一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池及其制备方法，其电池结构由下至上分别是FTO导电玻璃、TiO

【技术实现步骤摘要】
一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池领域，特别涉及一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池及其制备方法。
技术介绍
2009年日本Miyasakad等用CH3NH3PbI3(MAPbI3)替代染料作为染料敏化电池的光吸收层，获得了3.81%的光电转换效率。经过几年的发展研究，复合钙钛矿太阳能电池效率迅速突破21%，达到甚至超过目前市场上主流的太阳能电池转换效率。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，但是目前高效的钙钛矿太阳能电池中的铅不仅造成环境污染，更重要的还会对人的神经系统、生殖系统和脑部系统有不可逆的损伤。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中钙钛矿太阳能电池对环境污染和人类健康危害的问题，提供一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池及其制备方法，其采用金属离子Mg来替换现有技术中钙钛矿的铅离子，从而制备出化学性能稳定，覆盖率高的镁基钙钛矿太阳能电池。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，所述钙钛矿电池结构由下至上分别是FTO导电玻璃、TiO2致密层、TiO2多孔层、Mg基钙钛矿吸收层、空穴传输层和银电极。所述Mg基钙钛矿吸收层的材料为钙钛矿晶体CH3NH3MgI3。所述空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD。一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池的制备方法，其制备方法包括以下步骤：（1）在FTO导电玻璃导电侧用胶带盖住不需刻蚀的区域，刻蚀未覆盖的区域，直至刻蚀区域不导电，并去除非刻蚀区域上的胶带，然后分别用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗后烘干；（2）在清洁干燥的FTO导电玻璃的导电侧面上制备TiO2致密层；（3）在步骤（2）制得TiO2致密层上制备TiO2多孔层，TiO2多孔层是由TiO2与无水乙醇以质量比1:3的比例配置而成的浆料进行热处理得到；（4）在步骤（3）制得TiO2多孔层上旋涂质量分数为20-40%的CH3NH3MgI3溶液，其中CH3NH3MgI3溶液的溶剂为由γ-丁内酯与二甲基亚砜以摩尔比1：1的比例配置而成的混合有机溶剂，然后将旋涂上的CH3NH3MgI3溶液经过热处理，得到Mg基钙钛矿吸收层；（5）在步骤（4）制得Mg基钙钛矿吸收层旋涂空穴传输层；（6）在步骤（5）制得空穴传输层上和刻蚀区域用热蒸镀法镀上一层银电极，即得到无铅有机卤化镁钙钛矿电池。所述步骤（1）中，用胶带盖住FTO导电玻璃非刻蚀区域，在刻蚀区散上锌粉，向锌粉上滴稀盐酸，直至刻蚀区不导电。所述步骤（2）中，用胶带盖住刻蚀区域，将异丙醇钛溶于乙醇制得浓度为0.2mol/L的异丙醇钛溶液，在清洁干燥的FTO导电玻璃导电侧面上旋涂异丙醇钛溶液，去除刻蚀区域上的胶带，然后在450-550℃下热处理制得TiO2致密层。所述步骤（3）中，用胶带盖住刻蚀区域，在制备好的TiO2致密层上旋涂多孔TiO2浆料，其中多孔TiO2浆料由TiO2与无水乙醇按质量比1:3的比例配置而成的浆料，去除刻蚀区域上的胶带，然后在500℃下热处理得到TiO2多孔层。所述CH3NH3MgI3溶液为将MgI2和CH3NH3I按摩尔比1:1溶于混合有机溶剂而成，所述混合有机溶剂为γ-丁内酯与二甲基亚砜的摩尔比为1:1的比例配置而成。在步骤（4）中，用胶带盖住刻蚀区域，将配置好的质量分数为20-40%的CH3NH3MgI3溶液超声震荡2h，震荡温度保持在60~65℃，然后在手套箱中使用一步旋涂法，将CH3NH3MgI3溶液旋涂于制备好的TiO2多孔层上，去除刻蚀区域上的胶带，再在60-160℃下热处理制得Mg基钙钛矿吸收层。所述步骤（5）中，用胶带盖住刻蚀区域，将Spiro-OMeTAD溶于氯苯中制得浓度为0.1mol/L的Spiro-OMeTAD溶液，于手套箱内在Mg基钙钛矿吸收层上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，去除刻蚀区域上的胶带，在避光的干燥的空气中放置8~12h后制得空穴传输层。有益效果：本专利技术所述的一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池及其制备方法，本专利技术以镁基卤化物钙钛矿薄膜替换现有的铅基卤化物钙钛矿薄膜，发展出了新的无铅钙钛矿电池，有利于对环境和人类健康的保护；+2价的镁相比于+2价的铅和锡更为稳定，因此镁基钙钛矿的化学稳定性更好，同时镁的价格低廉，极大地降低了钙钛矿吸收层薄膜的制作成本。该方法属于溶液法，操作简单，成功率高，能制备出高质量无铅镁基钙钛矿吸收层薄膜材料。附图说明图1是本专利技术提供的无铅有机卤化镁钙钛矿电池的结构示意图。其中：1为FTO导电玻璃、2为TiO2致密层、3为TiO2多孔层、4为Mg基钙钛矿吸收层、5为空穴传输层、6为银电极。具体实施方式为了进一步说明本专利技术，列举以下实例实施。实施例1一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，其通过以下方法制备得到：1、制备MgI2（1）MgO和HI按摩尔比1:2混合于锥形烧瓶中，用保鲜膜密封，在冰浴的环境下磁力搅拌2h；（2）使用真空旋转蒸发仪将步骤（1）搅拌后溶液旋转蒸发得到含水量较高的MgI2。（3）将步骤（2）蒸发得到的含水量较高的MgI2置于真空干燥箱中干燥，得到无水MgI2，用小棕瓶置于干燥环境中避光保存。2、制备Mg基钙钛矿太阳能电池（1）在FTO导电玻璃1导电侧用胶带盖住非刻蚀区，在需要刻蚀的区域撒上锌粉，往锌粉上滴稀盐酸，直至刻蚀区不导电，揭下胶带，分别用丙酮、无水乙醇、蒸馏水超声清洗；（2）用胶带盖住刻蚀区域，以乙醇为溶液配制浓度为0.2mol/L异丙醇钛溶液，在清洁干燥的FTO导电玻璃1的导电侧面上旋涂异丙醇钛溶液，揭下胶带，在500℃下热处理制得TiO2致密层2；（3）用胶带盖住刻蚀区域，在步骤（2）制得TiO2致密层2上旋涂多孔TiO2浆料，其中多孔TiO2浆料由TiO2与无水乙醇按质量比1:3的比例配置而成的浆料，揭下胶带，然后在500℃下热处理得到TiO2多孔层3；（4）用胶带盖住刻蚀区域，将质量分数为30%CH3NH3MgI3溶液超声震荡2h，震荡温度保持在60~65℃，其中CH3NH3MgI3溶液为将MgI2和CH3NH3I按摩尔比1:1溶于混合有机溶剂而成，混合有机溶剂为γ-丁内酯与二甲基亚砜的摩尔比为1:1的比例配置而成，然后在手套箱中使用一步旋涂法，将CH3NH3MgI3溶液旋涂于制备好的TiO2多孔层3上，揭下胶带，再在100℃下热处理制得Mg基钙钛矿吸收层4；（5）用胶带盖住刻蚀区域，以氯苯为溶剂配制浓度为0.1mol/L的Spiro-OMeTAD溶液，于手套箱内在步骤（4）制得Mg基钙钛矿吸收层4上旋涂Spiro-OMeTAD溶液，揭下胶带，在避光的干燥的空气中放置10h后制得空穴传输层5；（6）在步骤（5）制得空穴传输层5和刻蚀区上用热蒸镀法镀上一层银电极6，即得到无铅有机卤化镁钙钛矿电池。研究人员通过第一性原理计算得到CH3NH3MgI3的容许系数分别是1.02，容许系数在0.81-1.11范围内的钙钛矿被视为理想的钙钛矿模型。计算得到的CH3NH3MgI3带隙是1.5eV。通过本申请提供的溶液法制备钙钛矿太阳能电池降低电池成本，且操作方便，可以制备大面积钙钛矿薄膜。实施例2一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，其通过以下方法制备得到：1、制备MgI2（1）MgO和HI按摩尔比1:2混合与锥形烧瓶中，用保鲜膜密封，在冰浴的环境下磁力搅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，其特征在于：所述钙钛矿电池结构由下至上分别是FTO导电玻璃、TiO

【技术特征摘要】
1.一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，其特征在于：所述钙钛矿电池结构由下至上分别是FTO导电玻璃、TiO2致密层、TiO2多孔层、Mg基钙钛矿吸收层、空穴传输层和银电极。2.根据权利要求1所述的一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，其特征在于：所述Mg基钙钛矿吸收层的材料为钙钛矿晶体CH3NH3MgI3。3.根据权利要求1所述的一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池，其特征在于：所述空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：（1）将FTO导电玻璃非刻蚀区域用胶带盖住，刻蚀未覆盖的区域，直至刻蚀区域不导电，去除非刻蚀区域上的胶带，然后清洗干净后烘干；（2）在清洁干净的FTO导电玻璃的导电侧面上制备TiO2致密层；（3）在步骤（2）制得TiO2致密层上制备TiO2多孔层，TiO2多孔层是由TiO2与无水乙醇以质量比1:3的比例配置而成的浆料进行热处理得到；（4）在步骤（3）制得TiO2多孔层上旋涂质量分数为20-40%的CH3NH3MgI3溶液，其中CH3NH3MgI3溶液的溶剂为由γ-丁内酯与二甲基亚砜以摩尔比1：1的比例配置而成的混合有机溶剂，然后将旋涂上的CH3NH3MgI3溶液经过热处理，得到Mg基钙钛矿吸收层；（5）在步骤（4）制得Mg基钙钛矿吸收层旋涂空穴传输层；（6）在步骤（5）制得空穴传输层和刻蚀区域上用热蒸镀法镀上一层银电极，即得到无铅有机卤化镁钙钛矿电池。5.根据权利要求4所述的一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，用胶带盖住FTO导电玻璃非刻蚀区域，在刻蚀区散上锌粉，向锌粉上滴稀盐酸，直至刻蚀区不导电。6.根据权利要求4所述的一种无铅有机卤化镁钙钛矿电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：马爱斌，陈哲勰，陈建清，宋丹，王家佳，杨东辉，江静华，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32