一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法，具体涉及一种以层状结构类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)lriPbnI3lri (η = I, 2)为吸光层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能电池市场约85%的市场份额由晶体硅太阳能电池占据，但由于晶体硅价格高昂，制约了光伏产业的应用发展。钙钛矿太阳能电池是一类新兴的太阳能电池，主要是利用具有钙钛矿结构的光伏材料来实现光电转换，具有原材料来源广泛、结构简单、价格低、可制备成柔性电池等优点，具有广泛的应用前景，但该类电池的产业化瓶颈是光电转化效率偏低以及光吸收层材料在空气中稳定性较差，现阶段的研宄重点是提高其光电转换效率以及电池的稳定性。日本科学家发现钙钛矿型光吸收剂CH3NH3PbIj^禁带宽度仅有1.5eV，以此材料制成的电池的光电转换效率达到3.81% (J.AM.CHEM.SOC.131 (2009) 6050)，2013年此类电池的光电转换效率已突破15% (Nature 499 (2013) 316)，2014年以来已经突破19% (Science 345(2014)542)，已经超过了染料敏化和有机太阳能电池，但仍低于晶体娃太阳能电池。相对于光电转换效率的快速提高，钙钛矿太阳能电池稳定性的研宄相对滞后，严重制约了钙钛矿太阳能电池的应用。
[0003]层状类钙钛矿材料是有机、无机组分在分子尺度上复合而成的一种天然量子阱材料，其无机层具有较小的带隙而有机层具有较大的H0M0-LUM0 (最高占据轨道和最低空轨道)能级差，无机层构成一定深度和宽度的阱，有机层则构成一定高度和厚度的势皇。层状类钙钛矿材料可以沿不同的方向在分子尺度上对其结构进行剪裁，如无机层的数目可连续改变，因此能带可连续调节。同时，由于该类材料中有机、无机组分的复合是分子尺度的复合，这使此类材料既具有无机物的半导性，又具备有机物的易成膜性，能在简单条件下制作成大面积的薄膜。
[0004]当前钙钛矿太阳能电池的研宄都是围绕三维钙钛矿分子杂合物AMX3(A =(CH3NH3)+，(NH = CHNH3)+；M = Pb, Sn ；X = Cl, Br, I)展开。三维结构钙钛矿杂合物由于空间上容忍因子的限制，A位只能是离子半径较小的阳离子如(CH3NH3)+或(NH = CHNH 3)+，而这些小半径的有机阳离子正是导致AMX3稳定性不佳的主要原因。因此，寻找具有更高稳定性的钙钛矿吸光材料替代传统三维结构的AMX3对于推进钙钛矿太阳能电池商业化进程具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种以二维层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)lriPbnUn = I, 2)为吸光层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，采用该吸光层材料能够有效提高钙钛矿太阳能电池的化学稳定性。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是:
[0007]提供一种钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池从下至上由FTO透明导电玻璃衬底、电子传输层、吸光层、空穴传输层和金属电极组成，所述吸光层为二维层状结构的(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)^1PbnIari (η = 1,2)材料。
[0008]按上述方案，所述吸光层厚度为100-1000nm。
[0009]本发明还提供钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述太阳能电池从下至上由FTO透明导电玻璃衬底、电子传输层(致密Ticv薄膜)、吸光层(层状类钙钛矿薄膜)、空穴传输层和金属电极组成，其步骤如下:
[0010]I)将FTO透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的FTO透明导电玻璃衬底；
[0011]2)在步骤I)洁净的FTO透明导电玻璃衬底表面旋涂钛源，然后在空气气氛下于400-500°C退火处理15-60min，得到表面涂覆有TiCV薄膜的FTO透明导电玻璃；
[0012]3)将步骤2)所得表面覆有TiCV薄膜的FTO透明导电玻璃置于手套箱中，在T12薄膜表面旋涂层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3) P1PbnIart (η = 1,2)的前驱体溶液，然后在手套箱中于50-150°C退火处理10-150min，即在TiCV薄膜表面制备得到层状类钙钛矿薄膜；
[0013]4)在手套箱内，在步骤3)所得层状类钙钛矿薄膜表面上旋涂含2，2’，7，7’-四[N, N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’ -螺二芴(英文缩写为spiro-OMeTAD)的前驱体溶液，然后在手套箱中于50-150°C退火处理10-150min，在层状类钙钛矿薄膜表面制备得到空穴传输层薄膜；
[0014]5)采用热蒸发法在步骤4)所得空穴传输层薄膜上蒸镀50-100nm的Au薄膜作为金属电极，即得到钙钛矿太阳能电池。
[0015]按上述方案，步骤2)所述钛源的制备方法为:将异丙醇钛的异丙醇溶液与稀盐酸的异丙醇溶液按体积比1:1混合，搅拌l-4h得透明溶胶，即钛源，其中异丙醇钛的异丙醇溶液浓度为0.3-0.5mol/L，稀盐酸的浓度为2mol/L，稀盐酸的异丙醇溶液浓度为
0.02-0.05mol/Lo
[0016]按上述方案，步骤3)所述层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3)^1PbnI3n.! (η=1，2)的前驱体溶液为(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)lriPbnIart (η = I, 2)的 DMF (N，N- 二甲基甲酰胺)溶液，浓度为0.1-0.5mol/Lo
[0017]按上述方案，步骤4)所述含spiro-OMeTAD的前驱体溶液由如下方法配制而成:首先配制spiro-OMeTAD的氯苯溶液，浓度为30mg/mL，再向所述氯苯溶液中加入4-叔丁基吡啶(英文缩写为tBP)和二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(英文缩写为L1-TFSI)的乙腈溶液，每毫升spiro-OMeTAD的氯苯溶液中加入含5-30 μ L tBP和15-30 μ L L1-TFSI的乙腈溶液，其中L1-TFSI的乙腈溶液浓度为170mg/mL。
[0018]按上述方案，步骤2)至4)所述旋涂工艺为:每平方厘米的衬底上滴加25-100 μ L旋涂液，旋涂速率2000-4000rpm，旋涂时间20_60s，旋涂一次。
[0019]按上述方案，步骤3)所述层状类钙钛矿材料(C6H5CH2CH2NH3)2(CH3NH3)lriPbnUn=I, 2)的前驱体溶液制备方法步骤如下:
[0020]a)合成CH3NH3I粉晶:在冰水浴的条件下将氢碘酸水溶液缓慢滴加到甲胺的乙醇溶液或甲胺的水溶液中，搅拌l_2h，其中氢碘酸与甲胺的摩尔比为0.5-1:1，然后将混合溶液于50-100°C条件下不断搅拌l_2h，冷却至室温后抽滤得到白色晶体，将该白色晶体于50-100°C下真空干燥5-10h，得到CH3NH3I粉晶；
[0021]b)合成C6H5CH2CH2NH3I粉晶:在冰水浴条件下将氢碘酸水溶液缓慢滴加到苯乙胺中，搅拌l_2h，其中氢碘酸与苯乙胺的摩尔比为0.5-1.2:1，然后将混合溶液于50-100°C条件下不断搅拌l_2h，冷却至室温后抽滤得到白色晶体，将该白色晶体于50-100°C下真空干燥 5-10h，得到 C6H5CH2CH2NH3I 粉晶；
[0022]c)合成(C6H5CH2CH2NH3) 2 (CH3NH3) ^1PbnI3η+ι (η = I)粉晶:将 PbI2^f 于氢碘酸溶液中，得到PbId^氢碘酸溶液，再将所得PbI 2的氢碘酸溶液缓慢滴加到步骤b)所得C6H5CH2CH2NH3I粉晶的乙醇溶液中，其中PbIjP C 6H5CH2CH2NH3I的摩尔比为1: 2，PbI2的氢碘酸溶液浓度为0.01-0.2mol/L，C6H5CH2CH2NH3I的乙醇溶液浓度为0.01-0.2mol/L，室温下搅拌30min，再于70-90°C下水浴保温l_2h，冷却至室温后抽滤得到黄色晶体，将该黄色晶体在 50-100°C下真空干燥 5-10h 即得到(C6H5CH2CH2NH3)2PbI4粉晶；
[0023]d)合成(C6H5CH2CH2NH3)2 (CH3NH3)P1PbnIari (η = 2)粉晶:将 PbI^氢碘酸溶液缓慢滴加到含步骤b)所得C6H5CH2CH2NH3I粉晶和步骤a)所得CH3NH3I粉晶的乙醇溶液中，其中PbI2的氢碘酸溶液浓度为0.01-0.2mol/L，C6H5CH2CH2NH3I, CH3NH3I在乙醇溶液中的浓度均为 0.01-0.2mol/L，且 Pbl2、C6H5CH2CH2NH3I 和 CH3NH3I 的摩尔比为 1: 1: 1，室温下搅拌30min，再于70-90°C下水浴保温l_2h，冷却至室温后抽滤得