基于可控氧化铁纳米粒子的钙钛矿电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于可控氧化铁纳米粒子的钙钛矿电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。

背景技术

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。

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ABX

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25％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Sprio-MeOTAD；上电极，一般为100-200nm厚的银或者金。

但是钙钛矿电池中的电子传输层受太阳光中的紫外线照射，会与钙钛矿材料反应从而分解钙钛矿。如何制备紫外光稳定的钙钛矿电池一直是一个研究的难点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种能够提高紫外光稳定性且制备容易，操作简单的利用可控的氧化铁纳米粒子构成的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

本发明的第一个目的是提供一种基于可控氧化铁纳米粒子的薄膜，所述的薄膜通过如下方法制备得到：

S01、将粒径为5-25nm的氧化铁粒子分散在水相中，配制成氧化铁母体溶液；

S02、采用S01步骤的氧化铁母体溶液在导电基底上制备氧化铁晶粒，得到分布氧化铁晶粒的薄膜基片；

S03、对S02步骤的薄膜基片按照0.5-2℃/min升温至500-600℃进行退火处理，并在500-600℃煅烧1-3h，冷却后得到所述的基于可控氧化铁纳米粒子的薄膜。

进一步地，在S01步骤中，氧化铁母体溶液的浓度为2-20mg/mL。

进一步地，在S02步骤中，制备氧化铁晶粒采用旋涂方式进行制备。

进一步地，所述的旋涂的转速为3000-5000转/分钟。

本发明的第二个目的是提供一种基于可控氧化铁纳米粒子的钙钛矿电池，所述的钙钛矿电池包括所述的基于可控氧化铁纳米粒子的薄膜。

本发明的第三个目的是提供所述的基于可控氧化铁纳米粒子的钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：

S1、将粒径为5-25nm的氧化铁粒子分散在水相中，配制成氧化铁母体溶液；

S2、采用S1步骤的氧化铁母体溶液在导电基底上制备氧化铁晶粒，得到分布氧化铁晶粒的薄膜基片；

S3、对S2步骤的薄膜基片按照0.5-2℃/min升温至500-600℃进行退火处理，并在500-600℃煅烧1-3h，冷却后得到氧化铁框架结构基片；

S4、采用钙钛矿前驱体溶液在S3步骤的氧化铁框架结构基片上制备钙钛矿薄膜，加热退火，冷却后得到钙钛矿层；

S5、在S4的钙钛矿层上制备空穴传输层，在空穴传输层上制备背电极；或在在S4的钙钛矿层上制备背电极。

进一步地，所述的钙钛矿薄膜通过如下方法制备得到：旋涂400-600mg/mL碘化铅溶液，再旋涂40-60mg/mL甲基碘化铵溶液，旋涂转速为2000～4000转/分钟。

进一步地，所述的碘化铅溶液的溶剂为二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜；所述的甲基碘化铵溶液的溶剂为乙二醇。

进一步地，所述的空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD、氧化镍、氧化铜、氧化钴、氧化钒、氧化钼、碘化亚铜中的一种或多种。

进一步地，所述的背电极采用热蒸发方法制备得到，蒸发源为银或金，蒸发气压为1×10

本发明的有益效果是：

本发明中采用可控的氧化铁纳米粒子作为载体，形成致密的氧化铁薄膜，提高了氧化铁薄膜的质量，同时薄膜具有非常好的致密性，降低了紫外线照射对钙钛矿层的分解作用，以此来提高电池的稳定性能。本发明的氧化铁纳米粒子制成的薄膜制备简单易操作，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。

本发明制备的氧化铁将同时作为电子传输的载体和吸收紫外线的材料，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，最终突破14.3％的效率，并在300W的Xe灯照射100小时下还可以保持95％的效率。

附图说明

图1为本发明所制备的包含钙钛矿材料的氧化铁小球扫描电镜截面图；

图2为a)ITO表面，b)使用本发明方法制备的Fe

图3是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

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1：

将5nm氧化铁小球颗粒配置成6％wt的水溶液，超声振荡，得混合液；利用移液枪取出40ul的混合液以5000转/分钟的速率滴在干净的导电玻璃表面，旋涂制备出均匀的氧化铁小球层；将制备出来的带有均匀氧化铁小球层的基片移入马弗炉中，进行氧化铁的结晶过程，去除水溶液部分，控制升温速率为1℃/min，升温到550℃煅烧2h。控制退火炉均匀降温至室温，可以得到致密排列的氧化铁薄膜；取出氧化铁薄膜框架结构的基片，旋涂钙钛矿溶液，旋涂速率为3000转/分钟，然后150℃退火制备出结晶钙钛矿；冷却至室温后旋涂上Spiro-OMeTAD溶液，转速2000转/分钟；热蒸发制备出100nm厚的上电极，蒸发源为银。

分别取ITO玻璃、本实施例中制备的Fe

取本实施例中制备的包含结晶钙钛矿的二氧化铁小球框架结构基片，利用紫外-可见-红外分光仪对基片进行测试，测试在相同钙钛矿晶体制备条件下基片对于紫外光照射的稳定性。对给定参数下的氧化铁薄膜结构，通过300W Xe灯的照射，在最大功率点进行测试，器件在持续照射100小时之后，还可以保证95％以上的效率。

实施例2：

将10nm氧化铁小球颗粒配置成6％wt的水溶液，超声振荡，得混合液；利用移液枪取出40ul的混合液以5000转/分钟的速率滴在干净的导电玻璃表面，旋涂制备出均匀的氧化铁小球层；将制备出来的带有均匀氧化铁小球层的基片移入马弗炉中，进行氧化铁的结晶过程，去除水溶液部分，控制升温速率为1℃/min，升温到550℃煅烧2h。控制退火炉均匀降温至室温，可以得到致密排列的氧化铁薄膜；取出氧化铁薄膜框架结构的基片，旋涂钙钛矿溶液，旋涂速率为3000转/分钟，然后150℃退火制备出结晶钙钛矿；冷却至室温后旋涂上Spiro-OMeTAD溶液，转速2000转/分钟；热蒸发制备出100nm厚的上电极，蒸发源为银。

实施例3：

将20nm氧化铁小球颗粒配置成6％wt的水溶液，超声振荡，得混合液；利用移液枪取出40ul的混合液以5000转/分钟的速率滴在干净的导电玻璃表面，旋涂制备出均匀的氧化铁小球层；将制备出来的带有均匀氧化铁小球层的基片移入马弗炉中，进行氧化铁的结晶过程，去除水溶液部分，控制升温速率为1℃/min，升温到550℃煅烧2h。控制退火炉均匀降温至室温，可以得到致密排列的氧化铁薄膜；取出氧化铁薄膜框架结构的基片，旋涂钙钛矿溶液，旋涂速率为3000转/分钟，然后150℃退火制备出结晶钙钛矿；冷却至室温后旋涂上Spiro-OMeTAD溶液，转速2000转/分钟；热蒸发制备出100nm厚的上电极，蒸发源为银。

测试例：

该测试例用于说明本发明的钙钛矿太阳能电池性能的测试。

该测试例伏安曲线测试图(J-V)曲线如图3所示，其中具有最高效率的10nm氧化铁小球制备成的钙钛矿电池结构在100mW/cm

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。