[发明专利]基于二氧化钛/钙钛矿新型复合纳米结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳电池技术领域，特别涉及一种基于二氧化钛/钙钛矿新型复合纳米结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法。

背景技术

近年来，为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上。在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，一种基于钙钛矿型的有机金属卤化物MAPbX₃（MA为CH₃NH₃，X代表卤族元素，最常见的是I）材料的太阳电池引起了全世界的关注。自2009年出现到目前为止，钙钛矿太阳电池的最高效率已超过20%。

钙钛矿材料不仅可以作为光吸收层，还可用作电子和空穴传输层，以此制备出不同结构的钙钛矿太阳电池，其中最为常见的电池结构为：具有TiO₂骨架层的介孔结构、具有平面异质结的平板结构以及有机结构。平板结构钙钛矿太阳电池与介孔结构钙钛矿太阳电池的不同在于没有TiO₂介孔骨架层，钙钛矿型的有机金属卤化物MAPbX₃与TiO₂致密层直接接触形成平面异质结。平板结构钙钛矿太阳电池结构简单，制备较简单，电池效率较高，但是稳定性存在较大的问题。介孔结构钙钛矿太阳电池，因为有TiO₂骨架层对MAPbX₃材料支撑与保护，电池效率较为稳定，且载流子在钙钛矿型有机金属卤化物MAPbX₃材料中有100nm左右的扩散长度，使得其载流子收集效率高达99%以上，然而TiO₂骨架层制备工艺较为复杂，需要高温热处理，且骨架层不可避免的会影响光吸收，同时增加了器件内阻、引入了缺陷，从而减小了光电流，降低了光电转换效率。

通过在钙钛矿的前驱体溶液中加入一定比例的TiO₂纳米晶体材料，制备的TiO₂/MAPbI₃新型复合纳米结构，一定程度上介于平板结构与介孔结构之间。TiO₂纳米晶体诱导了钙钛矿晶体生长，减少了晶体缺陷，既可减小载流子复合的几率，保持高的载流子收集效率，增加了器件稳定性，又没有引入多余的内阻。复合的TiO₂纳米晶体材料与钙钛矿材料形成很好的体接触，利于载流子传输与分离，与其他氧化物材料相比，TiO₂纳米晶体材料与相邻的TiO₂致密层晶体结构和能级都很好匹配，可以更好地传输电子、减少复合几率。基于二氧化钛/钙钛矿新型复合纳米结构的钙钛矿太阳电池采用150^oC以下低温制备，工艺简单易重复，具有较大的商业应用前景。

发明内容

本发明在于提供一种基于二氧化钛/钙钛矿新型复合纳米结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法。一种基于二氧化钛/钙钛矿新型复合纳米结构的钙钛矿太阳电池，所述玻璃基底、FTO透明电极、TiO₂致密层、复合TiO₂纳米晶体的钙钛矿层、空穴传输层、金属电极顺次相连。在FTO透明电极的一端上沉积有金属导线，金属导线连接负载或测试装置的一端，金属电极连接负载或测试装置的另一端。入射光从玻璃基底方向射入。TiO₂致密层起到阻挡空穴、输运电子的作用。复合TiO₂纳米晶体的钙钛矿层主要作用是吸收光并转化为电子和空穴。空穴传输层采用Spiro-MeOTAD，主要作用为收集空穴，阻挡电子和金属电极复合的作用。金属电极则负责收集电子。

本方法的具体步骤如下：

（1）清洗FTO导电玻璃衬底，去除FTO导电玻璃衬底表面沾污层，得到清洁的导电玻璃衬底，并在UV紫外灯下臭氧处理15~45分钟，形成亲水表面，然后置于干燥箱中进行60^oC干燥处理；

（2）TiO₂致密层制备：用水浴沉积的方法将浓度为200mM/mL四氯化钛在70℃温度下水解反应一小时，得到致密的TiO₂薄膜；

（3）复合TiO₂纳米晶体的钙钛矿层制备：采用目前较为普遍的一步法或两步法制备钙钛矿薄膜;