一维锐钛矿相TiO2纳米锥阵列的制备方法及应用与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的制备方法及应用。

背景技术：

在新型光伏领域中，钙钛矿太阳电池自2009年被发现以来，其效率已经由3.8％提升至24.2％，是光伏界中的一匹黑马。作为钙钛矿太阳电池的重要组成部分，电子传输材料的主要作用是传输钙钛矿吸光层产生的光生电子和抑制界面处的载流子复合。一维电子传输材料不仅可以为光生电子提供直接的传输路径，而且具有优异的光捕获效率，因而有益于提升器件的光伏性能。2013年，park课题组以水热法生长的金红石相的tio2为电子传输材料，获得了9.4％的转化效率。surya课题组证明一维tio2纳米棒阵列可以缩短电荷传输距离并增加接触面积，从而获得了19％的转化效率。同时，关于一维zno与sno2纳米结构在钙钛矿太阳电池中的应用也有许多报道。tao等人使用zno:i纳米柱阵列，获得了18.24％的效率。zhang等人表明一维sno2在钙钛矿太阳电池中具有广阔的应用潜力。基于离子掺杂后的sno2纳米阵列的器件效率可以达到21％，这也是目前基于一维电子传输材料的最高效率，但仍然要落后于其它维度的电子传输材料的器件效率。

另一方面，目前报道的高效钙钛矿太阳电池均使用锐钛矿相的tio2作为电子传输材料，这是由于锐钛矿相tio2具有更加合适的能带位置、简单的合成方法以及优异的化学稳定性。然而，在钙钛矿电池中使用的一维tio2均为金红石相tio2。具有高度取向的一维锐钛矿相tio2的合成仍然是一个挑战，这主要是因为锐钛相tio2表面具有强的作用力会促使栾晶或者共生相的产生。有报道称，纳米锥状阵列结构由于具有更加适于电荷传输的电场分布状态，因而在传输电荷方面比纳米棒阵列表现更加优异，有益于提升光伏性能。因而，具有高度取向性的一维锐钛矿tio2纳米锥阵列的合成以及探索它们在钙钛矿太阳电池中的应用潜力，是值得深入研究的科学问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的制备方法及应用，该方法成功将高度结晶、高度取向性的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列用作钙钛矿太阳电池的电子传输材料，并取得了高达22.48％的转换效率。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

一种一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)在超纯水中加入浓硫酸和浓盐酸溶液并充分搅拌，得到第一混合液；(2)待第一混合液温度降至室温时，加入一定量的钛源前驱体，持续搅拌30min后，得到透明混合液；(3)将透明混合液倒入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，反应釜内衬中放置一片fto导电玻璃基底，玻璃导电面朝下，将反应釜放入到恒温干燥箱中进行反应，反应完成后，待其自然冷却至室温，取出玻璃基底，并放置于水与乙醇的混合液中，进行超声清洗，得到表面带有一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列fto导电玻璃基底。

进一步的技术方案为，所述步骤(1)中浓硫酸与浓盐酸的体积比为(0.05-0.07:1)。

进一步的技术方案为，所述步骤(2)中钛源前驱体选自钛酸四丁酯、异丙醇钛、四氯化钛中的任意一种，所述钛源前驱体与所述浓硫酸的体积比为0.5-1.5:1

进一步的技术方案为，所述步骤(3)中反应温度为170-200℃，反应时间为2-7h。

进一步的技术方案为，所述步骤(3)中超声清洗的时间为3-5min。

更进一步的技术方案为，所述步骤(3)中超声清洗的时间为3min。

本发明还提供了一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的应用，将其用于钙钛矿电池的制备中，所述钙钛矿电池的制备方法具体为：将表面带有一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列fto导电玻璃基底进行退火处理，待冷却至室温后，在其表面依次旋涂钙钛矿吸光层、空穴传输材料层、最后蒸镀一层金电极层。

进一步的技术方案为，所述退火处理的温度为400-500℃，时间为25-35min。

更进一步的技术方案为，所述退火处理的温度为450℃，时间为30min。

进一步的技术方案为，所述钙钛矿吸光层的厚度为700nm，所述空穴传输材料层的厚度为150nm，所述金电极层的厚度为80nm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过水热法在fto衬底上成功合成出具有高度结晶、高度取向性的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列；并且将高度结晶、高度取向性的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列用作钙钛矿太阳电池的电子传输材料，并取得了高达22.48％的转换效率，是基于一维电子传输材料的最高效率，并可以与国际上的高效电池相媲美。

附图说明

图1为一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的sem截面图像；

图2为基于一维锐钛矿相tio2纳米锥的钙钛矿太阳能电池的sem截面图像；

图3为基于一维锐钛矿相tio2纳米锥的钙钛矿太阳能电池的j-v曲线；

图4为基于一维锐钛矿相tio2纳米锥的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图4中，1：一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列，2：fto导电基底，3：钙钛矿吸光层，4:空穴传输材料，5：电极。

具体实施方式

实施例1

高度生长取向的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的合成：

在10ml的水中，先后缓慢加入0.3ml的浓h2so4与5ml浓hcl，并充分搅拌15min后，再加入0.2ml的钛酸丁酯，持续搅拌30min后，将透明的混合溶液倒入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钠反应釜中。反应釜内衬中放置一片fto(f:sno2)导电玻璃基底，玻璃导电面朝下。将反应釜放入到恒温干燥箱中，在170℃反应3h后，待其自然冷却至室温，取出玻璃基底，并放置于水与乙醇的溶液中，进行超声清洗3min，得到表面带有一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列fto导电玻璃基底。

高度取向的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列在钙钛矿太阳电池中的应用：

将经过水热生长过后的fto玻璃基底于450℃下进行退火处理。等冷却至室温后，在高度取向的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列表面依次旋涂钙钛矿吸光层(perovsktie)，空穴传输材料(htm)，最后蒸镀一层厚度为80nm的金电极，该电池的转换效率为21.8％。

实施例2

高度生长取向的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列的合成：

在10ml的水中，先后缓慢加入0.4ml的浓h2so4与6.5ml浓hcl，并充分搅拌15min后，再加入0.4ml的钛酸丁酯，持续搅拌30min后，将透明的混合溶液倒入具有聚四氟乙烯内衬的不锈钠反应釜中。反应釜内衬中放置一片fto(f：sno2)导电玻璃基底，玻璃导电面朝下。将反应釜放入到恒温干燥箱中，在190℃反应4h后，待其自然冷却至室温，取出玻璃基底，并放置于水与乙醇的溶液中，进行超声清洗3min，得到表面带有一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列fto导电玻璃基底。

高度取向的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列在钙钛矿太阳电池中的应用：

将经过水热生长过后的fto玻璃基底于450℃度下进行退火处理。等冷却至室温后，在高度取向的一维锐钛矿相tio2纳米锥阵列表面依次旋涂钙钛矿吸光层(perovsktie)，空穴传输材料(htm)，最后蒸镀一层厚度为80nm的金电极，该电池的转换效率为22.48％。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。