一种新型叠合式钙钛矿太阳能电池的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型叠合式钙钛矿太阳能电池的制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，人类80-85%的能源供给来自于传统的化石燃料，如煤、石油和天然气等，这些化石燃料在地表以下分布不均且储量有限，而且人类在消耗化石燃料以满足能量需求的同时，产生了大量的温室气体，是加快全球变暖的因素之一，同时也伴随着大量的环境污染物的产生，导致了严重的环境污染，威胁人类健康。可再生能源因其可持续性、清洁、环保，是未来能源的发展方向。在可再生能源中，太阳能作为一种新型的能源，被认为是21世纪最重要的新能源之一。
[0003]太阳能是一种取之不尽，用之不竭的巨大的清洁能源，与传统的化石能源相比，它具有无污染，基本不受地域限制，储备丰富和利用方式多样化等特点。目前，太阳能光电转化主要是利用太阳能电池来完成，太阳能电池是根据光电效应或者光化学效应，将太阳能直接转换为电能的一种半导体光电器件，是一种非常理想的能源应用形式。
[0004]钙钛矿太阳能电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳能电池。该电池不仅具有较高的能量转换效率，而且其核心光电转换材料具有廉价、容易制备的特点，这为其大规模、低成本制造提供了可能。此外，该电池不需要液体电解质，不用担心漏液问题，其核心光电转换材料是有机-无机杂化材料，具有优异的性能。这些优点使钙钛矿太阳能电池在实际使用中具有比其他电池更好的稳定性和更长的使用寿命。它最早是由日本科学家Ko jima等于2009年提出的，他们将有机-无机钙钛矿作为光敏剂应用到液态DSCs中，其光电转化效率为3.8% (J.Am.Chem.Soc.，2009，131，6050-6051)。2012年，H.S.Kim等将有机-无机钙钛矿应用到固态电池中，用Spiro-MeOTAD作为固态空穴传输层制作的钙钛矿太阳能电池，效率达到9.7%，获得了突破性进展(Scientific Reports, 2012，2，591)。最近，Sang II Seok 等已经将 1?钛矿电池的光电转换效率提高到了 20.3% (Nature, 2015.V.517.476-480)。
[0005]目前传统钙钛矿太阳能电池的结构通常为FTO/T1#^密层/T12多孔层/CH3NH3PbIJSpiro-MeOTAD/金属电极。其中用于收集空穴的金属电极是通过真空蒸镀贵金属金或银的方法制作到空穴传输层的。这种体系电池发展迅速，其能量转换效率目前已达到20%，展示了良好的发展前景。但金属电极金银蒸镀工艺复杂，能耗较高，制备过程需要在KT4Pa的真空中完成，这种条件在实验室可以达到，但在大规模生产时却较难实现。同时金银等贵金属价格昂贵，工艺成本高，既无法满足大面积规模化生产，同时又面临金属电极被其它功能层腐蚀的风险。因此，我们迫切需要寻求一种简单低成本的方法来大规模制备钙钛矿太阳能电池。2014年D.Worsley等开发了新型叠合式结构钙钛矿电池，该工作将镶嵌在聚合物中的镍网和透明导电胶结合起来，替换掉蒸镀的金银电极，简化了对电极制作流程，且电池光电转换效率达到了 15% (Advanced Materials, 2014.V.26.7499-7504)。这种双电极叠合式的方法，通过两层界面处理层将光阳极和背基板连接，使空穴顺利被提取并传输到背基板上，制作工艺简单，价格低廉，无需真空，可以对基底进行灵活的变换，有利于灵活设计电极的纳米结构，为将来制作柔性电极奠定了基础。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种新型叠合式钙钛矿太阳能电池的制备方法，并提供以这种方法制备钙钛矿太阳能电池的一些优化条件。
[0007]本发明的技术方案:
[0008]一种新型叠合式钙钛矿太阳能电池的制备方法，由两块电极组成，第一块电极由基底和PED0T:PSS组成；第二块电极由FTO、T12、钙钛矿、Spiro-OMeTAD和PED0T:PSS组成；制备步骤如下:
[0009](I)刻蚀导电基底:用聚酰亚胺胶带将FTO导电玻璃需要保护的区域粘住，再将Zn粉均匀涂于需要刻蚀的FTO玻璃表面，将HCl溶液滴在FTO玻璃上的Zn粉上，立即发生反应；待反应完成后，擦拭刻蚀区域，将表面未反应的溶液擦去；
[0010](2)制备1102致密层:
[0011]①配制有机溶胶:
[0012]A液:将钛酸四丁酯和二乙醇胺溶解于无水乙醇中，于室温条件下强烈搅拌，得到均匀溶液；其中，钛酸四丁酯:二乙醇胺:无水乙醇的体积比为4:1:13 ;
[0013]B液:将去离子水与无水乙醇按体积比1:28混合；
[0014]强烈搅拌条件下，将B液以5mL/min的速度逐滴加入到A液中，A液与B液的体积比为2.8:1。陈化24小时，得到澄清透明微黄色溶液，该溶液的摩尔浓度为0.5M，置于_5°C储存；使用前用等体积比的乙醇稀释，然后用0.22 μπι的微孔滤膜过滤，即得致密层有机溶胶；
[0015]②旋涂有机溶胶:将步骤①得到的有机溶胶均匀滴在洁净的FTO玻璃基底上，进行旋涂，然后将其置于450°C条件下烧结Ih ;
[0016](3)制备T12多孔层
[0017]①浆料配制:将乙醇与DeySol-18NR-T按照质量比3.5:1混合，然后球磨分散4h，即得氧化钛浆料；
[0018]②多孔层制备:将上述得到的氧化钛浆料滴于涂有1102致密层的FTO玻璃基底上，然后进行旋涂，旋涂结束后置于500°C条件下烧结30min ;
[0019](4)制备有机-无机钙钛矿
[0020]①合成碘甲铵
[0021]将33wt.%甲胺的无水乙醇溶液和等摩尔的57wt.%氢碘酸水溶液混合，在0°C条件下搅拌2h，反应结束后，50°C旋蒸除去溶剂得到碘甲胺粗产品；将碘甲胺粗产品溶于无水乙醇中，再向其中加入无水乙醚直至其不再产生白色沉淀为止，过滤得到白色固体；重结晶重复两次，最终得到的白色固体在真空烘箱中60°C烘干24h，制得碘甲胺，避光保存；
[0022]②两步法制备有机-无机钙钛矿
[0023]首先将碘化铅溶于DMF中，碘化铅的浓度为4.62mg/mL，70°C加热搅拌直至？1^12完全溶解，用0.22 μ m的有机滤膜过滤，将PbI2S液滴在T1 2多孔膜上，然后进行旋涂，旋涂完毕转移到70°C加热板上，加热30min ;加热完毕冷却至室温后，将制备好的？1^12薄膜在异丙醇溶液中润湿，取出后立刻置于lOmg/mL碘甲胺的异丙醇溶液中，PbI2薄膜颜色逐渐由黄色变为黑色；然后将薄膜转移到异丙醇溶液中轻微漂洗，旋涂至溶剂挥发，最后将其转移到70°C加热板上加热30min，即得有机-无机钙钛矿层；
[0024](5)制备空穴传输层
[0025]配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入三种添加剂:分别为520mg/mL锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL钴盐的乙腈溶液，三者的体积比为10:17:11，常温下搅拌lh，既得Spiro-OMeTAD溶液；将Spiro-OMeTAD溶液滴加到步骤(4)制备好的有机-无机钙钛矿层上，然后进行旋涂，即得Spiro-OMeTAD层；
[0026](6)制备 PEDOT: PSS 层
[0027]将PEDOT:PSS颗粒与异丙醇混合，PEDOT:PSS颗粒在异丙醇中的质量分数为0.2-5 %，得到PEDOT: PSS喷涂液；PEDOT: PSS层制备分为两层，Layer 1:取已制作好Spiro-OMeTAD的膜，热喷涂PEDOT:PSS喷涂液；Layer I1:取洗净的背电极基板，热喷涂不同量的PEDOT:PSS喷涂液；
[0028](7)电池组装及测试
[0029]将喷涂好PEDOT:PSS的两个电极结