【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能电池材料的，尤其是涉及一种钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法及应用。
技术介绍
1、太阳能电池根据所用的光吸收层材料可分为三类：第一类是硅基太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池以及硅的叠层太阳能电池；第二类是化合物太阳能电池，包括铜铟镓硒(cigs)、碲化镉(cdte)、砷化镓(gaas)和钙钛矿等太阳能电池；第三类是新型太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池等。
2、目前，钙钛矿型太阳能电池（psc）利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，具有良好的光伏效率，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（pce）已达到经典晶体硅太阳能电池的水平。pscs领域的下一个重要任务是进一步降低制造成本并提高器件稳定性。
3、钙钛矿太阳能电池稳定性的一个重要影响因素是紫外线照射，并且绝大多数钙钛矿太阳能电池均含二氧化钛介孔传输层，二氧化钛是一种常见的光催化材料，在含紫外成分的自然光照下会产生强氧化性光生空穴，能够将与介孔层直接接触的钙钛矿吸光材料氧化分解，导致钙钛矿太阳能电池稳定性变差，且性能衰减。
技术实现思路
1、为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法及应用，通过在二氧化钛介孔层中掺杂卤素离子，显著提升了钙钛矿太阳能电池在自然光照下的稳定性，光生载流子的提取能力以及电池效率更高，并且工艺简单，操作性强。
2、本专利技术的目的通过以
3、第一方面，本专利技术提供了一种钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，所述电子传输介孔层为卤素离子掺杂二氧化钛介孔层，其制备方法包括如下步骤：
4、步骤一：将含卤酸和钛酸四丁酯的种子溶液和含嵌段共聚物的水溶液混合，加热搅拌后，在聚四氟乙烯内衬中高温反应；反应完成后，蒸发获得粉体，将粉体煅烧，获得卤素离子掺杂二氧化钛粉体，其中卤素离子与钛原子的摩尔比为1：400~1200；
5、步骤二：将卤素离子掺杂二氧化钛粉体和卤素钠盐粉体分散于有机溶剂中，有机溶剂与卤素离子掺杂二氧化钛粉体的质量比为30~110：1；将所得分散液涂覆在电子传输致密层上，经过煅烧、浸泡、烘干，得到孔径为10～40nm的卤素离子掺杂二氧化钛介孔层。
6、传统的钙钛矿太阳能电池中，二氧化钛介孔层作为介孔传输层，在太阳能电池的工作环境中，受到含紫外光成分的自然光照射，将产生强氧化性光生空穴，能够将与介孔层直接接触的钙钛矿吸光材料氧化分解，导致钙钛矿太阳能电池性能衰减。而本专利技术通过引入卤素离子掺杂二氧化钛介孔层，卤素离子能够提前捕获强氧化性光生空穴并在介孔表面形成卤素单质，不仅能够阻止该强氧化性光生空穴氧化钙钛矿吸光材料，而且生成的卤素单质还能够有效抑制钙钛矿吸光材料中富卤素相团聚，进一步提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。同时，卤素离子的掺杂改变了二氧化钛介孔表面光生深能级陷阱态电负性和数量，提升了其对钙钛矿吸光材料中光生载流子的提取能力，从而使电池效率提高。
7、但是，卤素离子掺杂二氧化钛介孔层的形成过程中，通过煅烧形成介孔结构的同时，还容易使得掺杂于二氧化钛粉体中的卤素离子提前氧化，而在太阳能电池工作受到自然光照射时，无法有效阻止二氧化钛生成强氧化性光生空穴氧化钙钛矿吸光材料以及有效抑制钙钛矿吸光材料中富卤素相团聚。因而，本专利技术在卤素离子掺杂二氧化钛粉体中加入了卤素钠盐粉体一同制备二氧化钛介孔层，首先，卤素钠盐粉体中的卤素离子将先于卤素离子掺杂二氧化钛粉体中的卤素离子在煅烧过程中氧化，从而保护卤素离子掺杂二氧化钛粉体不被提前氧化；其次，卤素离子掺杂二氧化钛粉体、卤素钠盐粉体和有机溶剂共同煅烧，有机溶剂煅烧后将产生多孔结构，而卤素钠盐粉体的提前氧化以及在后续浸泡除去多余卤素钠盐粉体过程，能够有助于形成层次性更好的介孔空隙；最后，生成的介孔孔隙有助于卤素离子掺杂二氧化钛粉体更好地暴露出来，接受含紫外光成分的自然光照射的效率更高，其中的卤素离子在介孔表面氧化生成的卤素单质，也能更好地与钙钛矿吸光材料直接接触，有效抑制钙钛矿吸光材料中富卤素相团聚，同时有效提升其对钙钛矿吸光材料中光生载流子的提取能力，电池效率更高。
8、为此，本专利技术需要严格控制卤素离子的掺杂比例以及介孔层孔径大小。当掺杂卤素离子数量与钛原子数量比大于1:400时，掺杂卤素离子数量过多，二氧化钛晶格应变过大，对光生载流子的提取能力降低，介孔中光诱导形成的卤素单质过多，增加了电池内阻，影响电池光电转换效率。当掺杂卤素离子数量与钛原子数量比小于1:1200时，钛原子数量过多，介孔层内卤素离子无法完全捕获强氧化性光生空穴，电池的稳定性无法得到有效提高，此时二氧化钛介孔表面的光生深能级陷阱态电负性和数量也不能得到有效转变，电池的光电转换效率也无法得到提升。当有机溶剂与卤素离子掺杂二氧化钛粉体的质量比小于30：1，有机溶剂添加过少，将导致煅烧形成的孔径过小，当有机溶剂与卤素离子掺杂二氧化钛粉体的质量比大于110：1，有机溶剂添加过多，将导致煅烧形成的孔径过大，需要将卤素离子掺杂二氧化钛介孔层的孔径调控为10～40nm，才能与掺杂的卤素离子比例相协同，有效发挥卤素离子掺杂二氧化钛介孔层的效用，提升太阳能电池的效率。
9、作为优选，步骤一中，所述卤素离子掺杂二氧化钛粉体的平均粒径为20~35nm。
10、通过调整卤素离子掺杂二氧化钛粉体的制备参数来控制其粒径，将粒径控制为20~35nm，有助于形成合适孔径大小的介孔层结构，也有助于卤素离子更好地捕获强氧化性光生空穴，掺杂的卤素离子的有效性更高。
11、作为优选，步骤一中，所述加热搅拌为：40~55℃加热搅拌2~4h；所述高温反应为：放置于90~95℃环境箱中加热处理20~24h；所述粉体煅烧为：在200℃煅烧2~4h。
12、卤素离子掺杂二氧化钛粉体制备过程中的卤酸、钛酸四丁酯的添加量以及反应温度、时间等条件，会影响卤素离子掺杂二氧化钛粉体中卤素离子与钛原子的摩尔比，该摩尔比可通过后续制得粉体的元素表征结果得到，经本专利技术实验研究发现，在该制备方法限定条件下能够得到该摩尔比的卤素离子掺杂二氧化钛粉体，进而能够与卤素钠盐粉体协同发挥出更好效果。
13、另外，本专利技术在卤素离子掺杂二氧化钛粉体制备过程中还对反应温度条件进行进一步改进，包括水热前期的温度控制在100℃以下，马弗炉烧粉体的温度也是较低的200℃，以最大程度的维持碘离子的还原活性，并保证控制粉体的粒径保持在20~35nm的范围内。
14、作为优选，步骤一中，所述种子溶液的制备方法为：在去离子水中溶解卤酸后，滴加钛酸四丁酯，搅拌4~8h后，倒入聚四氟乙烯内衬中并放置在75~95℃环境箱中处理3~5h，获得种子溶液。
15、作为优选，所述卤酸为氯酸、溴酸和碘酸中的至少一种；所述卤酸和去离子水的质量体积比为3.5g：40~70ml；所述卤酸和钛酸四丁酯的质量体积比为3.本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，所述电子传输介孔层为卤素离子掺杂二氧化钛介孔层，其制备方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述卤素离子掺杂二氧化钛粉体的平均粒径为20~35nm。
3.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述加热搅拌为：40~55℃加热搅拌2~4h；所述高温反应为：放置于90~95℃环境箱中加热处理20~24h；所述粉体煅烧为：在200℃煅烧2~4h。
4.如权利要求1-3之一所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述种子溶液的制备方法为：在去离子水中溶解卤酸后，滴加钛酸四丁酯，搅拌4~8h后，倒入聚四氟乙烯内衬中并放置在75~95℃环境箱中处理3~5h，获得种子溶液。
5.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，所述卤酸为氯酸、溴酸和碘酸中的至少一种；所述卤酸和去离子水的质量体积比为3.5g：40~70mL；所述卤酸
6.如权利要求1-3之一所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述嵌段共聚物为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物；所述含嵌段共聚物的水溶液的浓度为0.06~0.09g/mL；所述嵌段共聚物和卤酸的质量比为2~4：3.5。
7.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述卤素钠盐粉体的粒径为纳米级；所述卤素钠盐粉体与卤素离子掺杂二氧化钛粉体的质量比为1：2～10；所述电子传输介孔层的厚度为400~800nm。
8.如权利要求1或7所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述煅烧的温度为300~500℃，时间为30~100min；所述浸泡为采用去离子水浸泡，浸泡时间为3~10min；所述烘干的温度为50~60℃，时间为0.5~2h。
9.一种如权利要求1-8任一项所述电子传输介孔层在钙钛矿太阳能电池中的应用，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括电子传输介孔层以及依次位于其上层的钙钛矿吸光材料层、碳电极层；所述钙钛矿吸光材料层的材料化学组成包括卤素离子。
10.如权利要求9所述应用，其特征在于，所述钙钛矿吸光材料层的制备方法为：将电子传输介孔层的上表面采用紫外光处理10~20min后，通过丝网印刷、刮涂或旋涂钙钛矿吸光材料层的前驱体溶液，再经热处理，获得钙钛矿吸光材料层。
...【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，所述电子传输介孔层为卤素离子掺杂二氧化钛介孔层，其制备方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述卤素离子掺杂二氧化钛粉体的平均粒径为20~35nm。
3.如权利要求1所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述加热搅拌为：40~55℃加热搅拌2~4h；所述高温反应为：放置于90~95℃环境箱中加热处理20~24h；所述粉体煅烧为：在200℃煅烧2~4h。
4.如权利要求1-3之一所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述种子溶液的制备方法为：在去离子水中溶解卤酸后，滴加钛酸四丁酯，搅拌4~8h后，倒入聚四氟乙烯内衬中并放置在75~95℃环境箱中处理3~5h，获得种子溶液。
5.如权利要求4所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，所述卤酸为氯酸、溴酸和碘酸中的至少一种；所述卤酸和去离子水的质量体积比为3.5g：40~70ml；所述卤酸和钛酸四丁酯的质量体积比为3.5g：45~95ml。
6.如权利要求1-3之一所述钙钛矿太阳能电池电子传输介孔层的制备方法，其特征在于，步骤一中...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘盛辉，寿春晖，黄绵吉，孙靖淞，贺海晏，金胜利，黄超鹏，杨松旺，孙士恩，王洁，
申请(专利权)人：浙江省白马湖实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：
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