[發明專利]雙層雙尺度復合結構氧化物-二氧化鈦薄膜及其制備工藝和用途

有效

• 申請號: 201710375600.X
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107275486B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 楊冠軍;丁斌;黃世玉;楚倩倩
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發明公開一種雙層雙尺度復合結構氧化物?二氧化鈦薄膜及其制備工藝和用途，包括具有孔隙的一次結構氧化鈦、填充一次結構氧化鈦孔隙形成致密結構的小顆粒二次結構氧化鈦和位于二次結構氧化鈦上方的小顆粒氧化物構成的第二材料層。本發明薄膜，采用TiCl₄為鈦源，用低溫水解的方法，采用相對小的顆粒填充的大的孔隙，形成了更加致密薄膜，并用其他氧化物修飾二氧化鈦，應用在鈣鈦礦太陽電池中可以大幅提高電池效率，穩定性以及減少回滯。該薄膜具有制備工藝簡單，原材料來源廣并且價格低廉，可沉積在任何尺寸的基體上等有點，可以進一步促進鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程。

技術領域

本發明涉及納米二氧化鈦薄膜技術領域，主要涉一種雙層雙尺度復合結構氧化物-二氧化鈦薄膜及其制備工藝。

背景技術

工業革命以來，人類對能源的需求日益增加，這導致了地球上能源危機嚴重、加劇了環境的污染，因此開發利用清潔可再生能源迫在眉睫。再生能源是可以再生的水能、風能、太陽能、地熱能、生物能和海洋能等的統稱。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。而因其具有不受地理條件限制、高效、清潔、低成本等優勢而備受關注。其中，光電太陽能轉換是將太陽能直接轉換成電能，是世界各國政府最重視的研究課題之一。光電太陽能轉換的重要方式之一是制備太陽能電池。

二氧化鈦，在光催化，太陽能發電等領域，一直有著廣泛的應用。以二氧化鈦為電子傳輸層，新型的有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池，從2009年到2017年，它的光電轉化效率從3.8％快速發展到22.1％，顯示了巨大的潛力。二氧化鈦通常以多孔結構和致密結構被應用在鈣鈦礦太陽能電池中。由于多孔結構的二氧化鈦薄膜需要大于450℃的高溫燒結，并且難以實現均勻大面積制備，人們開始使用致密結構的二氧化鈦薄膜。致密結構的二氧化鈦薄膜的制備方法主要有旋涂膠體溶液，磁控濺射，原子層沉積以及噴霧熱解。然而，這些方法，要么成本高昂，生產效率低，要么仍然需要高溫處理。并且，單純的致密結構的二氧化鈦薄膜存在很多缺陷和在紫外光下不穩定等問題，導致鈣鈦礦太陽能電池效率低，不穩定，還存在嚴重的回滯。為了解決這些問題，人們開始對二氧化鈦薄膜進行摻雜或者表面修飾，比如在二氧化鈦中摻入氯，可以很好的解決回滯問題；用極薄的溴化銫或者C60薄膜修飾二氧化鈦薄膜可以很好的提高電池的穩定性。

然而目前人們只能解決二氧化鈦的部分問題。如果能夠同時二氧化鈦的大面積，低溫制備以及穩定性問題，鈣鈦礦太陽能電池將會很快商業化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種雙層雙尺度復合結構氧化物-二氧化鈦薄膜及其制備工藝和用途，該薄膜可以很好地減少二氧化鈦表面缺陷態，作為電子傳輸層可以大幅提高鈣鈦礦太陽電池的效率及穩定性，還能減少回滯。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

雙層雙尺度復合結構氧化物-二氧化鈦薄膜，包括具有孔隙的一次結構氧化鈦、填充一次結構氧化鈦孔隙形成致密結構的小顆粒二次結構氧化鈦和位于二次結構氧化鈦上方的小顆粒氧化物構成的第二材料層。

進一步的，一次結構氧化鈦的顆粒尺寸為5-100nm，孔隙大小為5-50nm，厚度為20-300nm；小顆粒二次結構氧化鈦的顆粒尺寸為3-50nm；小顆粒二次結構氧化鈦不僅在一次結構氧化鈦空隙內分布，同時在表面分布，厚度為3-100nm。

進一步的，小顆粒氧化物構成的第二材料層的顆粒尺寸為3-70nm，厚度為3-100nm。

進一步的，小顆粒氧化物構成的第二材料層于致密結構的小顆粒二次結構氧化鈦上方異質形核，并與二氧化鈦形成牢固的結合。

進一步的，小顆粒氧化物構成的第二材料層的材料為氧化錫。

雙層雙尺度復合結構氧化物-二氧化鈦薄膜的制備工藝，包含以下步驟：