一種鈣鈦礦太陽能電池漸變異質結電子傳輸層的製備方法與流程

2023-05-01 10:09:32

本發明涉及一種具有高光電轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池漸變異質結電子傳輸層的製備方法。該漸變異質結電子傳輸層在鈣鈦礦電池中有優秀的光電轉換效率以及弱的磁滯效應。

背景技術：

能源短缺和環境汙染是目前人類急需解決的兩大問題。一方面我們需要節能，減少能源的消耗，並且儘可能的使用可再生的清潔能源；另一方面我們必須減少汙染物的排放，消除環境汙染。太陽光是清潔能源，如何把太陽光轉化為我們方便使用的能源以及利用太陽光消除環境汙染成為研究熱點。

鈣鈦礦電池作為新型的光電轉換設備，由於具有全溶液製備、廉價以及光電轉換效率高等優點，被科研界以及企業界廣泛關注。典型的鈣鈦礦電池由電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層以及背電極組成。電子傳輸層能選擇性地從鈣鈦礦光吸收層中攝取光生電子，並將電子傳輸至導電玻璃，抑制界面處的電子空穴複合。到目前為止，最廣泛使用的電子傳輸層材料是氧化鈦。然而，氧化鈦的本徵電子遷移率較低(0.1-1cm2V-1s-1)，遠低於鈣鈦礦材料的本徵電子遷移率(20-30cm2V-1s-1)。電子遷移率的差距導致電子容易富集在氧化鈦鈣鈦礦的界面處，進而導致了所謂的磁滯現象。氧化錫具有較高的本徵電子遷移率(100-200cm2V-1s-1)，然而，基於氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦電池中電子空穴複合現象嚴重。

技術實現要素：

本發明的目的在於開發一種製備高光電轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池漸變異質結電子傳輸層的製備方法。

一種鈣鈦礦太陽能電池漸變異質結電子傳輸層的製備方法，包含如下步驟：

將清洗乾淨的導電玻璃放置到70℃的錫源前驅體溶液中，反應4小時。隨後將導電玻璃用去離子水以及乙醇清洗吹乾，再次放置到70℃的鈦源前驅體溶液中，反應40分鐘。將導電玻璃取出，用去離子水以及乙醇清洗吹乾。最後將導電玻璃在空氣中500℃條件下煅燒30分鐘。

所述的導電玻璃放置方法是導電面朝下，導電玻璃與反應容器壁呈45°，斜靠在反應器內壁上。

所述的錫源前驅體是四氯化錫。

所述的鈦源前驅體是四氯化鈦。

所述的漸變異質結電子傳輸層由分布呈梯度變化的氧化錫以及氧化鈦納米顆粒組成，氧化錫納米顆粒在近導電玻璃區域分布多，在遠導電玻璃區域分布少。氧化鈦在遠導電玻璃區域分布多，在近導電玻璃區域分布少。

與傳統氧化鈦電子傳輸層相比，本發明具有以下優點：本發明利用兩步低溫溶劑熱過程製備了氧化錫-氧化鈦漸變異質結電子傳輸層，該電子傳輸層能有效的傳輸電子，抑制電子空穴的複合現象，使得鈣鈦礦電池的光電轉換效率可達16.71％，遠高於傳統氧化鈦電子傳輸層電池12.02％的光電轉換效率。並且，磁滯現象也有明顯降低。綜上，本發明合成過程簡單，光電轉換效率高，磁滯現象較低。

附圖說明

圖1是本發明製備方法的流程示意圖；

圖2是實施例1所製備的漸變異質結電子傳輸層的掃描電子顯微鏡照片；

圖3是實施例1所製備的漸變異質結電子傳輸層的透射電子顯微鏡照片；

圖4是圖3對應的線性元素掃描圖；

圖5是實施例1所製備的漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的光電轉換效率圖；

圖6是實施例1所製備的漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的阻抗圖；

圖7是實施例1所製備的漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的磁滯現象圖；

圖8是傳統氧化鈦電子傳輸層鈣鈦礦電池的磁滯現象圖。

具體實施方式

下面，結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式做進一步詳細的說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。

本文所公開的「範圍」以下限和上限的形式。可以分別為一個或多個下限，和一個或多個上限。給定範圍是通過選定一個下限和一個上限進行限定的。選定的下限和上限限定了特別範圍的邊界。所有可以這種方式進行限定的範圍是包含和可組合的，即任何下限可以與任何上限組合形成一個範圍。例如，針對特定參數列出了60-120和80-110的範圍，理解為60-110和80-120的範圍也是預料到的。此外，如果列出的最小範圍值1和2，和如果列出了最大範圍3，4和5，則下面的範圍可全部預料到：1-2、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。

本發明中，除非有其他說明，數值範圍「a-b」表示a到b之間的任意實數組合的縮略表示，其中a和b都是實數。例如數值範圍「0-5」表示本文中已經全部列出了「0-5」之間的全部實數，「0-5」只是這些數值組合的縮略表示。

在本發明中，如果沒有特別的說明，本文所提到的所有實施方式以及優選實施方式可以互相組合形成新的技術方案。

在本發明中，如果沒有特別的說明，本文所提到的所有技術特徵以及優選特徵可以互相組合形成新的技術方案。

下面將結合具體實施例來具體闡述本發明的優選實施方法，但是應當理解，本領域技術人員可以在不背離權利要求書限定的範圍的前提下，對這些實施例進行合理的變化、改良和相互組合，從而獲得新的具體實施方法，這些通過變化、改良和相互組合獲得的新的具體實施方式也都包括在本發明的保護範圍之內。

實施例1

步驟一、漸變異質結電子傳輸層的製備

本發明的漸變異質結電子傳輸層的製備方法流程圖如圖1所示。將清洗乾淨的導電玻璃放置到70℃的錫源前驅體溶液中，導電玻璃的導電面朝下，呈45°角斜靠在反應容器內壁上，反應4小時。隨後將導電玻璃用去離子水以及乙醇清洗吹乾，再次放置到70℃的鈦源前驅體溶液中，反應40分鐘。將導電玻璃取出，用去離子水以及乙醇清洗吹乾。最後將導電玻璃在空氣中500℃條件下煅燒30分鐘。傳統氧化鈦電子傳輸層的製備是將清洗乾淨的導電玻璃放置到70℃的鈦源前驅體溶液中，反應40分鐘。將導電玻璃取出，用去離子水以及乙醇清洗吹乾。最後將導電玻璃在空氣中500℃條件下煅燒30分鐘。

圖2是所製備的漸變異質結電子傳輸層的掃描電鏡照片，可以看出，漸變異質結電子傳輸層均一地覆蓋在導電玻璃表面。

圖3和圖4是所製備的漸變異質結電子傳輸層的透射電子顯微鏡照片以及對應的線性元素掃描圖，從圖中可以看出，漸變異質結電子傳輸層由兩種粒徑的氧化錫以及氧化鈦納米顆粒組成，且氧化錫納米顆粒在近導電玻璃區域分布多，在遠導電玻璃區域分布少。氧化鈦納米顆粒在遠導電玻璃區域分布多，在近導電玻璃區域分布少。

步驟二、性能表徵測試

將製備好的漸變異質結電子傳輸層應用於鈣鈦礦太陽能電池，並在一個標準太陽光條件下測試電池的光電轉換效率。在黑暗條件下，測試鈣鈦礦電池的阻抗曲線。通過控制掃描方向以及不同掃描速度(0.015V/s,0.15V/s以及1.5V/s)，測試鈣鈦礦電池的磁滯現象。

圖5是所製備的漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的光電轉換效率圖，從圖中可以看出，漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的短路電流、開路電壓以及光電轉換效率分別為22.25mA cm-2、1010.27mV以及16.71％。而傳統氧化鈦電子傳輸層鈣鈦礦電池的短路電流、開路電壓以及光電轉換效率分別為22.22mA cm-2、974.44mV以及12.02％。可以看出，漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的光電轉換效率明顯高於傳統氧化鈦電子傳輸層鈣鈦礦電池。

圖6是所製備的漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池的阻抗圖，圖中圓的半徑大小代表電池中電荷複合電阻的大小。從圖中可以看出，漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池具有更高的電荷複合電阻，表明漸變異質結電子傳輸層能有效地傳輸電子，抑制電子空穴的複合。

圖7和圖8是所製備的漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池以及傳統氧化鈦電子傳輸層鈣鈦礦電池的磁滯現象對比圖。從圖中可以看出，漸變異質結電子傳輸層鈣鈦礦電池較之傳統氧化鈦電子傳輸層鈣鈦礦電池有較弱的磁滯現象。