一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔层结构的钙钛矿型太阳能电池及其制备方法，该钙钛矿型太阳能电池包括依次层叠的衬底，致密层，多孔层，吸光层，空穴传输层和金属电极层。本发明专利技术通过使用新型多孔层，即利用NaYF4为基质的上转换材料与TiO2纳米颗粒的混合物来制备多孔层。上转换材料，可吸收近红外光发出可见光，此多孔材料不仅能增长电子传输路径，减少其电子空穴对的复合，而且可有效提高钙钛矿薄膜层吸收的光子数。本发明专利技术制备方法的优点是：工艺简单，可控性好，协调性高。

Porous layer structure perovskite type solar cell and preparation method thereof

The invention discloses a porous layer structure of perovskite type solar cell and a preparation method of the perovskite type solar cell comprises a substrate, sequentially compact layer, porous layer, light absorbing layer, a hole transport layer and metal electrode layer. The present invention provides a porous layer by using a novel porous layer, which is a mixture of an upper conversion material using NaYF4 as a matrix and a TiO2 nanoparticle. Up conversion material, can absorb near-infrared light to emit visible light, the porous materials can not only increase the electronic transmission path, reducing the recombination of electron hole pairs, and can effectively improve the photon number of absorbed layer Perovskite Thin films. The preparation method of the invention has the advantages of simple process, good controllability and high coordination.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池
，特别涉及一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
由于地球变暖现象日益严重，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制，石油、煤炭等传统能源数年后将消耗殆尽，人们对新能源的重视与需求日益凸显，这些因素都激发了太阳能电池产业的蓬勃发展。目前，硅基太阳能电池已实现产业化，并有着较为成熟的市场，但由于其制备工艺流程长，制备过程能耗高，设备昂贵等缺点，其性价比还无法与传统能源相竞争。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池势在必行。钙钛矿太阳能电池，为近两年光伏领域一匹黑马，其吸光材料是利用ABX3(A＝CH3NH3+等；B＝Pb2+，Sn2+等；X＝Cl-，Br-，I-等)钙钛矿结构的光伏材料，具有吸光范围宽，较高的载流子迁移率及较长的载流子寿命等优点，在众多类型的太阳能电池中脱颖而出。多孔层钙钛矿太阳能电池是在导电玻璃上旋涂一层致密TiO2(n型半导体)，然后在其上面旋涂多孔TiO2或者Al2O3薄膜，随后依次旋涂CH3NH3PbI3，空穴传输层，最后真空蒸镀一层金属电极，比如Au，Ag，Al。在光伏材料中应用中，多孔层主要起骨架支撑，或延长电子传输路径，减少电子和空穴复合率的作用，材料主要有TiO2，Al2O3，ZnO，ZrO2，SnO2和SiO2等。钙钛矿材料主要吸收波长为300-600nm的可见光，不吸收红外光。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池及其制备方法，利用上转换发光材料与TiO2混合物作为电子传输层和光转换层；吸收不能被钙钛矿材料吸收的红外光，转换成可见光，从而被钙钛矿材料有效吸收。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池，包括从上至下依次叠层设置的FTO玻璃衬底、TiO2致密层、上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。进一步的，上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层中的上转化发光材料是以NaYF4为基质掺杂稀土元素，粒径为40-50nm；上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层中的TiO2为P25，粒径为20-25nm；上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层中上转化发光材料与TiO2的重量比为1-8：4；所掺杂稀土元素为铒、铥、钬中一种和镱；所掺杂镱的化学计量比为2％；所掺杂铒、铥、钬中一种的化学计量比为0.5％。进一步的，上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层的制备方法包括以下步骤：将NaYF4为基质上转换材料与二氧化钛P25按重量比为1-8：4均匀混合，获得混合物A；将乙基纤维素，松油醇，酒精按重量比1：1-3：20均匀混合，获得溶胶B；将溶胶B置于容器，然后把混合物A倒容器中，混合物A与溶胶B的质量比为1：200-400；将密封容器后置于磁力搅拌器上持续搅拌12h以上，然后超声4-8h，得到浆料D；在TiO2致密层表面旋涂浆料D，旋涂过程分为两个步骤，首先以500r/min的速率旋涂5s，然后以2500-5000r的速率旋涂45s；接着将膜放在130℃的热板上烘烤10min，降至室温后，继续重复旋涂-烘烤的步骤，最后在TiO2薄膜表面旋涂上转化发光材料/TiO2薄膜2-5层；将旋涂完上转化发光材料/TiO2混合物的薄膜置于马弗炉中，400-500℃退火60min，取出后放置100M的TiCl4溶液中70℃浸泡30-60min，然后继续在马弗炉中，400-500℃退火30-100min，降至室温后，获得上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层。进一步的，FTO玻璃衬底的方块电阻是12Ω，透过率为75％；所述钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层；所述空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTAD)空穴传输层；所述金属电极为Au背电极层或Ag背电极层。进一步的，FTO玻璃衬底的厚度为100-150nm；TiO2致密层的厚度为20-80nm；上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层的厚度为150-200nm；钙钛矿吸光层的厚度为200-300nm；空穴传输层的厚度为40-60nm，金属电极的厚度为150-200nm。一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1)将FTO玻璃衬底清洁干净；2)在FTO玻璃衬底表面制备一层TiO2致密层；3)在TiO2致密层上形成一层上转换发光材料/TiO2混合物的多孔层；4)在多孔层上制备一层钙钛矿吸收层；5)在钙钛矿吸收层上制备一层空穴传导层；6)在空穴传导层上制备形成金属电极。进一步的，步骤3)包括以下步骤：将NaYF4为基质上转换材料与二氧化钛P25按重量比为1-8:4均匀混合，获得混合物A；将乙基纤维素，松油醇，酒精按重量比1：1-3：20均匀混合，获得溶胶B；将溶胶B置于容器，然后把混合物A倒容器中，混合物A与溶胶B的质量比为1：200-400；将密封容器后置于磁力搅拌器上持续搅拌12h以上，然后超声4-8h，得到浆料D；在TiO2致密层表面旋涂浆料D，旋涂过程分为两个步骤，首先以500r/min的速率旋涂5s，然后以2500-5000r的速率旋涂45s；接着将膜放在130℃的热板上烘烤10min，降至室温后，继续重复旋涂-烘烤的步骤，最后在TiO2薄膜表面旋涂上转化发光材料/TiO2薄膜2-5层；将旋涂完上转化发光材料/TiO2混合物的薄膜置于马弗炉中，400-500℃退火60min，取出后放置100M的TiCl4溶液中70℃浸泡30-60min，然后继续在马弗炉中，400-500℃退火30-100min，降至室温后，获得上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层。进一步的，NaYF4为基质上转换材料是以NaYF4为基质掺杂稀土元素，粒径为40-50nm；所掺杂稀土元素为铒、铥、钬中一种和镱；所掺杂镱的化学计量比为2％；所掺杂铒、铥、钬中一种的化学计量比为0.5％。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用湿化学方法制备多孔层钙钛矿太阳能电池，主要包括先驱液的配制，薄膜与多孔层的旋涂及溶剂处理，旋涂后热处理，以及电池器件的制备。本专利技术的优点是：工艺简单，可控性好，协调性高。为使得太阳光能够更大范围内的有效利用，本专利技术制备出新的多孔层，即利用具有上转换发光材料特性的材料与TiO2纳米颗粒混合物来制备多孔层；上转换发光材料是指特定的基质材料，通过将稀土离子掺入晶格位置，形成发光中心，发光中心相继吸收两个或者多个光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池，其特征在于：包括从上至下依次叠层设置的FTO玻璃衬底、TiO2致密层、上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。

【技术特征摘要】
1.一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池，其特征在于：包括从上至下依次叠层设置的FTO
玻璃衬底、TiO2致密层、上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层、钙钛矿吸光层、空穴传输层
和金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，上转化发光
材料/TiO2混合物的多孔层中的上转化发光材料是以NaYF4为基质掺杂稀土元素，粒径为
40-50nm；上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层中的TiO2为P25，粒径为20-25nm；上转化发光
材料/TiO2混合物的多孔层中上转化发光材料与TiO2的重量比为1-8：4；所掺杂稀土元素为铒、
铥、钬中一种和镱；所掺杂镱的化学计量比为2％；所掺杂铒、铥、钬中一种的化学计量比为
0.5％。
3.根据权利要求1所述的一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，上转化发光
材料/TiO2混合物的多孔层的制备方法包括以下步骤：
将NaYF4为基质上转换材料与二氧化钛P25按重量比为1-8：4均匀混合，获得混合物A；将
乙基纤维素，松油醇，酒精按重量比1:1-3:20均匀混合，获得溶胶B；将溶胶B置于容器，然后
把混合物A倒容器中，混合物A与溶胶B的质量比为1：200-400；将密封容器后置于磁力搅拌器
上持续搅拌12h以上，然后超声4-8h，得到浆料D；
在TiO2致密层表面旋涂浆料D，旋涂过程分为两个步骤，首先以500r/min的速率旋涂5s，
然后以2500-5000r的速率旋涂45s；接着将膜放在130℃的热板上烘烤10min，降至室温后，继
续重复旋涂-烘烤的步骤，最后在TiO2薄膜表面旋涂上转化发光材料/TiO2薄膜2-5层；
将旋涂完上转化发光材料/TiO2混合物的薄膜置于马弗炉中，400-500℃退火60min，取出后
放置100M的TiCl4溶液中70℃浸泡30-60min，然后继续在马弗炉中，400-500℃退火30-100min，
降至室温后，获得上转化发光材料/TiO2混合物的多孔层。
4.根据权利要求1所述的一种多孔层结构钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，FTO玻璃衬

\t底的方块电阻是12Ω，透过率为75％；所述钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层；所述空
穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-MeOTA...

【专利技术属性】
技术研发人员：阙文修，阙美丹，尹行天，陈鹏，杨亚威，杜亚平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61