[發(fā)明專利]一種Cs摻雜ZnO為電子傳輸層的雜化太陽能電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310443618.0
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103456888A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊利營;印壽根;秦文靜;唐彤;左紅文;鄭克寧;于景景;張穎;劉巍嵩;李海林;鄒亞偉
• 申請（專利權(quán)）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明涉及有機光電-太陽能電池領(lǐng)域，特別是一種Cs摻雜ZnO為電子傳輸層的雜化太陽能電池。

背景技術(shù)

隨著全球石油資源的日益耗盡，太陽能電池作為解決世界能源危機的一個可行方法成為一個廣泛研究的前沿性課題。太陽能電池的研究與開發(fā)始終圍繞以下兩個關(guān)鍵問題而展開：1）提高光電轉(zhuǎn)換效率及壽命；2）采用新型材料以降低成本。到目前為止，無機硅太陽能電池在制備過程中所需的高溫、高真空使得無機硅太陽能電池的生產(chǎn)成本非常高，這使得其應(yīng)用受到很大的限制。有機聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池具有成本低、無毒、容易制備、易于實現(xiàn)柔性器件、可以方便有效地改變有機材料的化學結(jié)構(gòu)以控制最佳的能帶、電荷遷移率、溶解度甚至取向程度來提高電池的效率等特點而成為近年來的研究熱點。但其光電轉(zhuǎn)換效率較低、壽命和穩(wěn)定性較差的弱點嚴重制約著其商業(yè)化的進程。

有機共軛聚合物-無機納米晶雜化太陽能電池是一種新穎的電池體系。無機納米晶半導(dǎo)體材料具有載流子遷移率高、性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)容易控制等優(yōu)點，因此有望實現(xiàn)低成本太陽能電池的制備。目前常用的無機納米晶包括ZnO、TiO₂、PbS、PbSe、CdSe等。然而由于無機納米晶本身極易團聚，影響了有機-無機界面和電子的有效傳輸。因此，在器件中存在著嚴重的界面電荷復(fù)合。有機共軛聚合物-無機納米晶雜化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然較低，尚不具備大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的前景。

層狀類鈣鈦礦雜化材料是由有機分子和無機分子有序自組裝形成的、具有量子肼結(jié)構(gòu)的晶體材料。此類材料結(jié)合了有機組分功能性、易加工性和無機組分高載流子傳輸性能、機械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性的優(yōu)點，在光、電、磁等方向表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，有很廣闊的應(yīng)用前景。由于IVA族金屬（Sn，Pb等）具有特殊的分子軌道特征，使該族金屬鹵化物的雜化鈣鈦礦材料具有很好的導(dǎo)電性。因此，這類雜化鈣鈦礦作為半導(dǎo)體材料，其突出的光電性能一直以來都引起了極大關(guān)注并被廣泛研究。?CH₃NH₃PbX_3?（X為?Br、I）作為一種新型的光敏材料在2009年被首先合成并應(yīng)用于液相染料敏化太陽能電池（DSSC）中，分別獲得了3.8%和3.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，參見J.Am.?Chem.?Soc.?2009,?131,?6050?6051。2011年P(guān)ark等人進一步將光電轉(zhuǎn)換效率提高到6.5%，參見Nano?Lett.?2012,?12,?1863?1867，但是器件的穩(wěn)定性很差。2012年瑞士聯(lián)邦理工學院的Michael?Gratzel教授等人采用Spiro-MeOTAD作為空穴傳輸層，TiO₂為電子傳輸層制備了全固態(tài)雜化電池，光電轉(zhuǎn)換效率達9.7%，參見Sci.?Rep.?2012,?2,?591-1-7。2013年6月，Michael?Gratzel教授等進一步將基于CH₃NH₃PbX₃的有機/層狀類鈣鈦礦雜化電池的效率提升到15%，參見www.nature.com/doifinder/10.1038?/nature12340。這一成果被認為是太陽能領(lǐng)域的一項重大研究進展。據(jù)理論預(yù)測，?基于CH₃NH₃PbX₃的有機/層狀類鈣鈦礦雜化電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達20%。作為一種全固態(tài)的染料敏化太陽能電池，其獨特的光電特性正引起學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

染料敏化太陽能電池陽極的發(fā)展趨勢之一是要保持較好的電子傳輸通道同時盡可能的提高陽極的比表面積。因此，開發(fā)具有較好電子傳輸性能、高比表面積和高光散射效果的光陽極對提高電池的光電效率具有重要的意義。目前基于CH₃NH₃PbX₃的有機/層狀類鈣鈦礦雜化電池通常采用TiO₂作為電子傳輸層。常規(guī)的TiO₂材料存在著一些固有缺陷，例如納米晶粒間存在著大量的晶界，比表面積大，表面懸掛鍵起著俘獲光生電子的陷阱作用，他們會使電子的壽命和擴散距離減小，復(fù)合幾率增加。電荷復(fù)合正是制約著DSSC效率提高的主要因素。一些研究人員嘗試著在TiO₂納米晶表面包覆具有較高導(dǎo)帶位置的金屬氧化物（ZnO、Cs₂O₃、MgO）薄層形成核殼結(jié)構(gòu)，通過能量勢壘抑制TiO₂導(dǎo)帶電子與染料及電解質(zhì)復(fù)合。