一種噴涂法制備鈣鈦礦電池電子傳輸層的方法技術

本發明專利技術涉及一種噴涂法制備鈣鈦礦電池電子傳輸層的方法，所述方法包括：按照質量比1000:（1～100）:（1～5）將溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑混合得到前驅體漿料，其中，所述電子傳輸材料納米粉體為n型半導體金屬氧化物，優選為二氧化鈦納米粉體或氧化鋅納米粉體，粒徑為5nm～50nm，優選為5nm～30nm；在25℃～35℃下將所述前驅體漿料噴涂在透明導電襯底上，經干燥得到所述鈣鈦礦電池電子傳輸層。本發明專利技術的方法不僅簡化傳統電池制備工藝，節約成本，而且可以提高基于該薄膜電池的光電轉換性能，有利于促進鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于無機納米材料領域，具體涉及一種噴涂法制備二氧化鈦/氧化鋅薄膜并用于鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層的方法。
技術介紹
近年來，在能源危機逐漸加劇，環境污染程度逐漸變深的背景下，全球光電研究領域取得了極大的進展，成為本世紀最具前景和戰略意義的研究熱點之一。在此領域中，由于成本低、工藝簡單以及性能優秀，鈣鈦礦太陽能電池成為了光電器件領域的研究熱點。該電池2009年首次提出的太陽光轉換效率僅為4％，經過7年的發展如今認證效率已經高達22％，超過非晶硅太陽能電池和銅銦鎵硒太陽能電池當前的光電轉化效率，具有媲美單晶硅和多結砷化鎵電池的潛力。因此，積極開展針對鈣鈦礦電池的研究，優化電池結構和組成材料，對今后國民經濟可持續和創新發展有著重大的意義。實現電池具備高轉換效率的基本途徑就是提高光生載流子的提取，分離和運輸的能力。鈣鈦礦太陽能電池由5部分組成，這幾部分分別具有不同的功能。首先是透明導電電極，常用的是FTO(摻F二氧化錫)或者ITO(氧化銦錫)導電玻璃；隨后是電子傳輸層，用于及時輸運光生電子和阻擋光生空穴，抑制光生電子和光生空穴的復合；其次是鈣鈦礦吸收材料，主要是鈣鈦礦型有機鉛鹵化物(ABX3:A＝CH3NH3，B＝Pb，X＝Cl,I,Br)；再次是空穴傳輸層，用于及時輸運光生空穴和阻擋光生電子，抑制光生電子和光生空穴的復合；最后是背電極，常用的是金，銀和銅。因此，合適的電子傳輸層是高性能鈣鈦礦太陽能不可缺少的一部分。理想的電子傳輸層具有優秀的電子傳輸能力和空穴阻擋能力，在可見光范圍內具備高透過率，較低的界面電阻，以及匹配鈣鈦礦吸收層導帶位置的能級。到目前為止，二氧化鈦和氧化鋅是主要應用于電子傳輸層的材料。應用這兩種材料作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池具有比較高的轉換效率，然而氧化鋅材料長期不穩定性影響了其市場化推廣。因此，二氧化鈦是目前最普遍的，也是被認為前景最廣闊的電子傳輸材料。目前為止，文獻報道的制備二氧化鈦電子傳輸層方法主要是旋涂法和噴霧熱解法。這兩種制備方法，在合成過程中均需要高溫煅燒過程，以提高納米粉體的結晶性和獲得致密的結構。高溫處理極大的限制了柔性襯底電池的制備與應用，以及提高了生產成本。與此同時，旋涂法雖然簡便，但是受制于尺寸的限制。僅僅在有限的電池面積下，可以獲得均勻的電子傳輸層。而噴霧熱解法制備的電子傳輸層面積雖然相應有所提高，但是其設備非常復雜，對于未來的大規模生產來說，有很大的局限性。其他的方法包括原子層沉積，溶膠凝膠，微波輔助和絲網印刷，均需要高溫處理工程，并且最終制備的電池性能弱于前面兩種方法。因此尋找一種可以低溫制備大尺寸高性能電子傳輸層的方法勢在必行。
技術實現思路
針對現有技術存在的電子傳輸層合成溫度高，條件苛刻的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種能夠在常溫下進行而且不受限于襯底的尺寸和性狀的噴涂法制備鈣鈦礦電池致密層(電子傳輸層)的方法，并且制備的薄膜更加致密并且厚度連續可調，電子傳輸性能更強。在此，本專利技術提供一種制備鈣鈦礦電池電子傳輸層的方法，所述方法包括：按照質量比1000:(1-100):(1-10)將溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑混合得到前驅體漿料，其中，所述電子傳輸材料納米粉體為n型半導體金屬氧化物，優選為二氧化鈦納米粉體或氧化鋅納米粉體，粒徑為5nm～50nm，優選為5nm～30nm；在25℃～35℃下將所述前驅體漿料噴涂在透明導電襯底上，經干燥得到所述鈣鈦礦電池電子傳輸層。本專利技術通過在透明導電襯底上噴涂由粒徑在50nm以下的電子傳輸材料納米顆粒配制成的具有合適粘度和流動性的漿料，制備得到連續致密且具有優異的電子提取和傳輸能力的薄膜，用做鈣鈦礦太陽能電池中電子傳輸層。本專利技術基于粒徑較小的電子傳輸材料納米顆粒進行噴涂。針對粒徑僅僅幾個納米的納米顆粒，相對幾十個納米粉體組成的薄膜而言，具有很多明顯的優勢。首先，當粒徑足夠小的時候，薄膜更加致密和連續，顆粒之間的空隙急劇減小，對光子的散射作用顯著降低；其次，薄膜致密度提高，層間電阻相應較小，有利于光生電子的分離和傳輸；此外，粒子尺寸越小，表面缺陷越多，有利于電子的傳遞。最后，粒子尺寸接近其量子點尺寸的時候，粉體會存在相應的量子尺寸效應，同樣有利于電子的傳遞。本方法(噴涂法)制備的薄膜更加致密并且厚度連續可調，電子傳輸性能更強。噴涂法簡單快捷，同時又可以精確控制薄膜厚度和性質，而且，相比需要高溫煅燒過程的旋涂法和噴霧熱解法，采用噴涂法可以在常溫下進行而且不受限于襯底的尺寸和性狀，可以制備大面積電池和柔性電池。此外，本專利技術的方法不需要后續退火過程，能夠有效的降低制備溫度。本專利技術制備的薄膜顯著提高了光生電子的分離和傳輸效率，以及空穴阻擋效率。因此，本專利技術采用噴涂法不僅簡化傳統電池制備工藝，節約成本，而且可以提高基于該薄膜電池的光電轉換性能，有利于促進鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產。本專利技術中，所述溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑的質量比優選為1000:(5-50):(1-5)；更優選為1000：(20-30)：(1-3)。本專利技術中，所述溶劑為選自乙醇、乙二醇、1,2丙二醇、1,3丙二醇、丙三醇、異丙醇、正丁醇中至少一種的醇類；優選為乙醇、乙二醇、1,2丙二醇、1,3丙二醇、異丙醇中至少一種；更優選為乙醇、1,3丙二醇和異丙醇中至少一種；最優選為異丙醇。較佳地，所述二氧化鈦納米粉體通過以下方法制備得到：按照質量比1:2將溶劑與鈦酸四丁酯混合280℃水熱12小時，冷卻、洗滌、干燥后得到所述二氧化鈦納米粉體。具體的，作為一個示例，例如將溶劑與鈦酸四丁酯1:2均勻混合，填充率為80％，在暗處均勻攪拌2小時后，280℃水熱12小時；等反應釜降至室溫，取出漿料，多次用乙醇和去離子水洗滌，80℃烘干粉體。較佳地，所述氧化鋅納米粉體通過以下方法制備得到：將溶劑與乙酰丙酮鋅混合，270℃水熱48小時冷卻、洗滌、干燥后得到所述氧化鋅納米粉體。具體的，作為一個示例，例如稱取適量的乙酰丙酮鋅，溶解在上述溶劑中，填充率為80％，在暗處均勻攪拌2小時后，270℃水熱48小時。等反應釜降至室溫，取出漿料，多次用乙醇和去離子水洗滌，80℃烘干粉體。本專利技術中，所述分散劑為硅烷偶聯劑(KH-570,KH-550)、聚氨酯分散劑、丙烯酸分散劑、聚乙二醇中至少一種；優選為硅烷偶聯劑(KH-570)、硅烷偶聯劑(KH-550)、聚乙二醇；更優選為聚乙二醇。較佳地，溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑混合過程包括：將所述溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑混合攪拌0.5～2小時后，以1000～3000轉/分鐘研磨處理3～10小時。較佳地，所述透明導電襯底為透明導電玻璃，優選FTO，AZO(鋁摻雜的氧化鋅(ZnO)透明導電玻璃)和ITO等透明導電玻璃。較佳地，所述噴涂的條件為：噴涂距離，即樣品臺與噴嘴的距離為15-30cm；噴頭移動軌跡為左右吹掃，前后移動步幅2-10cm每次；吹掃氣壓3-10個大氣壓；漿料抽取速度5-20毫升/秒；單次吹掃時間5-30秒，連續吹掃次數1-10次。噴涂層數可以為1-20層。本專利技術還提供一種制備鈣鈦礦電池的方法，包括：在透明導電襯底上依次制備電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層、和背電極，其中所述電子傳輸層由上述方法制備得本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制備鈣鈦礦電池電子傳輸層的方法，其特征在于，所述方法包括：按照質量比1000:（1～100）:（1～5）將溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑混合得到前驅體漿料，其中，所述電子傳輸材料納米粉體為n型半導體金屬氧化物，優選為二氧化鈦納米粉體或氧化鋅納米粉體，粒徑為5nm～50nm，優選為5nm～30nm；在25℃～35℃下將所述前驅體漿料噴涂在透明導電襯底上，經干燥得到所述鈣鈦礦電池電子傳輸層。

【技術特征摘要】
1.一種制備鈣鈦礦電池電子傳輸層的方法，其特征在于，所述方法包括：按照質量比1000:（1～100）:（1～5）將溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑混合得到前驅體漿料，其中，所述電子傳輸材料納米粉體為n型半導體金屬氧化物，優選為二氧化鈦納米粉體或氧化鋅納米粉體，粒徑為5nm～50nm，優選為5nm～30nm；在25℃～35℃下將所述前驅體漿料噴涂在透明導電襯底上，經干燥得到所述鈣鈦礦電池電子傳輸層。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑、電子傳輸材料納米粉體、分散劑的質量比為1000:（5～50）:（1～5），優選為1000:（20～30）:（1～3）。3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述溶劑為選自乙醇、乙二醇、1,2丙二醇、1,3丙二醇、丙三醇、異丙醇、正丁醇中至少一種的醇類。4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述二氧化鈦納米粉體通過以下方法制備得到：按照質量比1:2將溶劑與鈦酸四丁酯混合280℃水熱12小時，冷卻、洗滌、干燥后得到所述二氧化鈦納米粉體。5.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述氧化鋅納米粉體通過以下方法制備得到...

【專利技術屬性】
技術研發人員：金平實，黃愛彬，雷磊，周奕杰，包山虎，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31