一種含石墨烯太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域，特別是一種含有石墨烯的太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)化石能源的短缺，以及日益嚴重地環(huán)境問題，高效、低能耗、無污染的太陽能電池受到各國的重視，2009年日本科學(xué)家Miyasaka首先將I丐鈦礦基半導(dǎo)體用于液態(tài)的敏化太陽電池中，取得了 3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率，但由于電解液的腐蝕，電池效率衰減很快。隨著研究的不斷深入，鈣鈦礦太陽能電池效率進一步提高，目前NREL認證效率最高已達17.9%。在短短的5年之中，鈣鈦礦太陽能電池效率迅速提高，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。
[0003]中國發(fā)明專利CN 104900810 A公開了一種均勻有機-無機鈣鈦礦薄膜太陽能電池的制備方法，首先按比例配制鈣鈦礦溶膠前驅(qū)液，然后通過多步驟旋轉(zhuǎn)涂布法在潔凈的導(dǎo)電玻璃襯底上制備鈣鈦礦薄膜，為了得到均勻光滑的有機-無機鈣鈦礦薄膜，在旋涂最后階段，通過滴加有機溶劑對薄膜進行處理，最后將薄膜烘干，從而得到均勻光滑有機-無機鈣鈦礦薄膜。該發(fā)明以PH)0T:PSS作為空穴傳輸層，PCBM作為電子傳輸，ZnO納米顆粒膜作為空穴阻擋層制備電池器件。其優(yōu)點是:1、采用一步液相制備方法制備鈣鈦礦薄膜，不需要復(fù)雜設(shè)備，可以非常容易地得到均勻的有機-無機鈣鈦礦薄膜；2、以自制的ZnO納米顆粒溶膠旋涂成膜作為空穴阻擋層，獲得高效率的電池器件。不過其轉(zhuǎn)化效率仍低于 15%。
[0004]中國發(fā)明專利CN 104091889 B公開了一種半導(dǎo)體鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，解決現(xiàn)有鈣鈦礦太陽能電池材料昂貴、工藝復(fù)雜的問題，同時保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的一種半導(dǎo)體鈣鈦礦太陽能電池，自下而上依次包括基底、導(dǎo)電層、空穴阻擋層、介孔電子收集層、介孔空穴收集層、介孔背電極層，其制備方法包括制備電極區(qū)、制備空穴阻擋層、制備介孔電子收集層、制備介孔空穴收集層、制備介孔背電極層和充斥鈣鈦礦吸光材料步驟；本發(fā)明的另一種半導(dǎo)體鈣鈦礦太陽能電池，增加了介孔絕緣層，其制備方法相應(yīng)增加制備介孔絕緣層步驟。本發(fā)明解決了現(xiàn)有鈣鈦礦太陽能電池的材料昂貴、工藝復(fù)雜的問題；在電池的開路電壓、短路電流和填充因子幾方面都有提高。光電轉(zhuǎn)換效率可以達到11.3%。
[0005]中國發(fā)明專利CN 103855307 A公開了一種鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。所述鈣鈦礦太陽電池包括透明電極、空穴傳輸層、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層和金屬電極，其中所述空穴傳輸層包括PEDOT:PSS、P3HT、PTAA、PThTPT1、金屬氧化物和氧化石墨烯中的至少一種。該發(fā)明的鈣鈦礦太陽電池具有較低的成本；所述制備方法工藝簡單，能夠進行規(guī)?；a(chǎn)。其轉(zhuǎn)化效率低于14%。
[0006]中國發(fā)明專利CN 104576932 A公開了一種雙層納米介孔電子傳輸層的I丐鈦礦光伏電池及其制備方法。該電池由導(dǎo)電襯底、雙層結(jié)構(gòu)的電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極組成。采用一步法低溫生長的Sn02作為電子傳輸層，取代了兩步法高溫?zé)Y(jié)的Ti02電子傳輸層，極大簡化了制備流程。這種一步法低溫制備的介孔鈣鈦礦光伏電池在取得13.82%的高光電轉(zhuǎn)換效率，同時有效的降低了制作成本、提高了電池的性能與穩(wěn)定性。不過，其轉(zhuǎn)化效率仍然低于15%。
[0007]上述發(fā)明逐步將鈣鈦礦太陽能電池向產(chǎn)業(yè)化不斷推進，不過，鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)化取決于兩個條件，一是制造成本低，而是其轉(zhuǎn)化效率要高，而目前其效率都還在15%以下。尋找更高效率的太陽能電池結(jié)構(gòu)是人們工作的焦點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:為了充分利用鈣鈦礦材料的性質(zhì)，制備可用于生產(chǎn)的鈣鈦礦太陽能電池，本發(fā)明提供了一種含有石墨烯的太陽能電池及其制備方法。采用本發(fā)明的電池材料及其結(jié)構(gòu)，能夠大幅提尚太陽能電池對光子的吸收及其轉(zhuǎn)化效率，從而提尚太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，改善器件性能。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
1)采用透光率在90%以上的玻璃作為透光層；
2)采用導(dǎo)電玻璃作為透明電極層；
3)制備過渡層:采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備鎳的氧化物層。厚度控制在5_50nm范圍內(nèi)；
4)制備得到電子傳輸層:接著旋涂已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合物，烘干(300°C — 400°C)，制備得到電子傳輸層，厚度控制在10-100nm之間；
5)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，PbI2的濃度為0.5-3.0Mol/L，溶劑為二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:濃度10mg/mL，溶劑為異丙醇；
采用溶液法原位合成鈣鈦礦材料:先在電子傳輸層上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生長出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層。通過控制PbI2與CH3NH3I反應(yīng)溶液的濃度，控制鈣鈦礦的形貌與厚度，厚度控制在50-500nm之間；
6)制備電子吸收層:
將石墨粉加入裝有濃硫酸的容器中，容器置于冰浴中，攪拌均勻，再加入的高錳酸鉀粉末，保持溫度20°C以下攪拌均勻，將攪拌均勻后的溶液升溫到35°C持續(xù)攪拌30分鐘，接著緩慢的向溶液中加入去離子水以及濃度為30%的雙氧水，并把混合物升溫到98°C持續(xù)攪拌15分鐘，直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色；然后將上述溶液在超聲分散儀中振蕩分散，得到穩(wěn)定的分散液。然后滴加水合肼，并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后，恒溫反應(yīng)10-20分鐘，然后用半透膜過濾，將得到的產(chǎn)物分別用去離子水、甲醇、乙醇洗滌，旋涂于鈣鈦礦材料之上，最后在60°C條件下充分干燥，得到的產(chǎn)物就是石墨烯與氧化石墨烯的混合物?？刂品磻?yīng)時間、溶液的濃度與涂布厚度，使電子吸收層的厚度在30-150nm之間，氧化石墨烯的重量百分比含量介于5-30% ；
7)制備空穴傳輸層:
將異丙氧基鈦(或雙(乙酰丙酮基)二異丙基鈦酸酯前驅(qū)體溶液)與乙醇鈮的混合，攪拌均勻，旋涂于電子吸收層上； 8)頂電極的制備:
采用真空熱蒸鍍、噴涂、沉積等方法，在器件上表面蒸鍍50-300nm的導(dǎo)電金屬層或碳層。
[0010]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池透明電極層的材料為透明且能導(dǎo)電的材料組成，包括但不限于銦錫氧化物(ITO，Indium Tin Oxides)、氟錫氧化物(FTO, fluorine doped tinoxide)、招鋅氧化物(AZO，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明電極材料。過渡層為Ni的氧化物，包含但不限于N1、Ni02。電子傳輸層為四元氧化物，由N1、Mg、L1、0四種元素構(gòu)成，且Li / Mg的摩爾比介于1:10與1:3之間。吸光層為具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，所采用的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)光伏材料為ABX3型晶體結(jié)構(gòu)的有機無機雜化鈣鈦礦。其中，B為鉛、錫、銻，X為鹵素元素。電子吸收層為石墨烯與氧化石墨烯的混合物?？昭▊鬏攲佑扇趸飿?gòu)成，包含T1、Nb、0三種元素，且Nb / Ti的摩爾比介于1:30與1:10之間。頂電極為金屬電極或?qū)щ娞疾牧想姌O，如銀、金、銅、石墨、石墨稀等等。
[0011]有益的效果:
采用本發(fā)明的材料與結(jié)構(gòu)，能夠充分利用鈣鈦礦材料的性能，并挖掘其潛能，形成P -1 - N異質(zhì)結(jié)，充分吸收太陽光能并提高其轉(zhuǎn)化率，其轉(zhuǎn)化效率最高可達20%以上。本發(fā)明采用了納米級含鎳過渡層，不僅能夠提升P — I 一 N異質(zhì)結(jié)撲獲吸收光子的能力，而且大大提升了該電池的時間穩(wěn)定性。本發(fā)明采用了石墨烯與氧化石墨稀，使相鄰層的能級更加接近，也有利于提高轉(zhuǎn)化效率。石墨烯相對于富勒烯更容易制備，降低了成本。本發(fā)明主要采用工業(yè)上成熟的涂布法，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大尺寸、低成本、高效率的太陽能電池的生產(chǎn)。然而，現(xiàn)有的含有鈣鈦礦材料的太陽能電池尚未得到大面積可用于生產(chǎn)的樣品，本發(fā)明解決了這一問題，所發(fā)明的技術(shù)適合于制備大面積、高效率的太陽能電池，其成本只有傳統(tǒng)硅太陽能電池的三分之一。