(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用和钙钛矿太阳能电池制备方法技术

本发明专利技术涉及一种(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用和钙钛矿太阳能电池的制备方法，属于钙钛矿太阳能电池领域。本发明专利技术通过控制磁控溅射过程中钛靶表面磁控溅射的功率密度，得到具有不同晶体结构和择优取向的二氧化钛电子传输层，实现了二氧化钛电子传输层晶体结构和择优取向的可调控。

(004) Application of Titanium Dioxide with Optimal Crystal Surface in Perovskite Solar Cells and Preparation Method of Perovskite Solar Cells

【技术实现步骤摘要】
(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用和钙钛矿太阳能电池制备方法
本专利技术涉及一种(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用和钙钛矿太阳能电池的制备方法，属于钙钛矿太阳能电池领域。
技术介绍
Kojima等人在2009年首次制备出了利用CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3作为染料的液态电解质钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率达到了3.8％。然而，电池中的液态电解质会极易分解钙钛矿材料，从而导致了电池的寿命被大大缩短。因此，经过进一步改善后，Yang等在2016年成功地制备出了光电转换效率为22％的全固态钙钛矿太阳能电池，取得了重大突破。该类电池主要由FTO导电玻璃、致密二氧化钛层、多孔二氧化钛层、钙钛矿、空穴传输材料、以及金属电极构成。其中，致密二氧化钛层的作用是作为电子传输层。致密二氧化钛电子传输层也有阻挡空穴的作用，此时，其高致密性尤为重要。这是因为二氧化钛电子传输层越致密，它就可以越有效的阻挡光吸收层与电极之间的物理接触，从而可以减少界面电荷复合引起的电荷和能量损失，最终提高光电转换效率。选用致密二氧化钛层既作为电子传输层又作为空穴阻挡层来改善上述情况，这种结构简单的新型电池被称为平面异质结钙钛矿太阳能电池。在平面异质结钙钛矿太阳能电池中，二氧化钛电子传输层是电池的关键部分，其电子迁移效率直接影响电池的光电转换效率。由于晶态二氧化钛的电子迁移效率优于非晶态二氧化钛的电子迁移效率，而在晶态二氧化钛常见的三种晶型中，锐钛矿相的电子迁移效率要优于其他两种，因此如何制备出性能更优良、电子迁移效率更好的致密锐钛矿相二氧化钛电子传输层，对于制备高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池，是非常重要的。尽管当前钙钛矿太阳能电池的制备取得了显著的进展，但大多数研究都是采用旋涂法制备二氧化钛电子传输层，目前只有少数研究试图利用其它方法制备二氧化钛电子传输层，而其它方法制备二氧化钛电子传输层的钙钛矿太阳能电池的转化效率远远落后于实验室的22％，这反映了严重的问题。
技术实现思路
本专利技术通过后期退火获得(004)晶面择优的锐钛矿相二氧化钛电子传输层，产生了平行于锐钛矿相二氧化钛电子传输层法线方向的二氧化钛柱状晶，因此，本专利技术制备的(004)晶面择优的锐钛矿相二氧化钛电子传输层具有电子传输效率高的特点，解决了上述问题。本专利技术提供了一种(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用。本专利技术另一目的为提供一种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：利用磁控溅射的方法在室温条件下，以高纯金属钛靶，在FTO透明导电玻璃上得到非晶二氧化钛电子传输层，所述磁控溅射的功率密度为0.8-3.3W/cm2；将沉积有非晶二氧化钛电子传输层的FTO透明导电玻璃在空气条件下进行450-550℃退火，得到具有(004)晶面择优的锐钛矿相多晶结构的二氧化钛电子传输层；将甲胺碘和碘化铅以等摩尔比溶解于N,N-二甲基甲酰胺中形成甲氨铅碘溶液，甲氨铅碘溶液中甲胺碘和碘化铅的总质量分数为20-40wt.％，将甲氨铅碘溶液旋涂在具有(004)晶面择优的锐钛矿相多晶结构的二氧化钛电子传输层上，90-120℃退火15-60min，冷却至室温，得到甲氨铅碘层；将空穴传输材料旋涂在甲氨铅碘层上，然后在氮气条件下暗置12-36h，得到空穴传输层；采用热蒸发法在空穴传输层上沉积厚度为100-300nm的金电极。本专利技术优选为所述FTO透明导电玻璃在使用前依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。本专利技术优选为利用磁控溅射制备非晶二氧化钛电子传输层时，工作气体为高纯氩和高纯氧。本专利技术优选为利用磁控溅射制备的非晶二氧化钛电子传输层的厚度为50-300nm。本专利技术优选为利用磁控溅射制备非晶二氧化钛电子传输层时，退火时间大于30min。本专利技术有益效果为：本专利技术通过控制磁控溅射过程中钛靶表面磁控溅射的功率密度，得到具有不同晶体结构和择优取向的二氧化钛电子传输层，实现了二氧化钛电子传输层晶体结构和择优取向的可调控。本专利技术磁控溅射制备二氧化钛电子传输层的工作气体为高纯氩和高纯氧，对环境无污染。本专利技术制备方法简单、成本低、产率高、便于大规模工业化生产。附图说明本专利技术附图2幅，图1为实施例1-4、对比例1-2中二氧化钛电子传输层退火前的X射线衍射图谱；图2为实施例1-4、对比例1-2中二氧化钛电子传输层退火后的X射线衍射图谱。具体实施方式下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1一种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：FTO透明导电玻璃在使用前依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；利用直流脉冲反应磁控溅射方法在室温条件下以FTO透明导电玻璃为基底材料，以高纯金属钛靶(99.99％)为溅射靶材，以高纯氩(99.99％)为溅射气体，以高纯氧(99.99％)为反应气体，进行氩/氧共溅射方式制备二氧化钛电子传输层，得到的二氧化钛电子传输层厚度为300nm，晶体结构为非晶结构，如图1所示；其中：直流脉冲溅射电源工作频率为200kHz，金属钛靶表面溅射功率密度为0.8W/cm2，氩流量为20sccm，氧流量为4sccm，背底真空度为3.0×10-3Pa，溅射真空度为0.7Pa，沉积时间为605min；利用马弗炉在空气条件下将沉积有非晶二氧化钛电子传输层的FTO透明导电玻璃进行退火，退火温度为500℃，退火时间为60min，退火后的二氧化钛电子传输层晶体结构为锐钛矿相二氧化钛结构，退火后的二氧化钛电子传输层呈锐钛矿相(004)晶面择优取向，如图2所示；在手套箱内，将甲胺碘和碘化铅以等摩尔比溶解于N,N-二甲基甲酰胺中形成甲氨铅碘溶液，甲氨铅碘溶液中甲胺碘和碘化铅的总质量分数为40wt.％，使用匀胶机先将上述基片旋转至1500rpm，将甲氨铅碘溶液滴加在具有(004)晶面择优的锐钛矿相多晶结构的二氧化钛电子传输层上，再将匀胶机转速调至5000rpm，旋涂30s，取下基片，将基片放置在100℃的加热台上退火处理45min，冷却至室温，得到甲氨铅碘层；在手套箱内，使用匀胶机先将上述基片旋转至3000rpm，将空穴传输材料滴加在甲氨铅碘层上，旋涂30s，然后在充满氮气的手套箱中暗置24h，得到空穴传输层；采用热蒸发法在空穴传输层上沉积厚度为100nm的金电极。实施例2一种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：FTO透明导电玻璃在使用前依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；利用射频反应磁控溅射方法在室温条件下以FTO透明导电玻璃为基底材料，以高纯金属钛靶(99.99％)为溅射靶材，以高纯氩(99.99％)为溅射气体，以高纯氧(99.99％)为反应气体，进行氩/氧共溅射方式制备二氧化钛电子传输层，得到的二氧化钛电子传输层厚度为200nm，晶体结构为非晶结构，如图1所示；其中：射频电源工作频率为13.56MHz，金属钛靶表面溅射功率密度为1.7W/cm2，氩流量为20sccm，氧流量为4sccm，背底真空度为3.0×10-3Pa，溅射真空度为0.6Pa，沉积时间为140min；利用管式炉在空气条件下将沉积有非晶二氧化钛电子传输层的FTO透明导电玻璃进行退火，退火温度为450℃，退火时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用。

【技术特征摘要】
1.(004)晶面择优的二氧化钛在钙钛矿太阳能电池中的应用。2.一种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：利用磁控溅射的方法在室温条件下，以高纯金属钛靶，在FTO透明导电玻璃上得到非晶二氧化钛电子传输层，所述磁控溅射的功率密度为0.8-3.3W/cm2；将沉积有非晶二氧化钛电子传输层的FTO透明导电玻璃在空气条件下进行450-550℃退火，得到具有(004)晶面择优的锐钛矿相多晶结构的二氧化钛电子传输层；将甲胺碘和碘化铅以等摩尔比溶解于N,N-二甲基甲酰胺中形成甲氨铅碘溶液，甲氨铅碘溶液中甲胺碘和碘化铅的总质量分数为20-40wt.％，将甲氨铅碘溶液旋涂在具有(004)晶面择优的锐钛矿相多晶结构的二氧化钛电子传输层上，90...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁万昱，张鑫，何艳菲，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21