一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，具體涉及一種以層狀結(jié)構(gòu)類鈣鈦礦材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)lriPbnI3lri (η = I, 2)為吸光層的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池市場約85%的市場份額由晶體硅太陽能電池占據(jù)，但由于晶體硅價格高昂，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。鈣鈦礦太陽能電池是一類新興的太陽能電池，主要是利用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，具有原材料來源廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、價格低、可制備成柔性電池等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景，但該類電池的產(chǎn)業(yè)化瓶頸是光電轉(zhuǎn)化效率偏低以及光吸收層材料在空氣中穩(wěn)定性較差，現(xiàn)階段的研宄重點是提高其光電轉(zhuǎn)換效率以及電池的穩(wěn)定性。日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型光吸收劑CH3NH3PbIj^禁帶寬度僅有1.5eV，以此材料制成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到3.81% (J.AM.CHEM.SOC.131 (2009) 6050)，2013年此類電池的光電轉(zhuǎn)換效率已突破15% (Nature 499 (2013) 316)，2014年以來已經(jīng)突破19% (Science 345(2014)542)，已經(jīng)超過了染料敏化和有機太陽能電池，但仍低于晶體娃太陽能電池。相對于光電轉(zhuǎn)換效率的快速提高，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的研宄相對滯后，嚴(yán)重制約了鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用。
[0003]層狀類鈣鈦礦材料是有機、無機組分在分子尺度上復(fù)合而成的一種天然量子阱材料，其無機層具有較小的帶隙而有機層具有較大的H0M0-LUM0 (最高占據(jù)軌道和最低空軌道)能級差，無機層構(gòu)成一定深度和寬度的阱，有機層則構(gòu)成一定高度和厚度的勢皇。層狀類鈣鈦礦材料可以沿不同的方向在分子尺度上對其結(jié)構(gòu)進行剪裁，如無機層的數(shù)目可連續(xù)改變，因此能帶可連續(xù)調(diào)節(jié)。同時，由于該類材料中有機、無機組分的復(fù)合是分子尺度的復(fù)合，這使此類材料既具有無機物的半導(dǎo)性，又具備有機物的易成膜性，能在簡單條件下制作成大面積的薄膜。
[0004]當(dāng)前鈣鈦礦太陽能電池的研宄都是圍繞三維鈣鈦礦分子雜合物AMX3(A =(CH3NH3)+，(NH = CHNH3)+；M = Pb, Sn ；X = Cl, Br, I)展開。三維結(jié)構(gòu)鈣鈦礦雜合物由于空間上容忍因子的限制，A位只能是離子半徑較小的陽離子如(CH3NH3)+或(NH = CHNH 3)+，而這些小半徑的有機陽離子正是導(dǎo)致AMX3穩(wěn)定性不佳的主要原因。因此，尋找具有更高穩(wěn)定性的鈣鈦礦吸光材料替代傳統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的AMX3對于推進鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化進程具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種以二維層狀類鈣鈦礦材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)lriPbnUn = I, 2)為吸光層的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，采用該吸光層材料能夠有效提高鈣鈦礦太陽能電池的化學(xué)穩(wěn)定性。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
[0007]提供一種鈣鈦礦太陽能電池，所述太陽能電池從下至上由FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底、電子傳輸層、吸光層、空穴傳輸層和金屬電極組成，所述吸光層為二維層狀結(jié)構(gòu)的(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)^1PbnIari (η = 1,2)材料。
[0008]按上述方案，所述吸光層厚度為100-1000nm。
[0009]本發(fā)明還提供鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，所述太陽能電池從下至上由FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底、電子傳輸層(致密Ticv薄膜)、吸光層(層狀類鈣鈦礦薄膜)、空穴傳輸層和金屬電極組成，其步驟如下:
[0010]I)將FTO透明導(dǎo)電玻璃依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，再經(jīng)紫外臭氧處理，得到潔凈的FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底；
[0011]2)在步驟I)潔凈的FTO透明導(dǎo)電玻璃襯底表面旋涂鈦源，然后在空氣氣氛下于400-500°C退火處理15-60min，得到表面涂覆有TiCV薄膜的FTO透明導(dǎo)電玻璃；
[0012]3)將步驟2)所得表面覆有TiCV薄膜的FTO透明導(dǎo)電玻璃置于手套箱中，在T12薄膜表面旋涂層狀類鈣鈦礦材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3) P1PbnIart (η = 1,2)的前驅(qū)體溶液，然后在手套箱中于50-150°C退火處理10-150min，即在TiCV薄膜表面制備得到層狀類鈣鈦礦薄膜；
[0013]4)在手套箱內(nèi)，在步驟3)所得層狀類鈣鈦礦薄膜表面上旋涂含2，2’，7，7’-四[N, N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’ -螺二芴(英文縮寫為spiro-OMeTAD)的前驅(qū)體溶液，然后在手套箱中于50-150°C退火處理10-150min，在層狀類鈣鈦礦薄膜表面制備得到空穴傳輸層薄膜；
[0014]5)采用熱蒸發(fā)法在步驟4)所得空穴傳輸層薄膜上蒸鍍50-100nm的Au薄膜作為金屬電極，即得到鈣鈦礦太陽能電池。
[0015]按上述方案，步驟2)所述鈦源的制備方法為:將異丙醇鈦的異丙醇溶液與稀鹽酸的異丙醇溶液按體積比1:1混合，攪拌l-4h得透明溶膠，即鈦源，其中異丙醇鈦的異丙醇溶液濃度為0.3-0.5mol/L，稀鹽酸的濃度為2mol/L，稀鹽酸的異丙醇溶液濃度為
0.02-0.05mol/Lo
[0016]按上述方案，步驟3)所述層狀類鈣鈦礦材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3)^1PbnI3n.! (η=1，2)的前驅(qū)體溶液為(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)lriPbnIart (η = I, 2)的 DMF (N，N- 二甲基甲酰胺)溶液，濃度為0.1-0.5mol/Lo
[0017]按上述方案，步驟4)所述含spiro-OMeTAD的前驅(qū)體溶液由如下方法配制而成:首先配制spiro-OMeTAD的氯苯溶液，濃度為30mg/mL，再向所述氯苯溶液中加入4-叔丁基吡啶(英文縮寫為tBP)和二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰(英文縮寫為L1-TFSI)的乙腈溶液，每毫升spiro-OMeTAD的氯苯溶液中加入含5-30 μ L tBP和15-30 μ L L1-TFSI的乙腈溶液，其中L1-TFSI的乙腈溶液濃度為170mg/mL。
[0018]按上述方案，步驟2)至4)所述旋涂工藝為:每平方厘米的襯底上滴加25-100 μ L旋涂液，旋涂速率2000-4000rpm，旋涂時間20_60s，旋涂一次。
[0019]按上述方案，步驟3)所述層狀類鈣鈦礦材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)lriPbnUn=I, 2)的前驅(qū)體溶液制備方法步驟如下:
[0020]a)合成CH3NH3I粉晶:在冰水浴的條件下將氫碘酸水溶液緩慢滴加到甲胺的乙醇溶液或甲胺的水溶液中，攪拌l_2h，其中氫碘酸與甲胺的摩爾比為0.5-1:1，然后將混合溶液于50-100°C條件下不斷攪拌l_2h，冷卻至室溫后抽濾得到白色晶體，將該白色晶體于50-100°C下真空干燥5-10h，得到CH3NH3I粉晶；
[0021]b)合成C6H5CH2CH2NH3I粉晶:在冰水浴條件下將氫碘酸水溶液緩慢滴加到苯乙胺中，攪拌l_2h，其中氫碘酸與苯乙胺的摩爾比為0.5-1.2:1，然后將混合溶液于50-100°C條件下不斷攪拌l_2h，冷卻至室溫后抽濾得到白色晶體，將該白色晶體于50-100°C下真空干燥 5-10h，得到 C6H5CH2CH2NH3I 粉晶；
[0022]c)合成(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3) ^1PbnI3η+ι (η = I)粉晶:將 PbI2^f 于氫碘酸溶液中，得到PbId^氫碘酸溶液，再將所得PbI 2的氫碘酸溶液緩慢滴加到步驟b)所得C6H5CH2CH2NH3I粉晶的乙醇溶液中，其中PbIjP C 6H5CH2CH2NH3I的摩爾比為1: 2，PbI2的氫碘酸溶液濃度為0.01-0.2mol/L，C6H5CH2CH2NH3I的乙醇溶液濃度為0.01-0.2mol/L，室溫下攪拌30min，再于70-90°C下水浴保溫l_2h，冷卻至室溫后抽濾得到黃色晶體，將該黃色晶體在 50-100°C下真空干燥 5-10h 即得到(C6H5CH2CH2NH3)2PbI4粉晶；
[0023]d)合成(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)P1PbnIari (η = 2)粉晶:將 PbI^氫碘酸溶液緩慢滴加到含步驟b)所得C6H5CH2CH2NH3I粉晶和步驟a)所得CH3NH3I粉晶的乙醇溶液中，其中PbI2的氫碘酸溶液濃度為0.01-0.2mol/L，C6H5CH2CH2NH3I, CH3NH3I在乙醇溶液中的濃度均為 0.01-0.2mol/L，且 Pbl2、C6H5CH2CH2NH3I 和 CH3NH3I 的摩爾比為 1: 1: 1，室溫下攪拌30min，再于70-90°C下水浴保溫l_2h，冷卻至室溫后抽濾得