[发明专利]一种多孔结构有机/无机杂化钙钛矿电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池，特指一种多孔结构有机/无机杂化钙钛矿电池及其制备方法，具体指利用稀土元素掺杂的氧化钛纳米材料制成多孔结构，替代现有的氧化钛和氧化铝多孔结构，以扩展电池的吸收光谱。

背景技术

太阳能由于具有储量丰富、绿色环保和价格低廉等优点被誉为最具前景的绿色能源；2009年日本科学家发现钙钛矿型光吸收剂CN₃NH₃PbI₃的禁带宽度仅有1.5eV，在光伏领域表现出良好的前景；多孔结构钙钛矿电池通常首先在FTO玻璃上生长一层致密的 TiO₂（n 型半导体），然后在其上面旋涂一层多孔TiO₂薄膜，随后将CH₃NH₃PbI₃旋涂自组装到多孔TiO₂薄膜上，再旋涂一层空穴传输层，最后真空蒸发一层Au，如图1、2所示。

在光伏电池中应用的多孔层材料主要有TiO₂、ZnO、SnO₂和Al₂O₃等，多孔层主要起钙钛矿电池的骨架作用；钙钛矿材料的吸收光谱集中在可见光，对于大于其光学带隙的红外光不会吸收；为此，本发明专利通过使用新的多孔层，即利用具有这种上转换发光特性的纳米颗粒来制备多孔层，上转换发光材料是指某种特定材料，可以吸收长波长的光，然后发出短波长的光，比如吸收红外光，发出可见光；本专利中利用的多孔层在起到钙钛矿电池的骨架作用同时，吸收不能被钙钛矿材料吸收的红外光，转化成可见光，从而被钙钛矿材料吸收，提高电池的光电流。

发明内容

针对背景技术中的CN₃NH₃PbI₃不能吸收红外光，本发明提出一种利用上转化发光纳米材料做为钙钛矿电池的多孔层；除了多孔层不同，有机-无机杂化钙钛矿电池的其他组成和制备方法与之前报道的电池基本相同。

一种新型钙钛矿结构太阳能电池，所述太阳能电池从下至上依次为FTO导电玻璃层、氧化钛致密层、上转化多孔层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，其特征在于；所述上转化多孔层不同于现有的半导体或绝缘多孔层，而是能够吸收红外光发出可见光的多孔层，为利用稀土元素掺杂的氧化钛多孔层，在保证对可见光仍然透明的情况下，吸收不能被钙钛矿材料吸收的红外光，转化成可见光，从而被钙钛矿材料吸收，提高电池的光电流。

所述的氧化钛致密层，层厚为5-15nm。

所述的FTO导电玻璃层的方块电阻是10Ω，透过率为80%。

所述的利用稀土元素掺杂的氧化钛多孔层是稀土元素铒和镱掺杂的氧化钛纳米材料；纳米材料的粒径在20-50纳米，多孔层厚度在300-1200nm；铒和镱相对于钛的摩尔掺杂比例分别是0.5-2%。

所述的钙钛矿吸收层是CH₃NH₃PbI₃，层厚为300-500nm。

所述空穴传输层的层厚为80-150nm。

所述金属电极为Au或Ag电极，层厚为100-150nm。

一种新型钙钛矿结构太阳能电池的制备方法，包括在FTO导电玻璃沉积致密氧化钛层的步骤，然后再在氧化钛层上沉积一层稀土元素掺杂的氧化钛纳米多孔层的步骤，再沉积钙钛矿吸收层的步骤，接着钙钛矿吸收层上沉积空穴传输层的步骤，最后在空穴传输层上沉积金属电极层的步骤；其特征在于在氧化钛层上沉积一层稀土元素掺杂的氧化钛纳米多孔层的步骤为：

将氧化铒、氧化镱和氢氧化锂溶解在硝酸中搅拌直至溶液变成透明的溶胶A；将钛酸丁酯在搅拌条件下逐滴加入到去离子水中，持续搅拌混合均匀得到溶液B；将A和B混合得到胶体C，所得胶体C装入高压釜，水热处理后得到掺杂铒和镱的 TiO₂沉淀；抽滤、洗涤得到白色沉淀，干燥得到粉体，粉体焙烧后自然冷却至室温，经研磨后，加入聚乙二醇 20000 及非离子型表面活性剂，得到掺杂铒和镱的TiO₂胶体。

将制备的掺杂铒和镱的TiO₂胶体旋涂在致密层上，煅烧使得TiO₂固化并烧去包括聚乙二醇20000在内的有机物，冷却后取出得纳晶多孔 TiO₂膜。

所述氧化铒、氧化镱、氢氧化锂和硝酸的质量体积比为：1mg：1mg：0.1mg：30ml-1mg:1mg:0.1mg:60ml。