利用有序排列的二氧化钛小球构成的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，尤其涉及一种利用有序排列的二氧化钛小球构成的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的不断发展，人民生活水平不断提高，与此相伴的是能源的大量消耗和环境的日益恶化。其中能源危机问题越来越严重，世界各国为了解决这个问题都在大力发展新型可利用清洁能源。太阳能是目前利用程度最广，清洁和安全性能最高的一种新型能源。目前太阳能电池中占有主要成分的是硅基太阳能电池，这种电池的转换效率较高，性能较稳定，但是为了制备出高质量的单晶硅材料会消耗大量的能源并且产生一定的环境污染。所以发现并研究新型太阳能电池具有很大的意义。
[0003]从2009年开始，一种具有钙钛矿结构的有机无机复合金属卤化物材料进入了科研工作者的视野。其基本化学结构可以写作ABX3。其中A位是有机物基团，一般可以为甲胺基团(CH3NH3) ;B位是无机金属，一般可以为铅(Pb)或者锡(Sn) ;X位为卤族元素，一般可以为碘(I)，溴(Br)，氯(Cl)或者这几种元素的混合。
[0004]这些年来钙钛矿电池发展的非常迅速，从2009年的3.8%的效率提高到现在超过20%的效率，在换能效率上已经实现了对多晶硅太阳能电池的超越。新型的钙钛矿电池其主要由导电玻璃层，一般为FTO或者ITO玻璃；电子传输层，一般为二氧化钛，氧化锌或者氧化锡等具有良好电子传输性能的半导体；吸光层，有机无机复合的技术卤化钙钛矿结构；空穴传输层，一般为P3HT或者spr1-MeOTAD ;上电极，一般为100_200nm厚的银或者金。
[0005]有鉴于上述的内容，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种利用有序排列的二氧化钛小球构成的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
【发明内容】
[0006]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够提高换能效率且制备容易，操作简单的利用有序排列的二氧化钛小球构成的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
[0007]本发明提出的一种利用有序排列的二氧化钛小球构成的钙钛矿太阳能电池，其特征在于:包括框架层和吸光体，所述框架层由二氧化钛框架构成，所述吸光体由钙钛矿材料组成，所述二氧化钛框架由规则排列的二氧化钛空心小球构成，所述二氧化钛空心小球为单层和多层分布。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述二氧化钛空心小球以原子层沉积的方式制备，所述二氧化钛空心小球为电子传输的载体并能够提高光的利用率。
[0009]本发明提出的一种利用有序排列的二氧化钛小球构成的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0010](I)将不同大小的聚苯乙烯小球配置成聚苯乙烯水溶液，再将聚苯乙烯水溶液与乙醇混合得到新母体溶液，最后在新母体溶液中加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，超声振荡，得到混合液，新母体溶液中聚苯乙烯水溶液与乙醇的混合比例为1:1?3:1，新母体溶液中每毫升加入0.0lg十六烷基三甲基溴化铵；
[0011](2)将步骤(I)中的混合液滴在处理过的导电玻璃上，然后通过旋涂的方式得到规则排列的聚苯乙烯小球，该排列可以具有不同的聚苯乙烯小球层数，得到均匀胶体小球层的基片，旋涂转速为800?2000转/分钟；
[0012](3)将步骤(2)中的均匀胶体小球层的基片放入到原子层沉积的腔体内，使用异丙醇钛或者四甲胺钛作为钛源，去离子水作为氧源，控制反应腔体温度为80?100°C，来制备可调控的二氧化钛小球，得到二氧化钛小球基片；
[0013](4)将步骤(3)中的二氧化钛的基片取出，放入退火炉中进行后退火，去除二氧化钛小球内的聚苯乙烯材料，同时提高二氧化钛的结晶性能，升温参数为每度一分钟，并且在550°C煅烧2h，冷却，紫外清洗，得到二氧化钛小球框架结构基片；
[0014](5)将事先配好的钙钛矿溶液滴在步骤(4)中的二氧化钛小球框架结构基片上，利用旋涂的方法得到致密钙钛矿层，钙钛矿溶液中的钙钛矿材料占40?45% wt，溶质中碘甲胺:碘化铅/氯化铅比为1:1/3，溶剂为二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜，旋涂转速为2000?4000转/分钟；
[0015](6)将步骤(5)中的致密钙钛矿层的在100°C的加热台上退火2h得到完全转化为黑色的结晶钙钛矿，冷却至室温后，旋涂上溶解在氯苯中的P3HT，得到电池基片，P3HT浓度为20-40mg/ml，旋涂转速为1500?3000转/分钟；
[0016](7)将步骤(6)中的电池基片转移到热蒸发仪器中，制备上金属电极，蒸发源为:银或者金，蒸发气压为1*10 5Pa,蒸发速率为0.1-0.3nm/So
[0017]借由上述方案，本发明至少具有以下优点:本发明中采用有序排列的二氧化钛小球作为载体，该小球既可以起到电子传输的特性，也可以利用这种规则排列带来的光子晶体特性提高光利用率，以此来提高电池的性能。本发明的二氧化钛框架结构制备简单易操作，且对设备要求低，该结构可以利用在染料敏化电池，量子点电池和钙钛矿电池等新型太阳能电池领域。
[0018]本发明制备的二氧化钛，将二氧化钛材料同时作为电子传输的载体和提高光利用的基础，以钙钛矿材料作为吸光组分，可以实现在全可见光范围吸光，对比于纯粹的薄膜二氧化钦结构，本发明的技术可以提尚130%以上的换能效率，最终突破10%的效率。
[0019]本发明通过原子层沉积技术制备二氧化钛空心小球，在原子层沉积反应中，气态前驱体可以被一层一层可控附着在样品表面，然后完成生长过程，可以在纳米量级上精确控制金属氧化物的生长。通过漏电性能和透射率的测量，对比不同的电子传输层制备手段，例如旋涂法，热蒸发法和原子层沉积法，原子层沉积技术能够制备出更高致密度和超薄的电子传输层。
[0020]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0021]图1为本发明所制备的包含钙钛矿材料的二氧化钛小球扫描电镜截面图；
[0022]图2为本发明所制备的太阳能电池的伏安特性(J-V)曲线图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0024]实施例一:
[0025]将200nm聚苯乙稀胶体小球配置成5% wt的水溶液，取出5ml的聚苯乙稀水溶液加入5ml的乙醇形成混合比为1:1的新母体溶液，最终加入0.1g表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，超声振荡，得混合液；利用移液枪取出10ul的混合液滴在干净的导电玻璃表面，旋涂制备出均匀的交替小球层；将制备出来的带有均匀胶体小球层的基片移入原子层沉积腔体，进行二氧化钛的生长，控制生长厚度为5nm厚；将生长好二氧化钛的基片取出，放在退火炉中煅烧，去除聚苯乙烯部分，控制升温速率为I°C/min，升温到550°C煅烧2h。控制退火炉均匀降温至室温，