一种低成本高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种低成本高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。该电池由下至上依次包括：导电基体、TiO2致密层、TiO2介孔层、ZrO2介孔层、钙钛矿活性层和导电碳电极层。本发明专利技术从经典的钙钛矿太阳能电池结构中抛弃了昂贵的空穴传输层和贵金属电极，并选用了价格低廉的疏水性碳电极。以Br

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
，具体涉及一种低成本、高功率转换效率及稳定性强的钙钛矿太阳能电池及其廉价制备方法。
技术介绍
能源危机和环境问题迫使人们开始不断寻求可再生且环境友好型新能源。其中太阳能的使用更符合能源类型的要求。对太阳能的有效利用的技术集中于太阳能电池的制造，其中钙钛矿太阳能电池是目前研究的热点。自2009年钙钛矿材料第一次应用于薄膜太阳能电池(J.Am.Chem.Soc.2009，131：6050-6051)，获得了3.8％的功率转化效率以来，随着钙钛矿太阳能电池的快速发展，截止目前，已有文献报道功率转化效率达到了22.1％(Science，2017，356：1376-1379)。但是，经典的钙钛矿太阳能电池结构中采用昂贵的2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴(Spiro-MeOTAD)基空穴传输层和贵金属(金或银)电极，并且在高纯净的手套箱中制备和测试。制造成本很高、在自然条件下抗蚀性差和衰减特别快等缺点限制了其实际应用前景。在钙钛矿太阳能电池的制备中，大多数使用甲基卤化铅(CH3NH3PbX3，X＝卤素)及其混合卤化物晶体材料为活性层，由于其具有高的消光系数，优秀的双极性电荷迁移，小的激子结合能和带隙可调。为了提高钙钛矿太阳能电池的性能，以介孔支架结构器件为基础，器件结构简化、引入新的功能层和替换某一个功能层等方面研究，在一定的程度上改善了钙钛矿太阳能电池的性能。例如：中国专利申请CN105449104A公开了一种在空气环境中性能稳定的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，其公开的内容为钙钛矿敏化层和空穴传输层之间引入了疏水界面层；该专利申请虽然提高了钙钛矿太阳能电池在空气中的稳定性，但还是使用了空穴传输层和金属层，器件成本比较高。中国专利申请CN107154460A公开了一种全碳基钙钛矿太阳能电池及其制备工艺，其公开的内容为富勒烯或其衍生物做为电子传输层，并采用了碳电极；但是该专利申请中的富勒烯或其衍生物的价格比较昂贵，限制其工业化生产。中国专利申请CN105140402A公开了一种无空穴传输层的钙钦矿太阳能电池及其制备方法，其公开的内容为致密二氧化钛层上垂直生长一层二氧化钛纳米管后，旋涂或蒸镀钙钛矿层，再蒸镀金属电极；但是该专利申请中在钙钦矿层上直接蒸镀一层金属电极导致器件功率低和制造成本高等现象。中国专利申请CN105870335A和CN105895804A均公开了一种制备工艺简单的钙钦矿太阳能电池及其制备方法，其公开的内容为FTO导电玻璃上制备致密的TiO2层后，TiO2浆料、Yb2O3浆料(或ZrO2浆料和NiO浆料)和C材料浆料，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，静止加热钙钛矿溶液渗透，溶剂挥发，得到钙钦矿太阳能电池。但是该专利申请在制备过程的部分操作需要手套箱中完成，并且两种器件功率转换效率较低，其最高只能达到了5.6％和7.5％。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种低成本、高功率转换效率及高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其在自然空气气氛条件下采用廉价的制备方法。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：一种低成本高稳定性的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池由下至上依次包括：导电基体、TiO2致密层、TiO2介孔层、ZrO2介孔层、钙钛矿活性层和导电碳电极层。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的旋涂法制备钙钛矿活性层，该钙钛矿活性层由Br-掺杂的混合钙钛矿CH3NH3Pb(I1-xBrx)3组成，其中x为物质量分数；优选地，所述混合钙钛矿CH3NH3Pb(I1-xBrx)3中的x为0.05～0.35；再优选地，所述钙钛矿活性层渗透填充到TiO2介孔层和ZrO2介孔层中，并覆盖ZrO2介孔层的表面。如上所述的钙钛矿太阳能电池，优选，所述导电基体为FTO导电玻璃；优选地，所述TiO2致密层的厚度为10～60nm；所述TiO2介孔层的厚度为100～300nm；所述ZrO2介孔层的厚度为100～300nm；所述钙钛矿活性层的厚度为300～700nm；所述导电碳电极层的厚度为5～30μm。一种如上任一项所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极的制备在FTO导电玻璃的未刻蚀部分上旋涂TiO2溶胶后，先经预热处理，再经TiCl4溶液处理，接着置于加热台上煅烧，形成TiO2致密层，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极；2)FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极的制备在步骤1)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极上旋涂TiO2浆料，干燥后，放置于加热台上，程序控温加热并保温后，自然冷却，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极；3)FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层薄膜电极的制备在步骤2)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极旋涂ZrO2浆料，干燥后，放置于加热台上，程序控温加热并保温后，自然冷却，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层薄膜电极；4)FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层/钙钛矿薄膜电极的制备在步骤3)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层薄膜电极上旋涂钙钛矿CH3NH3Pb(I1-xBrx)3前驱液，放置于加热台上，加热并保温晶化，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层/钙钛矿薄膜电极；5)获得钙钛矿太阳能电池在步骤4)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层/钙钛矿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。如上所述的制备方法，优选，所述步骤1)中，在FTO导电玻璃的未刻蚀部分上旋涂TiO2溶胶后，经100-150℃预热处理5-20min后，自然冷却；再经TiCl4溶液处理10-40min，置于加热台上并在450-550℃煅烧10-40min，自然冷却，形成TiO2致密层，获得FTO导电玻璃/TiO2致密层电极；优选地，经TiCl4溶液处理后要再分别用去离子水和无水乙醇清洗、干燥之后再置于加热台上煅烧；再优选地，在FTO导电玻璃的未刻蚀部分上旋涂TiO2溶胶之前，先在FTO导电玻璃未刻蚀部分的一端粘贴一段高温胶带或沉积保护膜进行保护，预留与外电路连接的电极；优选地，粘贴的高温胶带或沉积保护膜的长度为2-240mm。如上所述的制备方法，优选，所述步骤2)中，在FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极上旋涂TiO2浆料，干燥后，放置于加热台上，程序控温加热至450-550℃，保温10-30min后，自然冷却，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极。如上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低成本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由下至上依次包括：导电基体、TiO2致密层、TiO2介孔层、ZrO2介孔层、钙钛矿活性层和导电碳电极层。

【技术特征摘要】
1.一种低成本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由下至上依次包括：导电基体、TiO2致密层、TiO2介孔层、ZrO2介孔层、钙钛矿活性层和导电碳电极层。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的旋涂法制备钙钛矿活性层，该钙钛矿活性层由Br-掺杂的混合钙钛矿CH3NH3Pb(I1-xBrx)3组成，其中x为物质量分数；优选地，所述混合钙钛矿CH3NH3Pb(I1-xBrx)3中的x为0.05～0.35；再优选地，所述钙钛矿活性层渗透填充到TiO2介孔层和ZrO2介孔层中，并覆盖ZrO2介孔层的表面。3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电基体为FTO导电玻璃；优选地，所述TiO2致密层的厚度为10～60nm；所述TiO2介孔层的厚度为100～300nm；所述ZrO2介孔层的厚度为100～300nm；所述钙钛矿活性层的厚度为300～700nm；所述导电碳电极层的厚度为5～30μm。4.一种如权利要求1-3任一项所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：1)FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极的制备在FTO导电玻璃的未刻蚀部分上旋涂TiO2溶胶后，先经预热处理，再经TiCl4溶液处理，接着置于加热台上煅烧，形成TiO2致密层，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极；2)FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极的制备在步骤1)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层薄膜电极上旋涂TiO2浆料，干燥后，放置于加热台上，程序控温加热并保温后，自然冷却，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极；3)FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层薄膜电极的制备在步骤2)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层薄膜电极旋涂ZrO2浆料，干燥后，放置于加热台上，程序控温加热并保温后，自然冷却，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层薄膜电极；4)FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层/钙钛矿薄膜电极的制备在步骤3)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层薄膜电极上旋涂钙钛矿CH3NH3Pb(I1-xBrx)3前驱液，放置于加热台上，加热并保温晶化，从而获得FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层/钙钛矿薄膜电极；5)获得钙钛矿太阳能电池在步骤4)制备的FTO导电玻璃/TiO2致密层/TiO2介孔层/ZrO2介孔层/钙钛矿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。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟哈日巴拉，宗贝贝，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