一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，包括：透明導(dǎo)電基底、以及依次形成在透明導(dǎo)電基底上的空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏水長鏈高分子層、由填充于所述疏水長鏈高分子層的網(wǎng)孔中的氧化鋅納米晶組成的電子傳輸層、和背電極，其中所述疏水長鏈高分子層為聚四氟乙烯、三氟乙烯、偏氟乙烯中的至少一種。本發(fā)明專利技術(shù)首次提出將具有疏水性的長鏈高分子作為疏水材料引入鈣鈦礦太陽能電池的制備中，以提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于無機(jī)納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種長期穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
近年來，在能源危機(jī)逐漸加劇，環(huán)境污染程度逐漸變深的背景下，全球光電研究領(lǐng)域取得了極大的進(jìn)展，成為本世紀(jì)最具前景和戰(zhàn)略意義的研究熱點(diǎn)之一。在此領(lǐng)域中，由于成本低、工藝簡單以及性能優(yōu)秀，鈣鈦礦太陽能電池成為了光電器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該電池2009年首次提出的太陽光轉(zhuǎn)換效率僅為4％，經(jīng)過7年的發(fā)展如今認(rèn)證效率已經(jīng)高達(dá)22％，超過非晶硅太陽能電池和銅銦鎵硒太陽能電池當(dāng)前的光電轉(zhuǎn)化效率，具有媲美單晶硅和多結(jié)砷化鎵電池的潛力。因此，積極開展針對鈣鈦礦電池的研究，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和組成材料，對今后國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)和創(chuàng)新發(fā)展有著重大的意義。實(shí)現(xiàn)電池具備高轉(zhuǎn)換效率的基本途徑就是提高光生載流子的提取，分離和運(yùn)輸?shù)哪芰Αｂ}鈦礦太陽能電池由5層不同性能材料組成，這5層結(jié)構(gòu)分別是首先是透明導(dǎo)電電極，常用的是FTO(摻F二氧化錫)或者ITO(氧化銦錫)導(dǎo)電玻璃；隨后是電子傳輸層，用于及時(shí)輸運(yùn)光生電子和阻擋光生空穴，抑制光生電子和光生空穴的復(fù)合；再次是鈣鈦礦吸收材料，主要是鈣鈦礦型有機(jī)鉛鹵化物(ABX3:A＝CH3NH3，B＝Pb，X＝Cl,I,Br)；再次是空穴傳輸層，用于及時(shí)輸運(yùn)光生空穴和阻擋光生電子，抑制光生電子和光生空穴的復(fù)合；最后是背電極，常用的是金，銀和銅。鈣鈦礦太陽能電池是一類基于有機(jī)胺基鹵化鉛的新型太陽能電池。因其兼具了工藝簡單和光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)硅基太陽能電池工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)效率遠(yuǎn)高于有機(jī)太陽能電池和染料敏化太陽能電池等，有望實(shí)現(xiàn)用簡單工藝制備效率超過20％的光電轉(zhuǎn)換器件。然而鈣鈦礦電池穩(wěn)定性是制約其發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用的最大問題。由于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在溫度或濕度較高的環(huán)境下，其晶格易被破壞而導(dǎo)致材料的分解。有關(guān)鈣鈦礦材料本身的穩(wěn)定性主要關(guān)注的是其熱穩(wěn)定性及與水的反應(yīng)敏感性即濕度穩(wěn)定性，這也是雜化鈣鈦礦作為光伏材料能否最終實(shí)用化的關(guān)鍵因素，下面就這兩個(gè)方面進(jìn)行敘述：因此，為了提高鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)用性以及市場化推廣，必須提高鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性。針對這個(gè)現(xiàn)狀，已經(jīng)有一些報(bào)導(dǎo)提出提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的方法。具體來說，等人提出將具有低表面能的有機(jī)物，離子或者化合物(即這些材料分子鏈的末端是氨基基團(tuán)，有疏水功能)，并通過旋涂的方法引入鈣鈦礦太陽能電池，從而相應(yīng)的提高其在自然環(huán)境中的穩(wěn)定性。但是其旋涂方法或選用材料對鈣鈦礦太陽能電池性能穩(wěn)定性的提高仍然有一定的局限性。并且旋涂法制備工藝受局限小尺寸的電池，否則均勻性受到影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對上述問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種具有長期穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。一方面，本專利技術(shù)提供了一種鈣鈦礦太陽能電池，包括：透明導(dǎo)電基底、以及依次形成在透明導(dǎo)電基底上的空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏水長鏈高分子層、由填充于所述疏水長鏈高分子層的網(wǎng)孔中的氧化鋅納米晶組成的電子傳輸層、和背電極，其中所述疏水長鏈高分子層為聚四氟乙烯、三氟乙烯、偏氟乙烯中的至少一種。優(yōu)選為聚四氟乙烯，聚四氟乙烯具有更低的比表面能，更好的疏水性。本專利技術(shù)首次提出將具有疏水性的長鏈高分子作為疏水材料引入鈣鈦礦太陽能電池的制備中，以提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性。具有疏水性的長鏈高分子(例如，聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和三氟氯乙烯等)的比表面能低，表面疏水疏油，穩(wěn)定性極佳。其中所述具有疏水性的長鏈高分子具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以保持較高的疏水性能，并抑制空氣中的水蒸氣向鈣鈦礦電池內(nèi)部滲透，避免了水與鈣鈦礦吸收層發(fā)生反應(yīng)(具體反應(yīng)方程式參見
技術(shù)介紹
部分)，因此可以進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽能電池長期穩(wěn)定性。另外，其中氧化鋅納米晶填充在疏水長鏈高分子層的空隙(網(wǎng)孔)中，同時(shí)疏水長鏈高分子層保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，二者相結(jié)合不僅沒有影響氧化鋅電子傳輸層及時(shí)的輸運(yùn)光生電子和阻擋光生空穴，而且可以有效的阻隔空氣或者環(huán)境的水和氧氣。較佳地，所述疏水長鏈高分子層的厚度為100～400nm，優(yōu)選為100～200nm。較佳地，所述氧化鋅電子傳輸層是由填充于疏水長鏈高分子層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔中的氧化鋅納米晶組成。較佳地，所述氧化鋅電子傳輸層和疏水長鏈高分子層的體積比為(1～10)：(10～1)，優(yōu)選為(3～7)：(1～3)。較佳地，所述空穴傳輸層為無機(jī)空穴傳輸層或有機(jī)空穴傳輸層，優(yōu)選為無機(jī)空穴傳輸層，更優(yōu)選為鎳氧化物或鈷氧化物。有機(jī)空穴傳輸層可為Spiro-OMeAD、PCBM(一種富勒烯衍生物)等。較佳地，所述的鈣鈦礦光吸收層為鈣鈦礦型有機(jī)鉛鹵化物CH3NH3PbX3，其中X為Cl、I和Br中的至少一種。較佳地，所述透明導(dǎo)電基底為FTO玻璃、ITO玻璃、AZO玻璃中的一種。另一方面，本專利技術(shù)還提供了一種鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括：(A)采用直流磁控濺射法在潔凈的透明導(dǎo)電基底上沉積空穴傳輸層；(B)在所得的空穴傳輸層上制備鈣鈦礦光吸收層；(C)以具有疏水性的長鏈高分子作為原料粉體，在所得的鈣鈦礦光吸收層上真空蒸發(fā)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏水長鏈高分子層；(D)以純鋅為靶材，以氬氣和氧氣為濺射氣體，采用直流磁控濺射法在所得在表面沉積有所述疏水長鏈高分子層的基底上沉積得到氧化鋅電子傳輸層；(E)在所得的氧化鋅電子傳輸層上真空蒸鍍背電極。本專利技術(shù)首次通過磁控濺射在透明導(dǎo)電基底(例如FTO襯底上)制備空穴傳輸層(鎳氧化物或鈷氧化物等)，隨后制備鈣鈦礦吸收層材料。本專利技術(shù)首次通過真空蒸發(fā)制備疏水長鏈高分子層，通過控制蒸發(fā)時(shí)間或/和工作電流可以獲得具有不同密度網(wǎng)孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于疏水長鏈高分子具有極強(qiáng)的疏水性質(zhì)，普通的有機(jī)或無機(jī)載流子傳輸材料不能通過旋涂進(jìn)入疏水長鏈高分子層的網(wǎng)孔中。因此，本專利技術(shù)首次提出通過磁控濺射將高能粒子注入疏水長鏈高分子層的網(wǎng)孔中，并通過調(diào)節(jié)濺射功率和/或時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)氧化鋅與疏水長鏈高分子層體積比例的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)二者的比例最佳時(shí)，可以在保證穩(wěn)定性的前提下，獲得最好的性能。另外，需要指出的是本專利技術(shù)為常溫制備，制備過程中也不需要任何額外的加熱。本實(shí)驗(yàn)方案中鋅靶的濺射功率比較低，粒子能量小，不能夠完全融化聚四氟乙烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。較佳地，步驟(A)中，所述空穴傳輸層的制備方法包括：以金屬Ni或Co作為第一靶材、以氬氣和氧氣作為濺射氣體，采用直流磁控共濺射法在基底表面沉積鎳氧化物或鈷氧化物薄膜；其中，施加于所述第一靶材上的直流電源的功率為100～700W或者功率密度為1.3～8.9W/cm2；控制濺射氣體的總壓強(qiáng)為0.5～2.5Pa，氧分壓為50％以下；沉積時(shí)間為1～5分鐘。或者，步驟(A)中，所述空穴傳輸層的制備方法包括：以金屬鎳作為第一靶材、以銅、鈷、鎂、鋁、鋅和鈦中的至少一種摻雜金屬作為第二靶材、以氬氣和氧氣作為濺射氣體，采用直流磁控共濺射法在基底表面沉積鎳氧化物薄膜；其中，施加于所述第一靶材上的直流電源的功率為100～700W或者功率密度為1.3～8.9W/cm2；施加于所述第二靶材上的直流電源的功率為5～50W或者功率密度為0.065～0.65W/cm2；控制濺射氣體的總壓強(qiáng)為0.5～2.5Pa，氧分壓為50％以下；沉積時(shí)間為1～5分鐘。較佳地，步驟(C)中，控制蒸發(fā)腔體氣壓≤5×10-4Pa，基底與原料粉體的距離為8本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，包括：透明導(dǎo)電基底、以及依次形成在透明導(dǎo)電基底上的空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏水長鏈高分子層、由填充于所述疏水長鏈高分子層的網(wǎng)孔中的氧化鋅納米晶組成的電子傳輸層、和背電極，其中所述疏水長鏈高分子層為聚四氟乙烯、三氟乙烯、偏氟乙烯中的至少一種。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，包括：透明導(dǎo)電基底、以及依次形成在透明導(dǎo)電基底上的空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏水長鏈高分子層、由填充于所述疏水長鏈高分子層的網(wǎng)孔中的氧化鋅納米晶組成的電子傳輸層、和背電極，其中所述疏水長鏈高分子層為聚四氟乙烯、三氟乙烯、偏氟乙烯中的至少一種。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述疏水長鏈高分子層的厚度為100～400nm，優(yōu)選為100～200nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述氧化鋅電子傳輸層和疏水長鏈高分子層的體積比為（1～10）：（10～1）。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層為無機(jī)空穴傳輸層或有機(jī)空穴傳輸層，優(yōu)選為無機(jī)空穴傳輸層，更優(yōu)選為鎳氧化物或鈷氧化物。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述的鈣鈦礦光吸收層為鈣鈦礦型有機(jī)鉛鹵化物CH3NH3PbX3，其中X為Cl、I和Br中的至少一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電基底為FTO玻璃、ITO玻璃、AZO玻璃中的一種。7.一種如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括：（A）在潔凈的透明導(dǎo)電基底上沉積空穴傳輸層；（B）在所得的空穴傳輸層上制備鈣鈦礦光吸收層...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：金平實(shí)，李榮，黃愛彬，周奕杰，包山虎，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31