一种钙钛矿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钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池自下而上依次包括：导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和阳极层，电子传输层包括下层的致密层和上层的介孔层，致密层和介孔层均由同一种金属氧化物材料制成，介孔层为量子点修饰的混晶相金属氧化物介孔薄膜，量子点位于介孔层与钙钛矿吸光层之间。本发明专利技术采用具有优异光电特性的量子点材料修饰具有较高载流子迁移率的混晶相金属氧化物薄膜，提升电子的传输性能，并获得高电流密度和高效率的钙钛矿太阳能电池。

Perovskite solar cell and preparation method thereof

The invention discloses a perovskite solar cell and a preparation method thereof. The solar cell comprises a conductive substrate, an electron transport layer, a perovskite light absorbing layer, a hole transport layer and an anode layer from bottom to top. The electron transport layer comprises a dense layer of the lower layer and a mesoporous layer of the upper layer. The dense layer and the mesoporous layer are all of the same kind. The mesoporous layer is a mixed-crystal metal oxide mesoporous film modified by quantum dots. The quantum dots are located between the mesoporous layer and the perovskite absorption layer. The invention adopts the quantum dot material with excellent photoelectric characteristics to modify the mixed crystal metal oxide film with high carrier mobility, improves the electron transmission performance, and obtains the perovskite solar cell with high current density and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池
，特别涉及一种通过调控电子传输层与钙钛矿层之间的界面来制备高效率的钙钛矿太阳能电池的方法。
技术介绍
随着不可再生能源的日益消耗，能源短缺和环境恶化已成为新世纪人们所面临愈发严重的问题，开发和利用清洁可再生能源越来越受到人们的重视。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色环保能源。发展光伏器件将太阳能转化为电能为解决能源问题提供了重要出路。近年来，钙钛矿太阳能电池由于具有较高的光电转换效率而倍受关注。当前，报道钙钛矿太阳能电池实验最高转换效率已经超过22％。电子传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，在钙钛矿太阳能电池中起电子提取与传输的作用。TiO2、ZnO、SnO2、WO3、BaSnO4、SrTiO3、Zn2SnO4等宽禁金属氧化物半导体材料透光性好、化学性质稳定、电荷分离和电子传输性能好。以TiO2为例，TiO2禁带宽度为3.2eV，化学稳定性好，是钙钛矿太阳能电池中最常用的电子传输材料。然而，TiO2电子传输材料仍存在缺陷，影响电池转换效率：(1)TiO2纳米材料存在大量的氧缺陷和空位，易发生电荷复合；(2)TiO2与CH3NH3PbI3钙钛矿材料间存在较大的能级差影响电子的快速注入和开路电压；(3)电子在TiO2电子传输层中的迁移率比较低，容易发生电子与空穴的复合。不仅如此，锐钛矿和金红石相TiO2具有相似的化学性质和结构，金红石相TiO2较为稳定，禁带宽度相对较小，约为3.0eV，具有较高的介电常数和折射率，能很好的散射和吸收紫外线。锐钛矿相TiO2为亚稳态相，其禁带宽度大于金红石相(3.2eV)，具有较高的活性。染料敏化太阳能电池TiO2光阳极的相关研究表明，当金红石与锐钛矿相TiO2以一定比例混合时，电子的传输效率更高，电池的效率最佳。量子点具有新颖的电子和光学等性能，能够用于电子、光电子、光伏、生物医疗等许多重要领域。当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而具备与宏观观体系和微观体系不同的物性，展现出许多独特的物理化学性质。因此，用量子点对电子传输层进行表面修饰是一种提高电池性能的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有金属氧化物电子传输层存在的电子在电子传输层中的迁移率比较低，容易发生电子与空穴的复合的技术问题，提高电池转换效率。为了实现本专利技术这些目的和其它优点，本专利技术采用一种合成混晶相和表面处理相结合的方法来调控金属氧化物电子传输层的导电性能，进而提供一种制备高效率钙钛矿太阳能电池的方法。本专利技术的钙钛矿太阳能电池结构自下而上依次包括：导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和阳极层。所述电子传输层包括下层的致密层和上层的介孔层，所述致密层和介孔层均由同一种金属氧化物材料制成，介孔层为量子点修饰的混晶相金属氧化物介孔薄膜，量子点位于介孔层与钙钛矿吸光层之间。优选的是，所述金属氧化物为TiO2、ZnO、SnO2、WO3、BaSnO4、SrTiO3、Zn2SnO4其中的一种。所述混晶相金属氧化物中包括至少两种同分异构结晶体。优选的是，所述致密层采用旋涂、喷涂、辊涂、喷雾热解、LB膜或喷墨法其中的一种方法制备，致密层厚度为10～100nm。优选的是，所述介孔层采用水热法合成，介孔层厚度为100-2000nm。优选的是，所述量子点为石墨烯量子点、碳量子点、黑磷量子点、硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硫化铅量子点、硫化锌量子点、硫化铟铜量子点、硫化铟锌量子点、硫化镉锌量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、碲化硒镉量子点、硒化锌量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点、砷化铟量子点、砷化镓铟量子点、氮化镓量子点、氮化镓铟量子点或氧化锌量子点其中的一种或多种，量子点的直径为1～10nm。所述钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH(NH2)2PbI3、CH(NH2)2PbBr3、CH(NH2)2PbCl3、CsPbI3、CH3NH3SnI3、CH(NH2)2SnI3、CsSnI3、CsSnBr3、CsSnCl3、CH3NH3PbIxBr3-x、CH3NH3PbIxCl3-x、CH(NH2)2PbIxBr3-x、CH(NH2)2PbIxCl3-x、(CH3NH3)x(CH(NH2)2)1-xPbI3、Csx(CH3NH3)y(CH(NH2)2)1-x-yPbImBr3-m、Csx(CH3NH3)1-xPbI3、Csx(CH3NH3)1-xPbIxCl3-x、Csx(CH3NH3)1-xPbIxBr3-x、Csx(CH3NH3)y(CH(NH2)2)1-x-yPbImBrnCl3-m-n、Csx(CH3NH3)y(CH(NH2)2)1-x-yPbI3、Csx(CH(NH2)2)1-xPbIxBr3-x、Csx(CH(NH2)2)1-xPbIxCl3-x、Csx(CH3NH3)y(CH(NH2)2)1-x-yPbImCl3-m、Csx(CH(NH2)2)1-xPbI3中的一种或多种。所述阳极层为金、银、镍、铜中的一种。一种上述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：S1、通过旋涂法或喷涂法或辊涂法或喷雾热解法或LB膜法或喷墨法，将配置好的金属氧化物前驱体溶液涂覆在导电衬底上，制成金属氧化物致密层，并加热退火；S2、配制一定浓度的金属盐水热反应溶液，采用水热法在致密层上一次生长混晶相金属氧化物介孔薄膜，即介孔层；S3、将步骤S2制得的介孔薄膜浸泡在量子点溶液中进行修饰，量子点附着在介孔层表面并部分进入到介孔层的孔隙内，然后用氮气吹干，其中，所述量子点溶液的浓度为0.0001～0.1mol/L；S4、在量子点修饰过的介孔薄膜上制备钙钛矿吸光层，使得量子点位于介孔层与钙钛矿吸光层之间；S5、在钙钛矿吸光层上制备空穴传输层；S6、制备好空穴传输层后，在高真空度的热蒸发腔室中制备金属阳极层，即制得太阳能电池。优选的是，在进行步骤S1操作之前，导电衬底经过预处理，具体方法为：对表面粗糙度小于1nm的导电衬底进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干，并进行紫外光和臭氧处理。优选的是，所述钛矿吸光层和空穴传输层均是通过旋涂法或辊涂法或喷涂法制成。优选的是，所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，还包括将步骤S6制备的太阳能电池置于填充惰性气体的手套箱内进行封装。本专利技术的有益之处在于：(1)量子点具有新颖的光电子学等性能，本专利技术采用量子点修饰混晶相金属氧化物电子传输层与钙钛矿层间的界面，发挥了量子点与混晶相的协同效应，使量子点产生的光生电子能更快地传输到金属氧化物电子传输层的导带，可以更有效地填充其电子陷阱，改善其电导率，显著提高电池的光电转换效率。(2)本专利技术提供了混晶相金属氧化物半导体作为电子传输层，能明显的提高载流子的传输和收集效率；这种混晶相结构采用水热法调控即可制备，设备要求低，操作简单，成本低廉，易于合成，有利于实现钙钛矿电池的商业化应用。附图说明图1、实施例1中的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。图2、实施例1中TiO2介孔薄膜的XRD图谱。图3、实施例1中电子传输层的SEM形貌图和EDS元素分析图：(a)介孔TiO2电子传输层的SEM形貌图，(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括：导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和阳极层，其特征在于，所述电子传输层包括下层的致密层和上层的介孔层，所述致密层和介孔层均由同一种金属氧化物材料制成，介孔层为量子点修饰的混晶相金属氧化物介孔薄膜，量子点位于介孔层与钙钛矿吸光层之间。

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括：导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和阳极层，其特征在于，所述电子传输层包括下层的致密层和上层的介孔层，所述致密层和介孔层均由同一种金属氧化物材料制成，介孔层为量子点修饰的混晶相金属氧化物介孔薄膜，量子点位于介孔层与钙钛矿吸光层之间。2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述金属氧化物为TiO2、ZnO、SnO2、WO3、BaSnO4、SrTiO3、Zn2SnO4其中的一种。3.如权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述混晶相金属氧化物包括至少两种同分异构结晶体。4.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述致密层采用旋涂、喷涂、辊涂、喷雾热解、LB膜或喷墨法其中的一种方法制备，致密层厚度为10～100nm。5.如权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述介孔层采用水热法合成，介孔层厚度为100-2000nm。6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述量子点为石墨烯量子点、碳量子点、黑磷量子点、硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硫化铅量子点、硫化锌量子点、硫化铟铜量子点、硫化铟锌量子点、硫化镉锌量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、碲化硒镉量子点、硒化锌量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点、砷化铟量子点、砷化镓铟量子点...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄稼，向艳，马柱，夏浩然，周薇亚，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51