本发明专利技术公开了一种稀土离子掺杂的新型钙钛矿太阳能电池，属于新型光伏太阳能电池领域。所述钙钛矿太阳能电池器件结构由上而下依次为对电极（Au）、空穴传输层（Spiro
【技术实现步骤摘要】
一种稀土离子掺杂的新型钙钛矿太阳能电池
[0001]本专利技术技术方案一种稀土离子掺杂的新型钙钛矿太阳能电池，属于新型光伏太阳能电池领域。
技术介绍
[0002]随着化石燃料的燃烧使得环境污染加剧和不可再生资源的减少，开发可再生新型能源替代传统化石燃料成为当前全球能源环境领域研究热点。可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等，它们在自然界中可循环再生，对于社会和环境的可持续发展必不可少。太阳能是所有能源中分布最广泛的，太阳能转换成电能，可有效缓解能源危机；同时太阳能清洁、高效和成本低，其将成为未来能源领域的研究重点，将太阳能转换成电能将成为今后研究的关键。
[0003]自Kojima等人首次报道混合有机-无机卤化铅钙钛矿薄膜的光伏性能以来，在过去十年中光伏领域发生了重大变革，最初甲基铵碘化铅(MAPbI3)的光电转换效率(PCE)为3.81％；目前，通过在器件结构、界面工程和添加剂工程等方面进行完善，获得的大面积叠层钙钛矿型太阳能电池(PSCs)的PCE达到了25.6％。效率的显着提高归因于其出色的光物理特性(例如大吸收系数、长扩散长度和高载流子迁移率)和溶液易于加工等性能。虽然钙钛矿太阳能电池已经取得了显著成效，但由于有毒、对热、氧、湿度、电场和热应力敏感外以及光照稳定性差等问题，PSCs仍远未实现商业化或实际应用。有机-无机杂化卤化铅钙钛矿由于铅的存在而有毒性，Pb2+易溶于水，能形成对环境严重污染的有毒溶液，对人类和环境生态系统有害。第四主族元素锡(Sn)和锗(Ge)可用来代替Pb。然而，通过这种方法制备的器件光电转换效率低于基于含铅的器件。另外，由于Sn和Ge的5s和4s轨道是高能的，所以它们很容易被氧化，从正二价态氧化为正四价态，这使得它们在长期稳定的PSCs中的应用前景较差。
[0004]通过使用一价和三价阳离子代替两个Pb
2+
阳离子在保持原有钙钛矿晶体结构的同时制备无铅钙钛矿光吸收层的双钙钛矿。无铅双钙钛矿的先驱化合物是Cs2AgBiBr6，据计算其光谱极限最大效率低于8％。Cs2AgBiBr6双钙钛矿作为PSCs活性层为其它双钙钛矿的形成提供了可能性，例如Cs2InSbCl6、Cs2AgInBr6和Rb2AgInBr6。双钙钛矿为在B位使用不同的金属阳离子提供了更多的替代选择，可能具有更高的PCE和合适的带隙。
技术实现思路
[0005]本专利技术针对钙钛矿太阳能电池在空气中放置长时稳定性差、钙钛矿光吸收层分解速率快而不能转换为商业化应用问题。
[0006]本专利技术在传统的ITO/SnO2/稀土掺杂Cs2AgBiBr6/spiro-OMeTAD/Au器件结构基础上，通过在Cs2AgBiBr6钙钛矿光吸收层中掺入稀土离子(Ce
3+
、Nd
3+
、Eu
3+
、Yb
3+
、Sm
3+
和Tb
3+
等)，降低禁带宽度，拓宽光谱吸收范围，进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，有效改善器件的高温稳定性，扩展其应用范围。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于稀土离子掺杂的新型Cs2AgBiBr6基钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池由上到下依次为金电极(Au)、空穴传输层(Spiro-OMeTAD)、掺杂稀土的钙钛矿吸收层(Cs2AgBiBr6)、电子传输层(SnO2)及ITO导电玻璃；所述的掺杂稀土离子主要为Ce
3+
、Nd
3+
、Eu
3+
、Yb
3+
、Sm
3+
和Tb
3+
等；述的空穴传输层的厚度为200-400nm、钙钛矿光吸收层厚度为400-600nm、电子传输层的厚度为30-50nm、ITO导电玻璃衬底的厚度为400-800nm。
[0008]本专利技术还提供了一种基于稀土离子掺杂的新型Cs2AgBiBr6基钙钛矿太阳能电池制备方法，具体步骤如下：
[0009](1)清洗ITO导电玻璃：
[0010]将ITO导电玻璃分别用玻璃清洗剂、去离子水和乙醇超声15-25min，然后在烘箱中干燥，最后在紫外-臭氧里面处理15-30min；ITO导电玻璃平均透光率为85-95％；
[0011](2)制备电子传输层：
[0012]在臭氧处理后的ITO导电玻璃上旋涂二氧化锡，体积比SnO2:水＝1:1-6，转速为3000-5000rpm，形成30-50nm的电子传输层，并于100-200℃退火30-60分钟，所得结构为ITO/SnO2；
[0013](3)制备钙钛矿光吸收层：
[0014]在涂有SnO2的ITO导电玻璃上，通过真空闪蒸的方法制备厚度为400-600nm掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿吸收层，将掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿溶解在二甲基亚砜溶液中，溶液浓度控制在0.1-0.5mol/L，当真空度在5-20Pa下，保压30-180s；将掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿吸收层薄膜在加热台上退火，温度控制在200-300℃，时间控制在3-20min，器件的结构为ITO/SnO2/掺杂稀土Cs2AgBiBr6；
[0015](4)制备空穴传输层：
[0016]将提前配置好并放置1-3天的Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液旋涂钙钛矿光吸收层表面，转速控制为2000-4500rpm，厚度控制为100-300nm；器件的结构为ITO/SnO2/掺杂稀土Cs2AgBiBr6/Spiro-OMeTAD；
[0017](5)制备金电极：
[0018]将步骤(4)得到的器件放到镀膜仪中，真空度达到10-4-10-5
Pa后，将电极加热电流调为100-160A，以0.05-0.2nm/s的蒸发速度沉积70-120nm厚的Au电极，完整钙钛矿太阳能电池器件的制备；器件的结构为ITO/SnO2/掺杂稀土Cs2AgBiBr6/Spiro-OMeTAD/Au。
[0019]步骤(3)所述掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿，配制过程具体如下：首先，称取稀土乙酸盐、CsBr、AgBr和BiBr3溶解到10mL氢溴酸中，使得到掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿溶液浓度0.5-1mol/L，其中稀土乙酸盐与溴化铋的摩尔浓度比为0.01-0.2:1，在100-150℃温度溶解，以5-10℃/min降到80℃，再以8-15℃/min降到室温25℃-30℃，室温获得掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿块状晶体，干燥后将块状样品存于样品瓶中。
[0020]进一步，步骤(4)所述预先配置的Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液，溶液制备过程具体如下：首先称量70-110mg的Spiro-OMeTAD粉末，放入2-5mL试剂瓶中，并加入20-50uL 4-叔丁基吡啶溶液，再加入5-60uL溶有双三氟甲烷磺酰亚胺锂的乙腈溶液，其中双三氟甲烷磺本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于稀土离子掺杂的新型Cs2AgBiBr6基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，由上而下依次为金电极、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层及ITO导电玻璃；所述钙钛矿光吸收层掺杂稀土元素金属离子。2.如权利要求书1所述的一种基于稀土离子掺杂的新型Cs2AgBiBr6基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的金电极厚度在50-90nm，空穴传输层的厚度为200-400nm、钙钛矿光吸收层的厚度为400-600nm、电子传输层的厚度为30-50nm、ITO导电玻璃衬底的厚度为400-800nm。3.一种基于稀土离子掺杂的新型Cs2AgBiBr6基钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)清洗ITO导电玻璃：将ITO导电玻璃分别用玻璃清洗剂、去离子水和乙醇超声15-25min，然后在烘箱中干燥，最后在紫外-臭氧里面处理15-30min；ITO导电玻璃平均透光率为85-95％；(2)制备电子传输层：在臭氧处理后的ITO导电玻璃上旋涂二氧化锡，体积比SnO2:水＝1:1-6，转速为3000-5000rpm，形成30-50nm的电子传输层，并于100-200℃退火30-60分钟，所得结构为ITO/SnO2；(3)制备钙钛矿光吸收层：在涂有SnO2的ITO导电玻璃上，通过真空闪蒸的方法制备厚度为400-600nm掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿吸收层，将掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿溶解在二甲基亚砜溶液中，溶液浓度控制在0.1-0.5mol/L，当真空度在5-20Pa下，保压30-180s；将掺杂稀土的Cs2AgBiBr6钙钛矿吸收层薄膜在加热台上退火，温度控制在200-300℃，时间控制在3-20min，器件的结构为ITO/SnO2/掺杂稀土Cs2AgBiBr6；(4)制备空穴传输层：将提前配置好并放置1-3天的Spiro-OMeTAD空穴传输层溶液旋涂钙钛矿光吸收层表面...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈聪，商雪妮，郑士建，孟凡斌，张炜，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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