[發明專利]一種基于復合電子傳輸層的鈣鈦礦電池及制備方法

在審

• 申請號: 201710564973.1
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107482120A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 閆小琴;李明華;廖新勤;郭艷
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及鈣鈦礦太陽能電池領域，特別涉及一種基于新型復合電子傳輸層的鈣鈦礦電池及制備方法。

背景技術

由于經濟的快速發展，人口的急劇增加，工業化進程不斷推進，能源短缺和環境污染成為當今人類面臨的兩大難題。快速發展清潔能源和可再生能源，是目前的主要解決手段。太陽能電池將光能轉化為電能，具有清潔無污染的特點，具有非常廣闊的應用前景。鈣鈦礦太陽能電池是目前快速發展的一類太陽能電池，具有效率高、成本低、制備簡單等特點。經過幾年的快速發展，已經由2009年的3.8％迅速提高到了22.1％。

鈣鈦礦太陽能電池按照結構劃分為平面結構和介孔結構，主要包括透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光材料、空穴傳輸層、對電極等。鈣鈦礦材料吸光后產生光生電子和空穴，分別傳到電子傳輸層和空穴傳輸層，與外電路相連形成回路，輸出電能。目前主要的電子傳輸層材料主要為高化學穩定性的金屬氧化物半導體，但是由于其低載流子遷移率、高缺陷濃度、能級不匹配等特性，嚴重制約了光生電子由鈣鈦礦光吸收層轉移到電子傳輸層，造成器件低效率、正反掃不一致、性能不穩定等問題。

因此，提高金屬氧化物電子傳輸層分離抽取光生載流子的能力，減少界面缺陷復合，優化電子傳輸層和鈣鈦礦活性層的能級匹配，顯得極其重要。

發明內容

針對上述鈣鈦礦太陽能電池光生電子由鈣鈦礦光吸收層轉移到電子傳輸層存在缺陷、能級不匹配等問題，本發明提出通過在電子傳輸層中復合不同電負性金屬元素，改變元素化學態和電子結構，進而引起電子傳輸層能級分布變化，達到與鈣鈦礦光吸收更加匹配的能級排列，以提高載流子分離收集效率，減少界面復合，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能。

為了實現本發明的目的，具體技術方案如下：

本發明基于復合電子傳輸層的鈣鈦礦電池，其電池結構自下而上包括襯底材料、透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和對電極，其中電子傳輸層為平面結構或者為多孔骨架結構。

所述襯底材料為硬質透明玻璃或者柔性有機塑料。

所述透明電極具有收集傳輸電子的能力，為銦錫氧化物、氟錫氧化物或鋁鋅氧化物，透光度>70％，面電阻<15Ω。

所述電子傳輸層具有把鈣鈦礦材料中光生電子分離傳輸到透明電極的作用，主要由金屬氧化物組成，其中金屬元素為兩種或多種組合，具有不同電負性；所述多孔骨架為微孔互穿結構，金屬顆粒粒徑在10-50nm，厚度為80-600nm。

所述鈣鈦礦光吸收層材料為ABX₃型，其中A可以為Rb⁺、Cs⁺、CH₃NH₃⁺、HC(NH₂)₂⁺，B可以為Pb、Sn、Cu，X可以為Cl、Br、I、SCN等；鈣鈦礦光吸收層可與平面電子傳輸層形成平面異質結；或滲入填充多孔結構電子傳輸層，并在多孔骨架上面形成一層致密均勻的鈣鈦礦薄膜；鈣鈦礦薄膜厚度為100-1000nm。

所述的空穴傳輸層為Spiro-OMeTAD、P3HT、PTAA、CuI、CuSCN、Cu₂O、NiOx和MoOx中的一種或多種。

所述對電極為不透明或者半透明的金屬電極或者導電碳材料電極。

上述鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：

(1)配置溶于極性溶劑中的(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x鈣鈦礦前驅體溶液；配置溶于異丙醇的酸性異丙醇鈦溶液，作為致密二氧化鈦前驅體溶液；

(2)金屬鹽溶液制備：將高純無水級氯化釔(YCl₃)金屬鹽粉末溶于無水級乙醇溶液，配置成0-20mg/ml不同濃度的溶液；