎn)成本，成為一類極具前景的太陽能電池。

現(xiàn)今，高效的鈣鈦礦太陽能電池通常采用氧化鈦?zhàn)鳛殡娮觽鬏攲?，但是在氧化鈦制備的過程中需要高溫（500℃）煅燒以獲得優(yōu)異的電子傳輸能力。顯然，高溫處理會引起更多的能源消耗，而且阻礙了電池在柔性基底上的應(yīng)用，極大地限制了鈣鈦礦太陽能電池的推廣應(yīng)用。因此開發(fā)一種低溫制備的電子傳輸材料對鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展尤為重要。

五氧化二鈮（簡稱氧化鈮）是一種典型的n型半導(dǎo)體材料，具有與氧化鈦類似的光學(xué)帶隙、能級位置和電荷傳輸特性，以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。因此，氧化鈮被認(rèn)為是一種潛在的可以代替氧化鈦?zhàn)鳛殁}鈦礦太陽能電池電子傳輸層的材料?，F(xiàn)今，在鈣鈦礦太陽能電池中，制備氧化鈮薄膜主要采用磁控濺射和溶膠——凝膠法，其中磁控濺射制備時需要依賴專業(yè)且精密的儀器及真空環(huán)境，這樣使得氧化鈮薄膜的制備工藝復(fù)雜，成本提高，也限制了鈣鈦礦太陽能電池卷對卷生產(chǎn)和印刷制備工藝的采用。溶膠——凝膠法以乙醇鈮為前驅(qū)體，原料價格較昂貴，在氧化鈮薄膜的制備過程中仍需要高溫（500℃）煅燒，并且基于該工藝的鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率很低（～12%）。因此，研發(fā)一種制備氧化鈮電子傳輸層的新工藝，以實(shí)現(xiàn)高效的鈣鈦礦太陽能電池已迫在眉睫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種工藝簡單，成本低廉，適用于卷對卷生產(chǎn)和印刷工藝的低溫溶液法制備高效鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種鈣鈦礦太陽能電池，包括基底，陰極，電子傳輸層，鈣鈦礦吸光層，空穴傳輸層和陽極：所述電子傳輸層為氧化鈮薄膜，薄膜厚度為40～200納米。

本發(fā)明所述的一種鈣鈦礦太陽能電池，其陰極為氧化銦錫或摻氟氧化錫。

本發(fā)明技術(shù)方案還包括制備上述鈣鈦礦太陽能電池的方法，步驟如下：

1、將五氯化鈮與水反應(yīng)得到氧化鈮水合物前驅(qū)體溶液，在陰極基底上旋涂前驅(qū)體溶液，再經(jīng)退火處理，制備厚度為40～200納米的氧化鈮薄膜，形成電子傳輸層；所述前驅(qū)體溶液的濃度為0.4～0.9摩爾/升，旋涂轉(zhuǎn)速為3000～7500轉(zhuǎn)/分，退火溫度為25～250℃；

2、在電子傳輸層上旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，采用氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶方法制備鈣鈦礦薄膜，形成鈣鈦礦吸光層；

3、在鈣鈦礦吸光層上依次制備空穴傳輸層和金屬陽極，得到鈣鈦礦太陽能電池。

本發(fā)明的一個優(yōu)選的方案是，對步驟1得到的氧化鈮薄膜進(jìn)行紫外臭氧處理0～30分鐘。

上述技術(shù)方案中，步驟1的退火處理時間可以是30～120分鐘，退火溫度優(yōu)選為150℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明用溶液法制備氧化鈮電子傳輸層，無需高溫煅燒，使得整個鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)過程都能在低溫下進(jìn)行，方法簡單便捷；制備的氧化鈮薄膜均勻、致密，厚度可調(diào)且易于重復(fù)，適合于柔性襯底，采用大規(guī)模卷對卷工藝生產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池。

2、將氧化鈮作為電子傳輸層，制備得到高效率的鈣鈦礦太陽能電池。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中至下而上依次是玻璃基底；1、陰極；2、電子傳輸層；3、鈣鈦礦吸光層；4、空穴傳輸層；5、金屬陽極。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中所描述的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（j-v）曲線圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中所描述的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（j-v）曲線圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例3中所描述的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（j-v）曲線圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例4中所描述的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（j-v）曲線圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例5中所描述的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（j-v）曲線圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例6中所描述的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（j-v）曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中至下而上依次是玻璃基底；陰極1、電子傳輸層2、鈣鈦礦吸光層3、空穴傳輸層4和金屬陽極5。

制備鈣鈦礦太陽能電池的具體步驟如下：

步驟一，對玻璃基底及氧化銦錫（ito）所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進(jìn)行超聲清洗，并對基底進(jìn)行紫外臭氧處理20分鐘。室溫下，在空氣中配置濃度為0.4摩爾/升的五氯化鈮的水溶液，制備氧化鈮前驅(qū)體溶液，過濾后以6000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋涂在陰極1上；再在溫度為150℃的條件下退火處理1小時，形成厚度為60納米的電子傳輸層2。采用開爾文探針顯微鏡測得氧化鈮薄膜的費(fèi)米能級是-4.01ev，與鈣鈦礦吸光層的導(dǎo)帶能級匹配，有利于電子的傳輸；氧化鈮薄膜電子傳輸層2在可見光區(qū)域的透光性大于90%，有利于充足的光入射到鈣鈦礦吸光層。

步驟二，在電子傳輸層2上利用一步法旋涂制備鈣鈦礦吸光層3。具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，溶解在gbl與dmso（體積比為7:3）的混合溶劑中，形成1.2摩爾每升的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，旋涂前驅(qū)體溶液在適當(dāng)?shù)臅r候滴入氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶，將薄膜置于100℃退火處理10分鐘，得到350納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，在鈣鈦礦層3上依次沉積空穴傳輸層4和金作為金屬陽極5，厚度分別是180納米和100納米，得到如圖1結(jié)構(gòu)所示的鈣鈦礦太陽能電池。

參見附圖2，它是對本實(shí)施例提供的在ito上制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度—電壓（j-v）曲線圖；在am1.5g，100mw/cm²的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得的器件的短路電流密度為22.0ma/cm²，開路電壓為1.03v，填充因子為70.6%，光電轉(zhuǎn)換效率為16.0%。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體步驟如下：

步驟一，對玻璃基底及氧化銦錫（ito）所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進(jìn)行超聲清洗后，對基底進(jìn)行紫外臭氧處理20分鐘。室溫下，在空氣中配置濃度為0.6摩爾每升的五氯化鈮的水溶液，形成氧化鈮前驅(qū)體溶液，過濾后以6000轉(zhuǎn)每分的轉(zhuǎn)速旋涂在陰極1上，經(jīng)150℃退火處理1小時，形成厚度為90納米的電子傳輸層2。

步驟二，在電子傳輸層2上利用一步法旋涂制備鈣鈦礦吸光層3。具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，溶解在gbl與dmso（體積比為7:3）的混合溶劑中，形成1.2摩爾每升的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，旋涂前驅(qū)體溶液在適當(dāng)?shù)臅r候滴入氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶，將薄膜置于100℃退火10分鐘，得到350納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，在鈣鈦礦層3上依次沉積空穴傳輸層4和金作為金屬陽極5，厚度分別是180納米和100納米，得到如圖1結(jié)構(gòu)所示的鈣鈦礦太陽能電池。

參見附圖3，它是對本實(shí)施例提供的在ito上制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度—電壓（j-v）曲線圖；在am1.5g，100mw/cm²的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得的器件的短路電流為22.2ma/cm²，開路電壓為1.04v，填充因子為74.0%，光電轉(zhuǎn)換效率為17.1%。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體步驟如下：

步驟一，對玻璃基底及氧化銦錫（ito）所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進(jìn)行超聲清洗，對基底進(jìn)行紫外臭氧處理20分鐘。室溫下，在空氣中配置濃度為0.8摩爾每升的五氯化鈮的水溶液，形成氧化鈮前驅(qū)體溶液，過濾后以6000轉(zhuǎn)每分的轉(zhuǎn)速旋涂在陰極1上，再經(jīng)150°c退火處理1小時，形成厚度為120納米的電子傳輸層2。

步驟二，在電子傳輸層2上利用一步法旋涂制備鈣鈦礦吸光層3。具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，溶解在gbl與dmso（體積比為7:3）的混合溶劑中，形成1.2摩爾每升的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，旋涂前驅(qū)體溶液在適當(dāng)?shù)臅r候滴入氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶，將薄膜置于100℃退火10分鐘，得到350納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，在鈣鈦礦層3上依次沉積空穴傳輸層4和金作為金屬陽極5，厚度分別是180納米和100納米，得到如圖1結(jié)構(gòu)所示的鈣鈦礦太陽能電池。

參見附圖4，它是對本實(shí)施例提供的在ito上制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度—電壓（j-v）曲線圖；在am1.5g，100mw/cm²的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得的器件的短路電流為22.0ma/cm²，開路電壓為1.04v，填充因子為72.8%，光電轉(zhuǎn)換效率為16.7%。

實(shí)施例4

本實(shí)施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體步驟如下：

步驟一，對玻璃基底及氧化銦錫（ito）所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進(jìn)行超聲清洗，對基底進(jìn)行紫外臭氧處理20分鐘。室溫下，在空氣中配置濃度為0.6摩爾每升的五氯化鈮的水溶液，形成氧化鈮前驅(qū)體溶液，過濾后以4500轉(zhuǎn)每分的轉(zhuǎn)速旋涂在陰極1上，隨后250℃退火1小時，形成厚度為100納米的電子傳輸層2。

步驟二，在電子傳輸層2上利用一步法旋涂制備鈣鈦礦吸光層3。具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，溶解在gbl與dmso（體積比為7:3）的混合溶劑中，形成1.2摩爾每升的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，旋涂前驅(qū)體溶液在適當(dāng)?shù)臅r候滴入氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶，將薄膜置于100℃退火10分鐘，得到350納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，在鈣鈦礦層3上依次沉積空穴傳輸層4和金作為金屬陽極5，厚度分別是180納米和100納米，得到如圖1結(jié)構(gòu)所示的鈣鈦礦太陽能電池。

參見附圖4，它是對本實(shí)施例提供的在ito上制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度—電壓（j-v）曲線圖；在am1.5g，100mw/cm²的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得的器件的短路電流為22.0ma/cm²，開路電壓為1.02v，填充因子為69.3%，光電轉(zhuǎn)換效率為15.6%。

實(shí)施例5

本實(shí)施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體步驟如下：

步驟一，對玻璃基底及氧化銦錫（ito）所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進(jìn)行超聲清洗，對基底進(jìn)行紫外臭氧處理20分鐘。室溫下，在空氣中配置濃度為0.9摩爾每升的五氯化鈮的水溶液，形成氧化鈮前驅(qū)體溶液，過濾后以3000轉(zhuǎn)每分的轉(zhuǎn)速旋涂在陰極1上，25℃放置1小時，形成厚度為200納米的電子傳輸層2。

步驟二，在電子傳輸層2上利用一步法旋涂制備鈣鈦礦吸光層3。具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，溶解在gbl與dmso（體積比為7:3）的混合溶劑中，形成1.2摩爾每升的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，旋涂前驅(qū)體溶液在適當(dāng)?shù)臅r候滴入氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶，將薄膜置于100℃退火10分鐘，得到350納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，在鈣鈦礦層3上依次沉積空穴傳輸層4和金作為金屬陽極5，厚度分別是180納米和100納米，得到如圖1結(jié)構(gòu)所示的鈣鈦礦太陽能電池。

參見附圖5，它是對本實(shí)施例提供的在ito上制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度—電壓（j-v）曲線圖；在am1.5g，100mw/cm²的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得的器件的短路電流為21.3ma/cm²，開路電壓為1.03v，填充因子為70.5%，光電轉(zhuǎn)換效率為15.5%。

實(shí)施例6

本實(shí)施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體步驟如下：

步驟一，對玻璃基底及氟摻雜氧化錫（簡稱fto）所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇，丙酮進(jìn)行超聲清洗，對基底進(jìn)行紫外臭氧處理20分鐘。室溫下，在空氣中配置濃度為0.4摩爾每升的五氯化鈮的水溶液，形成氧化鈮前驅(qū)體溶液，過濾后以7500轉(zhuǎn)每分的轉(zhuǎn)速旋涂在陰極1上，經(jīng)150℃退火1小時，形成厚度為40納米的電子傳輸層2。

步驟二，在電子傳輸層2上利用一步法旋涂制備鈣鈦礦吸光層3。具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，溶解在gbl與dmso（體積比為7:3）的混合溶劑中，形成1.2摩爾每升的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，旋涂前驅(qū)體溶液在適當(dāng)?shù)臅r候滴入氯苯誘導(dǎo)結(jié)晶，將薄膜置于100℃退火10分鐘，得到350納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，在鈣鈦礦層3上依次沉積空穴傳輸層4和金作為金屬陽極5，厚度分別是180納米和100納米，得到如圖1結(jié)構(gòu)所示的鈣鈦礦太陽能電池。

參見附圖6，它是對本實(shí)施例提供的在fto上制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度—電壓（j-v）曲線圖；在am1.5g，100mw/cm²的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，測得的器件的短路電流為22.0ma/cm²，開路電壓為1.01v，填充因子為56.1%，光電轉(zhuǎn)換效率為12.5%。

本發(fā)明各實(shí)施例制備的器件參數(shù)參見表1。

表1

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