本發(fā)明涉及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，尤其涉及一種無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、鈦礦太陽(yáng)能電池是一種新型的光伏材料，它以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物為基礎(chǔ)，通常以有機(jī)-無(wú)機(jī)鉛鹵化物作為光吸收層。鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電性能和相對(duì)低廉的生產(chǎn)成本而備受關(guān)注，近年來(lái)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。然而常規(guī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的材料中，空穴傳輸層的廣泛使用雖有較高效率，但價(jià)格昂貴且穩(wěn)定性較差，金屬電極所用的成本較高，鹵素原子還會(huì)從鈣鈦礦相遷移并與電極結(jié)合形成金屬鹵化物從而降低性能，成為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池工業(yè)化的最大阻礙。使用價(jià)格低廉、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性良好的聚苯胺、碳材料制備電極替換金屬電極，可以進(jìn)一步降低成本，簡(jiǎn)化制造工藝，與此同時(shí)還能提高電池穩(wěn)定性。然而，鈣鈦礦層與電極之間的界面問(wèn)題是影響電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，尤其是當(dāng)使用聚苯胺電極或者碳電極時(shí)。因此，有必要開(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)改善鈣鈦礦層與電極層之間的界面接觸。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，在本發(fā)明的第一方面，提供了一種材料價(jià)格低廉、光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，電池結(jié)構(gòu)由下到上依次為透明導(dǎo)電襯底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、無(wú)機(jī)金屬氧化物層和電極層；所述無(wú)機(jī)金屬氧化物層為氧化鎂（mgo）、氧化鋁（al2o3）、氧化硅（sio2）、氧化鋯（zro2）納米顆粒中的一種。
2、優(yōu)選的，所述透明導(dǎo)電襯底包括ito玻璃襯底、fto玻璃襯底、ito柔性襯底中的一種，其厚度為0.1~2?mm。
3、優(yōu)選的，所述電子傳輸層為sno2，其厚度為1~20?nm。
4、優(yōu)選的，所述鈣鈦礦吸光層為abx3鈣鈦礦晶體，其厚度為300~1000?nm；abx3鈣鈦礦晶體中a為銫離子（cs+）、甲銨陽(yáng)離子（ma+）或甲脒陽(yáng)離子（fa+）中的一種，b為pb2+或sn2+，x為i-或br-。
5、優(yōu)選的，所述無(wú)機(jī)金屬氧化物層的厚度為5~500?nm；納米顆粒的粒徑為5~500?nm。
6、優(yōu)選的，所述電極層為聚苯胺電極、碳電極、聚苯胺-碳納米管復(fù)合電極、空穴傳輸層/金屬電極中的一種，其厚度為0.1~50?μm。
7、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述空穴傳輸層/金屬電極中的金屬電極包括金電極、銀電極、銅電極、鋁電極中的一種。
8、在本發(fā)明的第二方面，提供了一種工藝簡(jiǎn)單的本發(fā)明第一方面的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟：
9、s1：清洗透明導(dǎo)電襯底，并進(jìn)行干燥和紫外臭氧處理；
10、s2：在透明導(dǎo)電襯底表面涂覆前驅(qū)體溶液，之后退火得到電子傳輸層；
11、s3：配置鈣鈦礦前驅(qū)體溶液并過(guò)濾，在電子傳輸層表面涂覆鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，退火得到鈣鈦礦吸光層；
12、s4：配置無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆前驅(qū)體溶液并過(guò)濾，在鈣鈦礦吸光層表面涂覆無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆前驅(qū)體溶液，退火得到無(wú)機(jī)金屬氧化物層；
13、s5：在無(wú)機(jī)金屬氧化物層的表面完成電極層的制備，得到無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
14、制備中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件選擇合適的涂覆方式，例如旋涂或刮涂等，均能用于各層結(jié)構(gòu)的制備。
15、優(yōu)選的，所述s2中，前驅(qū)體溶液為sno2前驅(qū)體溶液，其濃度范圍為1?wt.%~10wt.%；退火條件包括100~180?℃退火20~60?min。
16、優(yōu)選的，所述s3中，退火條件包括80~150?℃退火10~60?min。
17、優(yōu)選的，所述s4中，無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒前驅(qū)體溶液的濃度范圍為0.1~10mg/ml；退火條件包括60~150?℃退火5~60?min。
18、優(yōu)選的，所述s5中，當(dāng)電極層為聚苯胺電極、碳電極、聚苯胺-碳納米管復(fù)合電極中的一種時(shí)，在無(wú)機(jī)金屬氧化物層的表面涂覆上導(dǎo)電電漿，退火得到電極層，退火條件包括80~150?℃退火10~60?min；當(dāng)電極層為空穴傳輸層/金屬電極時(shí)，在無(wú)機(jī)金屬氧化物層的表面涂覆空穴傳輸層并沉積金屬電極。
19、基于以上技術(shù)方案，本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思與原理如下：
20、與傳統(tǒng)鈣鈦礦表面修飾材料（各種有機(jī)小分子、聚合物和有機(jī)鹵化物）不同，本發(fā)明采用的氧化鎂（mgo）、氧化鋁（al2o3）、氧化硅（sio2）和氧化鋯（zro2）納米顆粒具有極高的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。所得到的金屬氧化物層主要作用亦區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)中電子傳輸層（如sno2、tio2、zno）或空穴傳輸層（如niox）對(duì)電荷傳輸?shù)母纳?，而是起到鈣鈦礦層與電極層之間的化學(xué)鈍化和物理隔離。這些金屬氧化層可以與鈣鈦礦表面的鉛或鹵素形成pb-o等化學(xué)鍵，有效鈍化鈣鈦礦表面及界面處的缺陷態(tài)，增強(qiáng)界面結(jié)合力，從而減少電荷復(fù)合中心，抑制非輻射復(fù)合，提升開(kāi)路電壓。同時(shí)還可以作為致密的物理屏障，阻隔水汽、氧氣和離子遷移對(duì)鈣鈦礦的侵蝕，抑制鈣鈦礦相變和揮發(fā)性組分的流失，提升電池的穩(wěn)定性。上述金屬氧化物層的制備工藝簡(jiǎn)單高效，提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。結(jié)合如聚苯胺電極、碳電極以及聚苯胺-碳納米管復(fù)合電極可以明顯降低原材料成本，簡(jiǎn)化制造工藝，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際生產(chǎn)制備提供了一個(gè)可行方案。
21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
22、本發(fā)明提供了一種無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其無(wú)機(jī)金屬氧化物層通過(guò)化學(xué)鈍化有效鈍化了界面缺陷，并作為致密的物理屏障阻隔水汽、氧氣和離子遷移對(duì)鈣鈦礦的侵蝕并抑制鈣鈦礦相變和揮發(fā)性組分的流失，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
23、本發(fā)明提供了一種無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，所需材料價(jià)格低廉，制備工藝簡(jiǎn)單，為拓展鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用提供了良好方案。
1.一種無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于：電池結(jié)構(gòu)由下到上依次為透明導(dǎo)電襯底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、無(wú)機(jī)金屬氧化物層和電極層；所述無(wú)機(jī)金屬氧化物層為mgo、al2o3、sio2、zro2納米顆粒中的一種。
2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于：所述透明導(dǎo)電襯底包括ito玻璃襯底、fto玻璃襯底、ito柔性襯底中的一種，其厚度為0.1~2?mm。
3.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于：所述電子傳輸層為sno2，其厚度為1~20?nm。
4.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于：所述鈣鈦礦吸光層為abx3鈣鈦礦晶體，其厚度為300~1000?nm；abx3鈣鈦礦晶體中a為銫離子、甲銨陽(yáng)離子或甲脒陽(yáng)離子中的一種，b為pb2+或sn2+，x為i-或br-。
5.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于：所述無(wú)機(jī)金屬氧化物層的厚度為5~500?nm；納米顆粒的粒徑為5~500?nm。
6.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于：所述電極層為聚苯胺電極、碳電極、聚苯胺-碳納米管復(fù)合電極、空穴傳輸層/金屬電極中的一種，其厚度為0.1~50?μm；空穴傳輸層/金屬電極中的金屬電極包括金電極、銀電極、銅電極、鋁電極中的一種。
7.一種如權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
8.?根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于：所述s2中，前驅(qū)體溶液為sno2前驅(qū)體溶液，其濃度范圍為1?wt.%~10wt.%，退火條件包括100~180?℃退火20~60?min；所述s3中，退火條件包括80~150?℃退火10~60?min。
9.?根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于：所述s4中，無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒前驅(qū)體溶液的濃度范圍為0.1~10?mg/ml；退火條件包括60~150?℃退火5~60?min。
10.?根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)機(jī)金屬氧化物納米顆粒鈍化修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于：所述s5中，當(dāng)電極層為聚苯胺電極、碳電極、聚苯胺-碳納米管復(fù)合電極中的一種時(shí)，在無(wú)機(jī)金屬氧化物層的表面涂覆上導(dǎo)電電漿，退火得到電極層，退火條件包括80~150?℃退火10~60?min；當(dāng)電極層為空穴傳輸層/金屬電極時(shí)，在無(wú)機(jī)金屬氧化物層的表面涂覆空穴傳輸層并沉積金屬電極。