一种高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其液相制备方法技术

本发明专利技术提供一种高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其液相制备方法，太阳能电池包括：透明导电玻璃、电子传输层、介孔层、绝缘支架层、钙钛矿活性层和碳电极层；所述太阳能电池是在自然空气气氛中采用液相法制备而成，首先制备前驱液，然后以透明导电玻璃为基片，放入TiCl4水溶液处理后煅烧，制得电子传输层，再以此为基片，依次旋涂TiO2浆料和ZrO2浆料，适时干燥和热处理，制得介孔层和绝缘支架层；在此基片滴入前驱液并加热制得钙钛矿活性层，在此基片上刮涂导电碳浆，从而制得高稳定性的钙钛矿太阳能电池；本发明专利技术制备的太阳能电池功率转换效率高，长期使用性能稳定，制备工艺简单、制造成本低廉，可以满足大规模的的工业化生产要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其液相制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
，具体涉及一种低成本、高功率转换效率的基于碳电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池及其简单的液相制备方法。
技术介绍
进入到21世纪之后，随着工业和经济的高速发展能源危机已突出显现。因此，开发清洁的可再生能源势在必行。光伏发电作为新一代可再生能源的支柱产业，拥有清洁、无污染、成本低廉等优点。近年来，以钙钛矿为吸光层的新型太阳能电池创造了光伏技术的突破性进展。由于钙钛矿材料吸光系数高、带隙可控、双极性(既能传输电子又能传输空穴)、扩散长度较长和载流子迁移率高等优点，使钙钛矿材料拥有较好的光电性能，钙钛矿太阳能电池可以实现高的功率转换效率。但是，目前功率转换高的钙钛矿太阳能电池在高纯净的手套箱中制备，并采用昂贵的空穴传输层和贵金属电极，其制备成本高、稳定性差等问题不利于工业化大规模生产。中国专利CN105870335A公开了一种制备工艺简单的钙钛矿太阳能电池，以介孔支架结构器件为基础，简化了器件结构，将碳电极替换昂贵的贵金属电极，在一定的程度上改善了钙钛矿太阳能电池的性能。但是介孔支架层和碳电极依次要经过丝网印刷，煅烧制备多孔薄膜电极后，放入手套箱中，滴加钙钛矿前驱液，渗透进入介孔层后，挥发溶剂，结晶，完成制备。制备过程后期使用手套箱，制备过程不是全部在自然空气下完成。中国专利CN106601833A公开了一种适于生产的低成本高稳定性太阳能电池及其制备方法。虽然钙钛矿太阳能电池功率转换效率超过了16％以上，但采用了真空热蒸镀、喷涂、沉积等方法，最后真空蒸镀金属电极，存在器件制备成本高和制备过程条件要求高，操作复杂等问题。虽然上述专利技术专利逐步将钙钛矿太阳能电池向产业化不断推进，但是钙钛矿太阳能电池对氧气、水份敏感，且缺陷较易形成，导致钙钛矿太阳能电池稳定性较差。寻找稳定的钙钛矿太阳能电池制备方法是该领域一致努力的目标。中国专利CN106328813A公开了一种高稳定性掺铯钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。该专利申请通过阳离子的掺杂，一定程度上提高了器件稳定性，但引入了昂贵的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-MeOTAD)基空穴传输层。致使器件成本高，并且稳定性仍很低。由此可见，通过对钙钛矿材料阳离子掺杂，可以增强其结晶性和稳定，同时调整钙钛矿材料禁带宽度，最终可以提高钙钛矿太阳能电池功率转换效率和稳定性，因此，针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种在自然空气下，基于碳电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池及其成本低的简单液相制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服钙钛矿太阳能电池制备方面现有技术的不足，提出了器件结构优化，不使用昂贵材料，在自然空气条件下采用简单的液相法制备高稳定性的钙钛矿太阳能电池的方案。本专利技术制备的钙钛矿太阳能电池具有功率转换效率高，在自然空气条件下长期稳定，并且制备工艺简单和制造成本低廉的优势，可以满足大规模的的工业化生产要求。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高稳定性的钙钛矿太阳能电池，优选，所述钙钛矿太阳能电池包括：透明导电玻璃、电子传输层、介孔层、绝缘支架层、钙钛矿活性层和碳电极层；所述钙钛矿活性层是混合阳离子钙钛矿。如上所述的钙钛矿太阳能电池，优选，所述钙钛矿活性层是采用一步旋涂法制备钙钛矿活性层，所述钙钛矿活性层是混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3，其中x为物质的量分数；优选地，所述混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3中的x为0.05～0.45；再优选地，所述混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3包括甲眯阳离子和甲胺阳离子；再优选地，所述钙钛矿活性层渗透填充到介孔层和绝缘支架层中，并覆盖绝缘支架层的表面；再优选地，所述钙钛矿活性层的厚度为300～700nm。如上所述的钙钛矿太阳能电池，优选，所述透明导电玻璃为FTO导电玻璃；所述电子传输层为纳米TiO2层；所述介孔层为介孔TiO2层；所述绝缘支架层为多孔ZrO2层；所述碳电极层为疏水性碳电极。如上所述的钙钛矿太阳能电池，优选，所述电子传输层的厚度为10～40nm；所述介孔层的厚度为150～300nm；所述绝缘支架层的厚度为150～300nm；所述碳电极层的厚度为8～20μm。如上任一项所述的钙钛矿太阳能电池的液相制备方法，优选，所述液相制备方法是在自然空气气氛中采用旋涂和刮涂的液相法完成所有的制备过程；所述液相制备方法包括如下步骤：1)制备混合阳离子钙钛矿前驱液按照一定的物质的量分数来制备混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3前驱液，备用；2)透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极的制备将FTO导电玻璃经超声清洗并吹干后放入TiCl4水溶液处理，接着置于加热台上煅烧，形成TiO2电子传输层，从而获得透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极；3)透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层薄膜电极的制备在步骤2)制备的透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极上旋涂TiO2浆料，干燥后，放置于加热台上低温热处理后，自然冷却至室温，再旋涂ZrO2浆料，干燥后，放置于加热台上煅烧后，自然冷却至室温，从而获得透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层薄膜电极；4)透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层/钙钛矿活性层薄膜电极的制备将步骤3)制备的透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层薄膜电极置于加热台上预热后，滴加混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3前驱液，放置于加热台上，加热并保温晶化，从而获得透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层/钙钛矿活性层薄膜电极；5)获得钙钛矿太阳能电池在步骤4)制备的透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层/钙钛矿活性层薄膜电极上刮涂导电碳浆后，固化，制备碳电极，从而获得稳定的钙钛矿太阳能电池。如上所述的液相制备方法，优选，步骤1)中，所述混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3前驱液的制备过程包括：将碘化铅和碘化甲胺放入无水N,N-二甲基甲酰胺中，超声使其完全溶解，获得MAPbI3的DMF溶液；将碘化铅和碘化甲脒放入无水N,N-二甲基甲酰胺中，超声使其完全溶解，获得FAPbI3的DMF溶液；将MAPbI3的DMF溶液和FAPbI3的DMF溶液按照一定的物质的量分数进行混合，获得混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3前驱液，其中x为物质的量分数，x为0.05～0.45。如上所述的液相制备方法，优选，步骤2)中，将FTO导电玻璃经超声清洗并吹干后放入浓度为0.03～0.10mol/L的TiCl4水溶液50～80℃处理20～50min，接着再分别用去离子水和无水乙醇清洗后，置于400～500℃加热台上煅烧10～40min，形成纳米TiO2电子传输层，从而获得透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极。如上所述的液相制备方法，优选，步骤3)中，在透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极上旋涂TiO2浆料，干燥后，放置于150～250℃加热台上热处理8～12min后，自然冷却至室温；再旋涂ZrO2浆料，干燥后，放置于450～600℃加热台上热处理25～35min后，自然冷却至室温，从而获得透明导电玻璃/电子传输层/介本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高稳定性的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括：透明导电玻璃、电子传输层、介孔层、绝缘支架层、钙钛矿活性层和碳电极层；所述钙钛矿活性层是混合阳离子钙钛矿。

【技术特征摘要】
1.一种高稳定性的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括：透明导电玻璃、电子传输层、介孔层、绝缘支架层、钙钛矿活性层和碳电极层；所述钙钛矿活性层是混合阳离子钙钛矿。2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿活性层是采用一步旋涂法制备钙钛矿活性层，所述钙钛矿活性层是混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3，其中x为物质的量分数；优选地，所述混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3中的x为0.05～0.45；再优选地，所述混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3包括甲眯阳离子和甲胺阳离子；再优选地，所述钙钛矿活性层渗透填充到介孔层和绝缘支架层中，并覆盖绝缘支架层的表面；再优选地，所述钙钛矿活性层的厚度为300～700nm。3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电玻璃为FTO导电玻璃；所述电子传输层为纳米TiO2层；所述介孔层为介孔TiO2层；所述绝缘支架层为多孔ZrO2层；所述碳电极层为疏水性碳电极。4.如权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的厚度为10～40nm；所述介孔层的厚度为150～300nm；所述绝缘支架层的厚度为150～300nm；所述碳电极层的厚度为8～20μm。5.一种如权利要求1-4任一项所述的钙钛矿太阳能电池的液相制备方法，其特征在于，所述液相制备方法是在自然空气气氛中采用旋涂和刮涂的液相法完成所有的制备过程；所述液相制备方法包括如下步骤：1)制备混合阳离子钙钛矿前驱液按照一定的物质的量分数来制备混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3前驱液，备用；2)透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极的制备将FTO导电玻璃经超声清洗并吹干后放入TiCl4水溶液处理，接着置于加热台上煅烧，形成TiO2电子传输层，从而获得透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极；3)透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层薄膜电极的制备在步骤2)制备的透明导电玻璃/电子传输层薄膜电极上旋涂TiO2浆料，干燥后，放置于加热台上低温热处理后，自然冷却至室温，再旋涂ZrO2浆料，干燥后，放置于加热台上煅烧后，自然冷却至室温，从而获得透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层薄膜电极；4)透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层/钙钛矿活性层薄膜电极的制备将步骤3)制备的透明导电玻璃/电子传输层/介孔层/绝缘支架层薄膜电极置于加热台上预热后，滴加混合阳离子钙钛矿(FA)x(MA)1-xPbI3前驱液，放置于加热台上，加热并保温...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟哈日巴拉，刘会敬，付乌有，张波，王晓东，孙广，曹建亮，张战营，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41