[發明專利]一種帶有三維有序介孔支架層的鈣鈦礦薄膜太陽能電池

在審

• 申請號: 201410656432.8
• 申請日: 2014-11-18
• 公開（公告）號: CN104409636A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 楊利營;印壽根;唐彤;左紅文;秦文靜;曹煥奇;郭娜;吳海珍;吳江蓉;孫愛;張翠翠
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明涉及有機光電領域，具體地說涉及一種帶有三維有序介孔支架層的鈣鈦礦薄膜太陽能電池。?

背景技術

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始終圍繞以下兩個關鍵問題而展開：1）提高光電轉換效率及壽命；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成本非常高，這使得其應用受到很大的限制。III-V族化合物太陽能電池由銦硒等稀有元素所制備，盡管制成的太陽能電池轉換效率很高，但從材料來源看，這類太陽能電池將來不可能占據主導地位。而納米晶太陽能電池和染料敏化太陽能電池這兩類電池還處于探索階段。有機太陽能電池雖然在轉換效率、光譜響應范圍、電池的穩定性方面都取得了較大的發展，但光電轉換效率較低、壽命短和穩定性較差的缺點嚴重制約著其商業化的進程。?

2012年以來，以CH₃NH₃PbX₃為代表的金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜太陽能電池從制備方法、光電轉換效率和內在機理等方面均有很大突破，被《Science》評為2013年世界科學十大發現（Science，2013,?342,1438-1439）。CH₃NH₃PbX₃鈣鈦礦材料是由有機分子和無機分子有序自組裝形成的、具有量子肼結構的晶體材料。此類材料結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、機械穩定性、熱穩定性的優點，在光、電、磁等方向表現出了優異的性能，有很廣闊的應用前景。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電性。因此，這類雜化鈣鈦礦作為半導體材料，其突出的光電性能一直以來都引起了極大關注并被廣泛研究。?CH₃NH₃PbX_3?（X=?Br，I）作為一種新型的光敏材料在2009年被首先合成并應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%的光電轉換效率（J.Am.?Chem.?Soc.?2009,?131,?6050?6051）。2011年Park等人進一步將光電轉換效率提高到6.5%（Nano?Lett.?2012,?12,?1863?1867），但是器件的穩定性很差。2012年瑞士聯邦理工學院的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雜化電池，光電轉換效率達9.7%（Sci.?Rep.?2012,?2,?591-1-7）。2013年6月，Michael?Gratzel課題組進一步將電池的效率提升到15%（www.nature.com/doifinder/10.1038?/nature12340）。這一成果被認為是太陽能領域的一項重大研究進展。目前鈣鈦礦薄膜太陽能電池最高效率達到了19.3%（Science,?2014,345,542-546）。據理論預測，基于金屬鹵化物的鈣鈦礦薄膜電池的光電轉換效率可達20%。鈣鈦礦薄膜太陽能電池材料具有較窄的帶隙（約1.5eV）；可以用變換無機和有機元的組成來改變或調節量子阱的阱深、阱寬、勢壘高度和寬度，進而可以連續地調控材料的電子學性能；既保留無機晶體的高載流子傳輸性又保留有機材料良好的可成膜性，從而克服了目前制約著有機太陽能電池性能及穩定性偏低的缺點。同時，鈣鈦礦電池具有直接帶隙、可見光吸收系數高（約10^5?cm^-1）、較高的載流子遷移率（約10?cm²?V^-1?s^-1）、合成工藝簡單、可以通過溶液法大面積低成本制備的特點成為材料、化學以及凝聚態物理等學科中的研究熱點。作為一種全固態的太陽能電池，其獨特的光電特性正引起學術界和工業界的廣泛關注。而完美高質量的鈣鈦礦薄膜是獲得高效器件的關鍵因素。?

目前，鈣鈦礦薄膜太陽電池的器件結構包括采用介孔體相異質結結構、平面異質結結構等。體相異質結介觀太陽能電池結構包括致密層、介孔支架層、吸光層、空穴傳輸層、對電極。體相異質結太陽能電池具有較好的環境穩定性。但還存在如下幾個方面的問題：?