一种低温介孔碳基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低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；各层之间紧密贴合，形成稳定的介孔骨架结构；介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中填充有钙钛矿晶体。采用无机胶体纳米晶作为粘接剂制备碳电极，胶体纳米晶表面含有大量残余羟基，可实现高电导碳电极的制备；纳米晶具有外观尺寸形状，有利于维持碳电极的高孔隙度。采用低温真空渗透技术将钙钛矿晶体活性层填充在介孔骨架当中。所制备的器件的光电转换效率达到14％，且具有优异的稳定性。本发明专利技术进一步降低了介孔碳基钙钛矿太阳能电池的生产成本，有利于产业化。

A low temperature mesoporous carbon based perovskite solar cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于光电器件领域，具体涉及一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳光能储量大，分布范围广，是一种可靠的可再生清洁能源。太阳能电池将光能直接转化为电能，是一种理想的太阳能利用方式。有机-无机铅卤化物钙钛矿太阳能电池(简称钙钛矿太阳能电池，PSCs)是一种新型薄膜太阳能电池，自2009年提出以来便受到了国内外的广泛关注。经过近7年发展，其光电转换效率已超过20％(AM1.5G，100mW/cm2，下同)，达到经认证的25.2％[BestReaserch-CellsEfficiencies,NationalRenewableEnergyLaboratory,2017,https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html,Accesseddate:23October2019.]，接近晶硅光伏技术的水平。然而该效率通常依靠金属电极，由于有机-无机铅卤化物钙钛矿对金属的腐蚀作用，使得器件稳定性较差。碳电极具有优异的导电性和抗腐蚀性，采用碳电极制备的介孔结构钙钛矿太阳能电池具有稳定性高、制备成本低廉的优点。然而，常见的介孔结构器件需采用高温工艺(>400℃)。2014年，Mei等人将5-氨基戊酸碘盐掺入钙钛矿前驱体溶液中，改善钙钛矿的填充情况，提高钙钛矿的结晶，将介孔碳基钙钛矿太阳能电池的效率提升至12.84％，但是其二氧化钛薄膜、二氧化锆薄膜和碳膜均在高温(＞400℃)的条件下制得[Mei,A.Y.,etal.,Ahole-conductor-free,fullyprintablemesoscopicperovskitesolarcellwithhighstability.Science,2014.345(6194):p.295-298.]。2017年，Rong等人将氯化铵作为添加剂掺入到钙钛矿前驱体中，利用水分辅助钙钛矿结晶，钝化晶界，使介孔碳基钙钛矿太阳能电池达到了15.6％的光电转换效率，同样的，器件的制备仍采用的是高温工艺(＞400℃)[Rong,Y.,etal.,Synergyofammoniumchlorideandmoistureonperovskitecrystallizationforefficientprintablemesoscopicsolarcells.NatCommun,2017.8:p.14555.]。高温制备过程增加了制备成本，延长了制备周期，不利于大规模化生产，同时也不利于器件柔性化。因此，亟需开发一种低温制备介孔碳基钙钛矿太阳能电池的方法。研究发现，在传统高温碳基介孔结构钙钛矿太阳能电池制备过程中，碳电极材料中采用聚合物高分子作为粘接剂。为获得较高导电性以及较高的孔隙率，需要在高温下(400℃左右)进行热处理，以除去聚合物高分子材料。这增加了器件制备能耗，延长了生产周期，也增加了生产成本。作为技术改进方案，韩宏伟等在专利“一种新型基于碳电极全固态可印刷钙钛矿太阳能电池(CN107146847B)”中提出将碳电极分成“高温碳电极”和“低温碳电极”两部分来制备。但是该方案并不能从根本上解决低温化的难题。为此，本专利技术提出采用无机胶体纳米晶作为粘接剂在低温(150℃)条件下制备高电导介孔碳电极，配合低温真空渗透技术在多孔骨架中填充吸光活性层，最终实现在低温条件下制备高效率的碳基介孔结构钙钛矿太阳能电池。
技术实现思路
针对现有技术中高温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的碳电极采用有机高分子粘结剂，需要经过高温处理除去，不仅增加了工艺复杂度与制备成本，也降低了生产效率的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本专利技术提供的这种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中渗透有钙钛矿，各层之间紧密贴合，形成稳定的层状介孔结构；所述碳电极采用无机胶体纳米晶作为粘接剂，由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；所述无机胶体纳米晶表面含有大量无定型的胶相以及表面羟基，无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒表面基团产生氢键作用，利用氢键的作用，在低温(≤150℃)条件下制备的碳电极即具有导电性高、孔隙度高的优点，避免了高温热处理工艺的缺陷。优选的方案，所述无机胶体纳米晶包含SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2胶体纳米晶中的一种或多种组合。优选的方案，所述石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：(0.05～0.2)。更优选的方案，所述石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：0.15。优选的方案，所述透明导电层采用掺杂F的SnO2，或者In2O3-SnO2，透明导电层与基底形成导电玻璃FTO或ITO。优选的方案，所述致密电子传输层采用TiO2或者SnO2制备而成。优选的方案，所述介孔电子传输层采用TiO2、SnO2纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。优选的方案，所述介孔阻挡层采用SiO2、ZrO2氧化物纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30nm。优选的方案，所述钙钛矿采用有机-无机杂化铅卤化物钙钛矿材料，其分子式为ABX3，其中A为有机基团，如甲胺基、甲脒基中的一种或多种组合；B为金属阳离子，如铅离子；X为卤素离子，如氯、溴、碘中的一种或多种组合。本专利技术还提供一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)在基底上依次制备透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极，每层都在100～150℃的温度下进行热处理，得到介孔骨架；所述碳电极由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；(2)在真空环境下，将钙钛矿前驱体溶液渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中，在30～100℃的温度下进行退火处理，使钙钛矿前驱体结晶，制得所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池。进一步，所述步骤(2)中，钙钛矿前驱体溶液配置方法为：通过将钙钛矿材料溶解在溶剂中配制而成。进一步，所述步骤(2)中，采用低温真空渗透技术，将钙钛矿前驱体溶液在100℃以内的温度下渗透至所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中。真空渗透技术，指利用常用真空获得手段，如机械泵、分子泵等与密封装置连接组装的装置，密封装置内的温度可以调节；在实施时，预先将钙钛矿前驱体溶液滴加在介孔骨架表面，然后放入真空室中抽真空，通过调节温度、时间进行填充与结晶处理。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果为：1)本专利技术所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池具有生产成本低、稳定性高、市场应用广阔的优点，采用低温制备技术(≤150℃)，所制备的器件光电转换效率最高达到14％，且具有优异的稳定性。2)本专利技术所述低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，采用无机胶体纳米晶作为粘接剂在低温下制备高导电介孔碳电极，胶体中的纳米晶表面含有大量残余羟基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；/n所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中渗透有钙钛矿，各层之间紧密贴合，形成稳定的层状介孔结构；/n所述碳电极采用无机胶体纳米晶作为粘接剂，由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；所述无机胶体纳米晶表面含有大量无定型的胶相以及表面羟基，无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒表面基团产生氢键作用，所制备的碳电极具有导电性好、孔隙度高的优点。/n

【技术特征摘要】
1.一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；
所述介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中渗透有钙钛矿，各层之间紧密贴合，形成稳定的层状介孔结构；
所述碳电极采用无机胶体纳米晶作为粘接剂，由无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒共混而成；所述无机胶体纳米晶表面含有大量无定型的胶相以及表面羟基，无机胶体纳米晶与石墨、炭黑颗粒表面基团产生氢键作用，所制备的碳电极具有导电性好、孔隙度高的优点。


2.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述无机胶体纳米晶包含SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2胶体纳米晶中的一种或多种组合。


3.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述石墨、炭黑和无机胶体纳米晶的质量比为2：0.75：(0.05～0.2)。


4.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层采用掺杂F的SnO2，或者In2O3-SnO2，透明导电层与基底形成导电玻璃FTO或ITO。


5.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述致密电子传输层采用TiO2或者SnO2制备而成。


6.根据权利要求1所述的低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述介孔电子传输层采用TiO2、SnO2纳米晶制备而成，纳米晶的尺寸为5～30n...

【专利技术属性】
技术研发人员：周聪华，石婷婷，陈辉，郭赵东，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43