[发明专利]基于镁掺杂二氧化钛的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明属于微纳制造相关技术领域，其公开了基于镁掺杂二氧化钛的钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)对导电基底进行清洗处理；(2)采用水浴法在所述导电基底上沉积金红石相的镁掺杂二氧化钛薄膜，并进行退火处理，以形成光阳极，退火温度为100℃～120℃；(4)在所述光阳极的表面旋涂钙钛矿前驱体溶液，以得到光吸收层；(5)在所述光吸收层的表面蒸镀一层酞菁铜，以形成空穴传输层；(6)通过丝网印刷商用碳桨成膜来在所述空穴传输层上形成碳对电极层，由此结束。本发明还涉及基于镁掺杂二氧化钛的钙钛矿太阳能电池。本发明减小了生产成本，大大提高了电池的性能和稳定性，有利于电池的大规模商业化生产。

技术领域

本发明属于微纳制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于镁掺杂二氧化钛的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在能源领域，随着工业的发展，地球蕴藏的化石能源正逐渐枯竭，而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源成为人类开发的重点，而传统的无机太阳能电池由于制备工艺复杂、生产环境要求严苛、对环境污染较大等缺点已不符合人类设备进一步发展的要求，因此，新型太阳能电池如钙钛矿太阳能电池正成为人们研究的热点。自2009年日本Miyasaka等人首次使用具有钙钛矿结构的有机金属卤化物CH₃NH₃PbBr₃和CH₃NH₃PbI₃作为敏化剂拉开了钙钛矿太阳能电池研究的序幕以来，在短短几年内，钙钛矿太阳能电池技术取得了突飞猛进的进展，能量转换效率已经由最初的3.8％提升到了22.1％，这不仅要归功于钙钛矿材料本身的特性，如高效的光吸收率，双极性传输特性，较长的载流子寿命和扩散距离，能带可调以及溶液可制备性等，还要归于功能层材料的优化和工艺的改进。我们有理由相信，随着研究的不断深入和各项工艺的不断成熟，钙钛矿太阳能电池有望取代传统的硅太阳能电池，在新能源产业领域极具商业前景。

目前，在钙钛矿电池制备领域中，高效率电池的光阳极通常采用高温烧结的锐矿相TiO₂，其退火晶化的温度高达500℃，能耗高且不能在柔性基底上应用，不利于电池的商业化生产。此外，目前使用最广泛的有机空穴传输材料如spiro-OMeTAD，PTAA等，价格昂贵且电荷传输性能较差，为改善其性能而使用的有机添加剂又极易在空气中氧化，进一步降低了电池的稳定性。对电极通常采用热蒸发贵金属金或者银来制备，能耗较高，且热蒸发往往需要高真空度，再加上贵金属的消耗，使得电池制备成本较高，不利于电池的大规模制备，给电池的产业化带来了困难。

TiO₂作为最常用的电荷传输材料，具有成本低，制备工艺简单，合适的导带和价带值，优异的透光率以及高物理和化学稳定性等优点，为了提高其与柔性基底的兼容性，科研工作者也在不断探索TiO₂层的低温制备工艺，如低温旋涂TiO₂纳米颗粒原子层沉积、磁控溅射、低温CBD等技术。但是，纯TiO₂薄膜存在导电率低和缺陷态密度高等缺点，为了改善这些缺陷，往往需要对TiO₂进行掺杂处理，但是掺杂工艺往往是在高温条件下完成的，这又有违降低工艺温度的初衷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于镁掺杂二氧化钛的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，其基于现有光阳极的制备特点，研究及设计了一种生产成本较低且电池稳定性较高的基于镁掺杂二氧化钛的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明采用低温水浴法制备的镁掺杂金红石相TiO₂作为光阳极，不仅降低了整体工艺温度，也增强了光阳极的电荷传输能力，改善了TiO₂的表面形貌，进而促进了沉积在光阳极上的钙钛矿的良好结晶；使用相稳定性和热稳定性更好的三元混合阳离子钙钛矿前驱体材料，增强了所制备电池的稳定性；采用廉价和高稳定性的CuPc和碳分别作为空穴传输层和对电极材料，代替了昂贵的有机高分子空穴传输材料和贵金属对电极材料，既降低了生产成本，又进一步提高了电池的稳定性。