[發明專利]基于鎂摻雜二氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201810032532.1
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108281550B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發明（設計）人: 廖廣蘭;劉星月;史鐵林;劉智勇;韓京輝;涂玉雪;葉海波;湯自榮
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發明屬于微納制造相關技術領域，其公開了基于鎂摻雜二氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，該方法包括以下步驟：(1)對導電基底進行清洗處理；(2)采用水浴法在所述導電基底上沉積金紅石相的鎂摻雜二氧化鈦薄膜，并進行退火處理，以形成光陽極，退火溫度為100℃～120℃；(4)在所述光陽極的表面旋涂鈣鈦礦前驅體溶液，以得到光吸收層；(5)在所述光吸收層的表面蒸鍍一層酞菁銅，以形成空穴傳輸層；(6)通過絲網印刷商用碳槳成膜來在所述空穴傳輸層上形成碳對電極層，由此結束。本發明還涉及基于鎂摻雜二氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池。本發明減小了生產成本，大大提高了電池的性能和穩定性，有利于電池的大規模商業化生產。

技術領域

本發明屬于微納制造相關技術領域，更具體地，涉及一種基于鎂摻雜二氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術

在能源領域，隨著工業的發展，地球蘊藏的化石能源正逐漸枯竭，而太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源成為人類開發的重點，而傳統的無機太陽能電池由于制備工藝復雜、生產環境要求嚴苛、對環境污染較大等缺點已不符合人類設備進一步發展的要求，因此，新型太陽能電池如鈣鈦礦太陽能電池正成為人們研究的熱點。自2009年日本Miyasaka等人首次使用具有鈣鈦礦結構的有機金屬鹵化物CH₃NH₃PbBr₃和CH₃NH₃PbI₃作為敏化劑拉開了鈣鈦礦太陽能電池研究的序幕以來，在短短幾年內，鈣鈦礦太陽能電池技術取得了突飛猛進的進展，能量轉換效率已經由最初的3.8％提升到了22.1％，這不僅要歸功于鈣鈦礦材料本身的特性，如高效的光吸收率，雙極性傳輸特性，較長的載流子壽命和擴散距離，能帶可調以及溶液可制備性等，還要歸于功能層材料的優化和工藝的改進。我們有理由相信，隨著研究的不斷深入和各項工藝的不斷成熟，鈣鈦礦太陽能電池有望取代傳統的硅太陽能電池，在新能源產業領域極具商業前景。

目前，在鈣鈦礦電池制備領域中，高效率電池的光陽極通常采用高溫燒結的銳礦相TiO₂，其退火晶化的溫度高達500℃，能耗高且不能在柔性基底上應用，不利于電池的商業化生產。此外，目前使用最廣泛的有機空穴傳輸材料如spiro-OMeTAD，PTAA等，價格昂貴且電荷傳輸性能較差，為改善其性能而使用的有機添加劑又極易在空氣中氧化，進一步降低了電池的穩定性。對電極通常采用熱蒸發貴金屬金或者銀來制備，能耗較高，且熱蒸發往往需要高真空度，再加上貴金屬的消耗，使得電池制備成本較高，不利于電池的大規模制備，給電池的產業化帶來了困難。

TiO₂作為最常用的電荷傳輸材料，具有成本低，制備工藝簡單，合適的導帶和價帶值，優異的透光率以及高物理和化學穩定性等優點，為了提高其與柔性基底的兼容性，科研工作者也在不斷探索TiO₂層的低溫制備工藝，如低溫旋涂TiO₂納米顆粒原子層沉積、磁控濺射、低溫CBD等技術。但是，純TiO₂薄膜存在導電率低和缺陷態密度高等缺點，為了改善這些缺陷，往往需要對TiO₂進行摻雜處理，但是摻雜工藝往往是在高溫條件下完成的，這又有違降低工藝溫度的初衷。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于鎂摻雜二氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，其基于現有光陽極的制備特點，研究及設計了一種生產成本較低且電池穩定性較高的基于鎂摻雜二氧化鈦的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。本發明采用低溫水浴法制備的鎂摻雜金紅石相TiO₂作為光陽極，不僅降低了整體工藝溫度，也增強了光陽極的電荷傳輸能力，改善了TiO₂的表面形貌，進而促進了沉積在光陽極上的鈣鈦礦的良好結晶；使用相穩定性和熱穩定性更好的三元混合陽離子鈣鈦礦前驅體材料，增強了所制備電池的穩定性；采用廉價和高穩定性的CuPc和碳分別作為空穴傳輸層和對電極材料，代替了昂貴的有機高分子空穴傳輸材料和貴金屬對電極材料，既降低了生產成本，又進一步提高了電池的穩定性。