[发明专利]TiO2

说明书

本发明公开了TiO₂曲奇状微球的制备方法以及制备钙钛矿太阳能电池的方法，TiO₂微球为乙腈、异丙醇、乙酰丙酮混合后，滴加钛酸正四丁酯，四丁基氢氧化铵作为控制剂，在160℃‑200℃加热12h‑20h，沉淀离心洗涤并干燥，再经高温退火得到TiO₂微球粉末。将所得粉末与P25混合制备成浆料，旋涂在已涂有致密层的FTO上并作为钙钛矿太阳能电池的介孔层。在TiO₂薄膜上先后旋涂MAPbI₃和Spiro‑OMeTAD，最后蒸镀一层Au。该高比表面积的TiO₂微球采用一步水热法，制备工艺简单，成本低廉；所制备的TiO₂薄膜表现出优异的导电性及对可见光的吸收效应，同时将其应用在钙钛矿太阳能电池获得了优良的光电转化效率，为制备大面积、低成本、高效率的钙钛矿太阳能电池提供了可能。

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体为TiO₂曲奇状微球的制备方法以及制备钙钛矿太阳能电池的方法。

背景技术

作为钙钛矿太阳电池(PSC)介孔层的纳米材料需满足以下几个特点：一，透光性好，可透过更多的入射光，减小光损失；二，其导带能级位置可以与吸光材料能级相匹配，减小激子能量损失；三，优异的电子输运性能，有效抑制电子与空穴的复合；四，大的孔隙度及比表面积，有利于增强入射光在电池内部的反射，提高器件光捕获能力。现阶段常用作PSC介孔层材料的有TiO₂、ZnO、NiOx和ZrO2，其中应用最普遍的是廉价高效的TiO₂颗粒。相较其它几种TiO₂阵列结构(纳米线、纳米棒及纳米管)，介孔TiO₂纳米球结构具有更大的比表面积，这个特点可以有效使介孔层和吸光材层紧密接触形成更大的电子选择接触面积，有效提高PSC的短路电流密度(J_sc)和开路电压(V_oc)。另外，有报道称TiO₂纳米球形成的多孔膜有助于其上的钙钛矿大晶粒的生长。

文献报道的TiO₂颗粒制备方法主要有：(1)TiCl₄气相氧化法，通过TiCl₄和O₂在900℃-1400℃下反应，生成纳米TiO₂颗粒，再进行捕获，实现气固分离；(2)雾化水解法，采用钛醇盐为前驱体，利用超声静电等手段使其雾化成小液滴，经短时间水解得到二氧化钛粉末；(3)热等离子法，由氢气或者氮气组成的高温等离子流中所存在大量高活性的离子附着在前驱体表面经历熔融气，最后成核生长，再急速冷却，得到二氧化钛颗粒；(4)溶胶凝胶法，将钛酸盐加入醇中不断搅拌形成溶胶，接着和水发生水解反应，经失水失醇过程，再进行烘干煅烧研磨得到二氧化钛粉末；(5)水热合成法，通过控制溶液的压力和温度让钛源在高压釜内水解；(6)液相沉积法，将碱类物质添加到钛盐溶液中形成Ti(OH)₄，再过滤洗涤烘干，最后通过煅烧得到不同晶型二氧化钛。

不同合成方法各有优缺点，其中热等离子法的优势在于工纯度高粒径小，但是很难实现大规模生产；对于溶胶-凝胶法，所需要的温度低工艺简单颗粒小而且分散性好，但是成本较高，受仪器设备限制较大。

对于PSC组件来讲，介孔结构是PSC的经典结构。电池的结构可以分为：工作电极(FTO，氧化锡掺氟)、电子阻挡层(EBL)、电子传输层、活性层、空穴传输层(HTM)和金属对电极这六大部分组成。介孔结构衍生于DSSC，其主要的有点在于其本质是借助半导体氧化物纳米构架框架传输光生电子。目前据报道，国际上稳定的PSC绝大部分都是基于纳米介孔结构。现阶段常用作PSC介孔层材料的有TiO₂、ZnO、NiO_x和ZrO₂，其中使用较为普遍的是廉价而且高效的TiO2材料。研究表明，介孔TiO₂薄膜结构具有更大的比表面积，经过测试表明能有效提高PSC的短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)。有报道称TiO₂纳米球形成的多孔结构有助于其上的钙钛矿大晶粒的生长。