用于钙钛矿太阳能电池的钛酸锌纳米材料的快速制备方法

1.本发明属于电极材料制备领域，具体涉及一种用于钙钛矿太阳能电池的钛酸锌纳米材料的快速制备方法。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，pscs）因其具有高性能、低成本、易组装等优点，引起了科研工作者们的广泛研究，其光电转换效率也从最初的3.8%迅速提高到当前最高认证效率25.7%。目前，钙钛矿太阳能电池的电子传输材料主要采用二氧化钛、二氧化锡、氧化锌、锡酸锌和锡酸钡等金属半导体氧化物。其中，二氧化钛是最常用的，也是效率最高的电子传输层材料。但是，二氧化钛的低电子迁移率和强光催化特性在一定程度影响了其光电转换效率和电池稳定性。而基于其它电子传输材料组装的钙钛矿太阳能电池的效率普遍不高。因此，寻求新型高性能电子传输材料是当前研究的一个热点问题。
3.钛酸锌最早主要是用作白色颜料或涂料，后来发现其在高温脱硫吸附剂、烷烃脱氢催化剂、微波介电陶瓷及光致发光材料等领域具有重要的应用潜力。近年来，钛酸锌材料被应用于钙钛矿太阳能电池研究，这是由于钛酸锌材料具有比二氧化钛高的电子迁移率，且材料稳定性优异。然而，基于钛酸锌组装的电池效率仍然低于基于二氧化钛组装的电池，这是由于小粒径钛酸锌材料难于制备所致。钛酸锌的制备主要有高温固相法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等，产物的最终获取大都需要经过一个高温（800-1000 ℃）煅烧过程。然而，高温煅烧将增加纳米晶的粒径，而大粒径的钛酸锌不能形成均匀致密的介孔层，因此不适宜作为电子传输材料。
4.本发明采用溶胶凝胶法快速制备了钛酸锌凝胶，通过将其旋涂在fto导电玻璃上作为电子传输材料组装的钙钛矿太阳能电池，在100 mw/cm2的光强、am1.5条件下，取得了14.51%的光电转换效率。而目前还尚未有采用溶胶凝胶制备钛酸锌纳米材料并将其应用于钙钛矿太阳能电池中的相关报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于钙钛矿太阳能电池的钛酸锌纳米材料的快速制备方法，该方法简便易行，重现性高，所制得的钛酸锌纳米材料具有良好的光电转换效果。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于钙钛矿太阳能电池的钛酸锌纳米材料的快速制备方法，其是在剧烈搅拌的条件下，在8-10 ml、浓度为50 mmol/l ticl4水溶液中依次加入100 ml去离子水、120-150 mg znso4·
7h2o和3 g尿素，然后将其转移至100-120℃油浴锅中，保持中速搅拌并恒温回流2-3 h，所得白色悬浊液经离心分离，无水乙醇洗涤，即得的所述钛酸锌纳米材料。
7.所述剧烈搅拌的搅拌速率为500 r/min，所述中速搅拌的搅拌速率为250 r/min。
8.所得钛酸锌纳米材料的粒径约20nm，且其分散均匀。
9.上述方法制得的钛酸锌纳米材料可用于组装钙钛矿太阳能电池，其具体操作如
下：1）二氧化钛致密层的制备：配制0.15 mol/l的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的正丁醇溶液，以2000 r/s的速度旋涂于预先刻蚀和清洗好的fto导电玻璃表面，得到二氧化钛致密层；2）钛酸锌电子传输层的制备：将所述钛酸锌纳米材料按质量比1:5稀释于无水乙醇中，剧烈搅拌24 h后得到均匀分散液，将该分散液以2000 r/s的速度旋涂于制备好的二氧化钛致密层上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至500-600℃，恒温2-3h，即得到钛酸锌电子传输层；3）钙钛矿太阳能电池的组装：利用所得钛酸锌电子传输层组装钙钛矿太阳能电池。
10.本发明的优点在于：（1）本发明首次通过溶剂凝胶法制备了钛酸锌纳米材料，其粒径在20 nm左右，且均匀分散。用其组装的钙钛矿太阳能电池在100 mw/cm2的光强、am1.5条件下，可取得14.51%的光电转换效率。
11.（2）本发明方法简便易行，重现性高，有效提高了钙钛矿太阳能电池的光电性能，将为钙钛矿太阳能电池的高性能化和产业化研究提供一个新的思路。
附图说明
12.图1为实施例1制备的钛酸锌纳米材料的xrd图。
13.图2为实施例1制备的钛酸锌纳米材料的扫描电镜图。
14.图3为利用实施例1制备的钛酸锌纳米材料组装的钙钛矿太阳能电池的光电性能图。
具体实施方式
15.为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
16.实施例1钛酸锌纳米材料的制备：先将纯ticl4稀释，配制成50 mmol/l的ticl4水溶液。用移液枪取8 ml ticl4水溶液置于250 ml的圆底烧瓶中；随后在500 r/min剧烈搅拌的条件下依次在烧瓶中加入100 ml去离子水，120 mg znso4·
7h2o和3 g尿素；将圆底烧瓶转移至100 ℃油浴锅中，保持250 r/min中速搅拌并恒温回流3 h，得到白色悬浊液；所得白色悬浊液离心分离，并用无水乙醇洗涤三次，去掉上清液，即得到白色钛酸锌胶体。
17.钙钛矿太阳能电池的制备：配制0.15 mol/l的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的正丁醇溶液，以2000 r/s的速度旋涂于预先刻蚀和清洗好的fto导电玻璃表面，得到二氧化钛致密层；取适量钛酸锌胶体按1:5的质量比稀释于无水乙醇中，剧烈搅拌24 h后得到均匀分散液。将该分散液以2000 r/s的速度旋涂于二氧化钛致密层上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至550 ℃，恒温3 h，即得到钛酸锌电子传输层。将钛酸锌电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池，进
行后续的电化学性能表征。
18.图1为实施例1制备的钛酸锌纳米材料的xrd图，从图中可以看出，其各衍射峰可归属于标准卡片no. 026-1500，且无其它杂峰，说明产物为纯相。
19.图2为实施例1制备的钛酸锌纳米材料的扫描电镜图，从图中可观察到纳米材料的粒径在20 nm左右，且均匀分散。
20.图3为利用实施例1制备的钛酸锌纳米材料组装的钙钛矿太阳能电池的光电性能图。从图中可以看出，采用钛酸锌纳米材料作为电子传输层时，短路电流j
sc
为21.62 ma/cm2，开路电压v
oc 为0.932 v，填充因子ff为0.720，相应的光电转化效率为14.51%。
21.实施例2钛酸锌纳米材料的制备：先将纯ticl4溶液稀释，配制成50 mmol/l的ticl4水溶液。用移液枪取9 ml ticl4水溶液置于250 ml的圆底烧瓶中；随后在500 r/min剧烈搅拌的条件下依次在烧瓶中加入100 ml去离子水，135 mg znso4·
7h2o和3 g尿素；将圆底烧瓶转移至110 ℃油浴锅中，保持250 r/min中速搅拌并恒温回流2.5 h，得到白色悬浊液；所得白色悬浊液离心分离，并用无水乙醇洗涤三次，去掉上清液，即得到白色钛酸锌胶体。
22.钙钛矿太阳能电池的制备：配制0.15 mol/l的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的正丁醇溶液，以2000 r/s的速度旋涂于预先刻蚀和清洗好的fto导电玻璃表面，得到二氧化钛致密层；取适量钛酸锌胶体按1:5的质量比稀释于无水乙醇中，剧烈搅拌24 h后得到均匀分散液。将该分散液以2000 r/s的速度旋涂于二氧化钛致密层上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至575 ℃，恒温2.5 h，即得到钛酸锌电子传输层。将钛酸锌电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池。
23.实施例3钛酸锌纳米材料的制备：先将纯ticl4溶液稀释，配制成50 mmol/l的ticl4水溶液。用移液枪取10 ml ticl4水溶液置于250 ml的圆底烧瓶中；随后在500 r/min剧烈搅拌的条件下依次在烧瓶中加入100 ml去离子水，150 mg znso4·
7h2o和3 g 尿素；将圆底烧瓶转移至120 ℃油浴锅中，保持250 r/min中速搅拌并恒温回流2 h，得到白色悬浊液；所得白色悬浊液离心分离，并用无水乙醇洗涤三次，去掉上清液，即得到白色钛酸锌胶体。
24.钙钛矿太阳能电池的制备：配制0.15 mol/l的二(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯的正丁醇溶液，以2000 r/s的速度旋涂于预先刻蚀和清洗好的fto导电玻璃表面，得到二氧化钛致密层；取适量钛酸锌胶体按1:5的质量比稀释于无水乙醇中，剧烈搅拌24 h后得到均匀分散液。将该分散液以2000 r/s的速度旋涂于二氧化钛致密层上，随后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至600 ℃，恒温2h，即得到钛酸锌电子传输层。将钛酸锌电子传输层用于组装钙钛矿太阳能电池。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。