一種新型疊合式鈣鈦礦太陽能電池的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型疊合式鈣鈦礦太陽能電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，人類80-85%的能源供給來自于傳統(tǒng)的化石燃料，如煤、石油和天然氣等，這些化石燃料在地表以下分布不均且儲量有限，而且人類在消耗化石燃料以滿足能量需求的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的溫室氣體，是加快全球變暖的因素之一，同時(shí)也伴隨著大量的環(huán)境污染物的產(chǎn)生，導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染，威脅人類健康。可再生能源因其可持續(xù)性、清潔、環(huán)保，是未來能源的發(fā)展方向。在可再生能源中，太陽能作為一種新型的能源，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的新能源之一。
[0003]太陽能是一種取之不盡，用之不竭的巨大的清潔能源，與傳統(tǒng)的化石能源相比，它具有無污染，基本不受地域限制，儲備豐富和利用方式多樣化等特點(diǎn)。目前，太陽能光電轉(zhuǎn)化主要是利用太陽能電池來完成，太陽能電池是根據(jù)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種半導(dǎo)體光電器件，是一種非常理想的能源應(yīng)用形式。
[0004]鈣鈦礦太陽能電池是以具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)-金屬鹵化物等作為核心光吸收、光電轉(zhuǎn)換、光生載流子輸運(yùn)材料的太陽能電池。該電池不僅具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且其核心光電轉(zhuǎn)換材料具有廉價(jià)、容易制備的特點(diǎn)，這為其大規(guī)模、低成本制造提供了可能。此外，該電池不需要液體電解質(zhì)，不用擔(dān)心漏液問題，其核心光電轉(zhuǎn)換材料是有機(jī)-無機(jī)雜化材料，具有優(yōu)異的性能。這些優(yōu)點(diǎn)使鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際使用中具有比其他電池更好的穩(wěn)定性和更長的使用壽命。它最早是由日本科學(xué)家Ko jima等于2009年提出的，他們將有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦作為光敏劑應(yīng)用到液態(tài)DSCs中，其光電轉(zhuǎn)化效率為3.8% (J.Am.Chem.Soc.，2009，131，6050-6051)。2012年，H.S.Kim等將有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦應(yīng)用到固態(tài)電池中，用Spiro-MeOTAD作為固態(tài)空穴傳輸層制作的鈣鈦礦太陽能電池，效率達(dá)到9.7%，獲得了突破性進(jìn)展(Scientific Reports, 2012，2，591)。最近，Sang II Seok 等已經(jīng)將 1?鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了 20.3% (Nature, 2015.V.517.476-480)。
[0005]目前傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)通常為FTO/T1#^密層/T12多孔層/CH3NH3PbIJSpiro-MeOTAD/金屬電極。其中用于收集空穴的金屬電極是通過真空蒸鍍貴金屬金或銀的方法制作到空穴傳輸層的。這種體系電池發(fā)展迅速，其能量轉(zhuǎn)換效率目前已達(dá)到20%，展示了良好的發(fā)展前景。但金屬電極金銀蒸鍍工藝復(fù)雜，能耗較高，制備過程需要在KT4Pa的真空中完成，這種條件在實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到，但在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)卻較難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)金銀等貴金屬價(jià)格昂貴，工藝成本高，既無法滿足大面積規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)又面臨金屬電極被其它功能層腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們迫切需要尋求一種簡單低成本的方法來大規(guī)模制備鈣鈦礦太陽能電池。2014年D.Worsley等開發(fā)了新型疊合式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池，該工作將鑲嵌在聚合物中的鎳網(wǎng)和透明導(dǎo)電膠結(jié)合起來，替換掉蒸鍍的金銀電極，簡化了對電極制作流程，且電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 15% (Advanced Materials, 2014.V.26.7499-7504)。這種雙電極疊合式的方法，通過兩層界面處理層將光陽極和背基板連接，使空穴順利被提取并傳輸?shù)奖郴迳?，制作工藝簡單，價(jià)格低廉，無需真空，可以對基底進(jìn)行靈活的變換，有利于靈活設(shè)計(jì)電極的納米結(jié)構(gòu)，為將來制作柔性電極奠定了基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種新型疊合式鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，并提供以這種方法制備鈣鈦礦太陽能電池的一些優(yōu)化條件。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0008]一種新型疊合式鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，由兩塊電極組成，第一塊電極由基底和PED0T:PSS組成；第二塊電極由FTO、T12、鈣鈦礦、Spiro-OMeTAD和PED0T:PSS組成；制備步驟如下:
[0009](I)刻蝕導(dǎo)電基底:用聚酰亞胺膠帶將FTO導(dǎo)電玻璃需要保護(hù)的區(qū)域粘住，再將Zn粉均勻涂于需要刻蝕的FTO玻璃表面，將HCl溶液滴在FTO玻璃上的Zn粉上，立即發(fā)生反應(yīng)；待反應(yīng)完成后，擦拭刻蝕區(qū)域，將表面未反應(yīng)的溶液擦去；
[0010](2)制備1102致密層:
[0011]①配制有機(jī)溶膠:
[0012]A液:將鈦酸四丁酯和二乙醇胺溶解于無水乙醇中，于室溫條件下強(qiáng)烈攪拌，得到均勻溶液；其中，鈦酸四丁酯:二乙醇胺:無水乙醇的體積比為4:1:13 ;
[0013]B液:將去離子水與無水乙醇按體積比1:28混合；
[0014]強(qiáng)烈攪拌條件下，將B液以5mL/min的速度逐滴加入到A液中，A液與B液的體積比為2.8:1。陳化24小時(shí)，得到澄清透明微黃色溶液，該溶液的摩爾濃度為0.5M，置于_5°C儲存；使用前用等體積比的乙醇稀釋，然后用0.22 μπι的微孔濾膜過濾，即得致密層有機(jī)溶膠；
[0015]②旋涂有機(jī)溶膠:將步驟①得到的有機(jī)溶膠均勻滴在潔凈的FTO玻璃基底上，進(jìn)行旋涂，然后將其置于450°C條件下燒結(jié)Ih ;
[0016](3)制備T12多孔層
[0017]①漿料配制:將乙醇與DeySol-18NR-T按照質(zhì)量比3.5:1混合，然后球磨分散4h，即得氧化鈦漿料；
[0018]②多孔層制備:將上述得到的氧化鈦漿料滴于涂有1102致密層的FTO玻璃基底上，然后進(jìn)行旋涂，旋涂結(jié)束后置于500°C條件下燒結(jié)30min ;
[0019](4)制備有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦
[0020]①合成碘甲銨
[0021]將33wt.%甲胺的無水乙醇溶液和等摩爾的57wt.%氫碘酸水溶液混合，在0°C條件下攪拌2h，反應(yīng)結(jié)束后，50°C旋蒸除去溶劑得到碘甲胺粗產(chǎn)品；將碘甲胺粗產(chǎn)品溶于無水乙醇中，再向其中加入無水乙醚直至其不再產(chǎn)生白色沉淀為止，過濾得到白色固體；重結(jié)晶重復(fù)兩次，最終得到的白色固體在真空烘箱中60°C烘干24h，制得碘甲胺，避光保存；
[0022]②兩步法制備有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦
[0023]首先將碘化鉛溶于DMF中，碘化鉛的濃度為4.62mg/mL，70°C加熱攪拌直至？1^12完全溶解，用0.22 μ m的有機(jī)濾膜過濾，將PbI2S液滴在T1 2多孔膜上，然后進(jìn)行旋涂，旋涂完畢轉(zhuǎn)移到70°C加熱板上，加熱30min ;加熱完畢冷卻至室溫后，將制備好的？1^12薄膜在異丙醇溶液中潤濕，取出后立刻置于lOmg/mL碘甲胺的異丙醇溶液中，PbI2薄膜顏色逐漸由黃色變?yōu)楹谏?；然后將薄膜轉(zhuǎn)移到異丙醇溶液中輕微漂洗，旋涂至溶劑揮發(fā)，最后將其轉(zhuǎn)移到70°C加熱板上加熱30min，即得有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦層；
[0024](5)制備空穴傳輸層
[0025]配制濃度為72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入三種添加劑:分別為520mg/mL鋰鹽的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL鈷鹽的乙腈溶液，三者的體積比為10:17:11，常溫下攪拌lh，既得Spiro-OMeTAD溶液；將Spiro-OMeTAD溶液滴加到步驟(4)制備好的有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦層上，然后進(jìn)行旋涂，即得Spiro-OMeTAD層；
[0026](6)制備 PEDOT: PSS 層
[0027]將PEDOT:PSS顆粒與異丙醇混合，PEDOT:PSS顆粒在異丙醇中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2-5 %，得到PEDOT: PSS噴涂液；PEDOT: PSS層制備分為兩層，Layer 1:取已制作好Spiro-OMeTAD的膜，熱噴涂PEDOT:PSS噴涂液；Layer I1:取洗凈的背電極基板，熱噴涂不同量的PEDOT:PSS噴涂液；
[0028](7)電池組裝及測試
[0029]將噴涂好PEDOT:PSS的兩個(gè)電極結(jié)