[发明专利]双层双尺度复合结构氧化物-二氧化钛薄膜及其制备工艺和用途

说明书

本发明公开一种双层双尺度复合结构氧化物‑二氧化钛薄膜及其制备工艺和用途，包括具有孔隙的一次结构氧化钛、填充一次结构氧化钛孔隙形成致密结构的小颗粒二次结构氧化钛和位于二次结构氧化钛上方的小颗粒氧化物构成的第二材料层。本发明薄膜，采用TiCl₄为钛源，用低温水解的方法，采用相对小的颗粒填充的大的孔隙，形成了更加致密薄膜，并用其他氧化物修饰二氧化钛，应用在钙钛矿太阳电池中可以大幅提高电池效率，稳定性以及减少回滞。该薄膜具有制备工艺简单，原材料来源广并且价格低廉，可沉积在任何尺寸的基体上等有点，可以进一步促进钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

技术领域

本发明涉及纳米二氧化钛薄膜技术领域，主要涉一种双层双尺度复合结构氧化物-二氧化钛薄膜及其制备工艺。

背景技术

工业革命以来，人类对能源的需求日益增加，这导致了地球上能源危机严重、加剧了环境的污染，因此开发利用清洁可再生能源迫在眉睫。再生能源是可以再生的水能、风能、太阳能、地热能、生物能和海洋能等的统称。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。而因其具有不受地理条件限制、高效、清洁、低成本等优势而备受关注。其中，光电太阳能转换是将太阳能直接转换成电能，是世界各国政府最重视的研究课题之一。光电太阳能转换的重要方式之一是制备太阳能电池。

二氧化钛，在光催化，太阳能发电等领域，一直有着广泛的应用。以二氧化钛为电子传输层，新型的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池，从2009年到2017年，它的光电转化效率从3.8％快速发展到22.1％，显示了巨大的潜力。二氧化钛通常以多孔结构和致密结构被应用在钙钛矿太阳能电池中。由于多孔结构的二氧化钛薄膜需要大于450℃的高温烧结，并且难以实现均匀大面积制备，人们开始使用致密结构的二氧化钛薄膜。致密结构的二氧化钛薄膜的制备方法主要有旋涂胶体溶液，磁控溅射，原子层沉积以及喷雾热解。然而，这些方法，要么成本高昂，生产效率低，要么仍然需要高温处理。并且，单纯的致密结构的二氧化钛薄膜存在很多缺陷和在紫外光下不稳定等问题，导致钙钛矿太阳能电池效率低，不稳定，还存在严重的回滞。为了解决这些问题，人们开始对二氧化钛薄膜进行掺杂或者表面修饰，比如在二氧化钛中掺入氯，可以很好的解决回滞问题；用极薄的溴化铯或者C60薄膜修饰二氧化钛薄膜可以很好的提高电池的稳定性。

然而目前人们只能解决二氧化钛的部分问题。如果能够同时二氧化钛的大面积，低温制备以及稳定性问题，钙钛矿太阳能电池将会很快商业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双层双尺度复合结构氧化物-二氧化钛薄膜及其制备工艺和用途，该薄膜可以很好地减少二氧化钛表面缺陷态，作为电子传输层可以大幅提高钙钛矿太阳电池的效率及稳定性，还能减少回滞。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

双层双尺度复合结构氧化物-二氧化钛薄膜，包括具有孔隙的一次结构氧化钛、填充一次结构氧化钛孔隙形成致密结构的小颗粒二次结构氧化钛和位于二次结构氧化钛上方的小颗粒氧化物构成的第二材料层。

进一步的，一次结构氧化钛的颗粒尺寸为5-100nm，孔隙大小为5-50nm，厚度为20-300nm；小颗粒二次结构氧化钛的颗粒尺寸为3-50nm；小颗粒二次结构氧化钛不仅在一次结构氧化钛空隙内分布，同时在表面分布，厚度为3-100nm。

进一步的，小颗粒氧化物构成的第二材料层的颗粒尺寸为3-70nm，厚度为3-100nm。

进一步的，小颗粒氧化物构成的第二材料层于致密结构的小颗粒二次结构氧化钛上方异质形核，并与二氧化钛形成牢固的结合。

进一步的，小颗粒氧化物构成的第二材料层的材料为氧化锡。

双层双尺度复合结构氧化物-二氧化钛薄膜的制备工艺，包含以下步骤：