一种用于钙钛矿太阳能电池的TiO2-ZnO异质结纳米棒的制备方法

摘要

本发明涉及一种TiO2-ZnO纳米棒复合材料制备，及其在钙钛矿型太阳能电池中的应用。该方法以涂有TiO2致密层的涂敷有FTO（SnO2:F）的玻璃基材为衬底，采用水热法生长ZnO纳米棒阵列，利用两步法制备钙钛矿型太阳能电池。本方法过程简单，所制备的TiO2-ZnO纳米棒阵列应用于钙钛矿型太阳能电池，其短路电流达到了23.57mA/cm2。

说明书

技术领域

本发明涉及一种TiO₂-ZnO异质结纳米棒复合材料制备，及其在钙钛矿型太阳能电池中的应用。

背景技术

随着世界经济的快速增长和工业化进程的进一步加快，现代社会对能源需求的急剧增加。太阳能电池的研究日新月异，最早开发的晶体硅太阳能电池由于成本太高，其普遍应用受到限制，由于染料敏化太阳能电池制作成本低，人们逐渐开始研究染料敏化太阳能电池，但是液态染料敏化太阳能电池由于其电解液易泄露，不易封装，易短路等缺点，其应用也得到了限制，随后研究人员逐渐将注意力转移到固态敏化太阳能电池，从2012年底，钙钛矿型太阳能电池有了新的突破，从而引起了研究人员的极大关注，其效率逐渐提高到了19.3%，但是这类电池中缺陷的存在，电子空穴的复合，使得短路电流明显低于硅基太阳能电池。

目前钙钛矿太阳能电池主要采用TiO₂作为光阳极制备平面型或介孔型钙钛矿型太阳能电池，也有研究人员利用ZnO颗粒或氧化锌纳米棒作为介孔层制备钙钛矿型太阳能电池。2013年Dianyi Liu等人利用旋涂的方法，在ITO(In₂O₃:Sn)上制备一层ZnO薄膜作为光阳极制备钙钛矿型太阳能电池，其短路电流达到20.4 mA/cm²。2014年Dae-Yong Son等人利用氧化锌纳米棒制备钙钛矿型太阳能电池，其短路电流达到20.92 mA/cm²。太阳能电池的短路电流与电池中各界面的结构有很大关系。所以减少电子空穴复合，提高短路电流对器件的性能至关重要。

本发明利用水热法制备TiO₂-ZnO纳米棒复合材料，应用于钙钛矿型太阳能电池，利用这种复合结构，减少了电子空穴的复合，从而提高了钙钛矿型太阳能电池的短路电流，短路电流达到了23.6 mA/cm²。

发明内容  

本发明的目的在于提供一种用于钙钛矿太阳能电池的TiO₂-ZnO异质结纳米棒的制备方法。

一种用于钙钛矿太阳能电池的TiO₂-ZnO异质结纳米棒的制备方法，特征在于该方法的具体步骤为：

a.    将涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材依次放于水、丙酮、乙醇、异丙醇中各超声30 min，然后放于乙醇中冲洗，并用氮气吹干备用。

b.    取35 μL盐酸溶液（2 M）溶于2.53 mL乙醇中配成盐酸醇溶液，再在干净玻璃瓶中加入2.53 mL乙醇，加入转子放在搅拌器上搅拌，并快速加入369 μL四异丙醇钛，紧接着逐滴加入配好的盐酸醇溶液，得到无色澄清的溶液。

c.    把步骤b配好的溶液，旋涂到步骤a所得的干净的涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材上，并在烘箱中烘干,再把涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材放于管式炉中500 ℃退火30 min，待管式炉温度降至室温后取出样品，得到TiO₂致密层。

d.    取等摩尔的六水合硝酸锌与六亚甲基四胺溶于去离子水中，浓度为35 mM，把步骤c中铺好致密层的涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材浸于该前驱液中，正面朝下，90 ℃水热180 min.最后取出涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材，用去离子水和乙醇冲洗生长好的ZnO纳米棒数次，并用吹风机吹干。

e.    把步骤d中得到的ZnO纳米棒放于管式炉中450 ℃退火30 min. 待管式炉温度降至室温后取出样品，最终得到TiO₂-ZnO纳米棒。

本发明方法的特点和优点如下：

本发明采用以水热法制备TiO₂-ZnO纳米棒阵列，ZnO纳米棒阵列的顶端尺寸有所降低，孔隙率更大。与传统的水热法以ZnO为晶种制备的ZnO纳米棒阵列相比，TiO₂- ZnO纳米棒阵列应用在CH3NH3PbI3钙钛矿型太阳能电池中，其短路电流得到明显提高，达到23.6 mA/cm²。

附图说明

图1中左图为TiO₂-ZnO纳米棒阵列正面扫描电镜图；右图为TiO₂-ZnO纳米棒阵列侧面扫描电镜图。

图2为TiO₂- ZnO纳米棒阵列X射线衍射图谱。

图3为TiO₂-ZnO纳米棒阵列制备的钙钛矿型太阳能电池IV曲线。

开路电压：即将太阳能电池置于100 mW/cm²的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。

短路电流：就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。

填充因子：太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。FF 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标， 是代表太阳能电池在带最佳负载时， 能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF 的值始终小于l。实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。

光电转换效率：太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，他与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。

具体实施方式

    现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

本发明的具体制备步骤如下：

(1) 将涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材依次放于水、丙酮、乙醇、异丙醇中各超声30 min，然后放于乙醇中冲洗，并用氮气吹干备用。

(2) 取35 μL盐酸溶液（2 M）溶于2.53 mL乙醇中配成盐酸醇溶液，再在干净玻璃瓶中加入2.53 mL乙醇，加入转子放在搅拌器上搅拌，并快速加入369 μL四异丙醇钛，紧接着逐滴加入配好的盐酸醇溶液，得到无色澄清的溶液。 

(3) 把步骤b配好的溶液，旋涂到步骤a所得的干净的涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材上，并在烘箱中烘干,再把涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材放于管式炉中500 ℃退火30 min，待管式炉温度降至室温后取出样品，得到TiO₂致密层。

(4) 取等摩尔的六水合硝酸锌与六亚甲基四胺溶于去离子水中，浓度为35 mM，把步骤c中铺好致密层的涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材浸于该前驱液中，正面朝下，90 ℃水热180 min.最后取出涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材，用去离子水和乙醇冲洗生长好的ZnO纳米棒数次，并用吹风机吹干。

(5)把步骤d中得到的ZnO纳米棒放于管式炉中450 ℃退火30 min. 待管式炉温度降至室温后取出样品，最终得到TiO₂-ZnO纳米棒。

上述实施例中所制得的样品经仪器检测进行表征以及光电转化性能测试，其结果如下：

1.      由图1中可知，TiO₂-ZnO纳米棒阵列水热180 min,纳米棒长度可达500 nm左右。

2.      由图2 可知，TiO₂-ZnO纳米棒纳米棒，均为典型的六角纤锌矿结构，衍射峰出现在2θ=31.75°，34.39°，36.24°，47.54°，62.86°分别对应于ZnO纤维锌矿结构的(100)，(002)，(101)，(102)，(103)晶面，与体相ZnO标准值(JCPDS card 36-1451)一致。

星号代表的是涂敷有FTO（SnO₂:F）的玻璃基材的衍射峰。

3. 由图3知，以TiO₂为晶种制备的ZnO纳米棒阵列组装钙钛矿型太阳能电池，其短路电流高达23.57 mA/cm²。但是其开路电压不太理想，只达到了0.6V左右，还有很大的提高空间，还需进一步的优化。