[發明專利]一種鐵電增強型的太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201710997549.6
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN109698251B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 韓宏偉;梅安意;劉爽;李小磊;張德義
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明公開了一種鐵電增強型的太陽能電池及其制備方法，其中該鐵電增強型的太陽能電池包括導電基底(1)和依次沉積于該導電基底(1)上的空穴阻擋層(2)、介孔納米晶層(3)、介孔間隔層(4)及介孔背電極層(5)，其中介孔納米晶層(3)、介孔間隔層(4)和介孔背電極層(5)中的至少一層其介孔中還填充有光活性材料；并且，空穴阻擋層(2)、介孔納米晶層(3)和介孔間隔層(4)中的至少一層包括鐵電材料或鐵電納米復合材料。本發明利用結晶性良好的鐵電納米材料例如納米顆粒代替普通薄膜，既具有較高的剩余極化強度，又不會對載流子的傳輸造成影響，經特定人工極化工藝處理后的無機鐵電材料還能有效促進載流子的分離和傳輸。

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，更具體地，涉及一種鐵電增強型的太陽能電池及其制備方法。

背景技術

太陽能以其取之不盡、用之不竭和清潔無污染等特點而受到廣泛研究。太陽能電池直接將光能轉化成電能可直接用于生產生活中，因此制備高效、穩定、低成本的太陽能電池對于解決當前面臨的能源危機具有重要意義。太陽能電池在工作的過程中面臨著電荷注入以及復合等損失，大幅度限制了太陽能電池的極限效率。

鐵電材料的晶胞結構中正負電荷中心不重合而出現電偶極矩，產生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發極化，在外加電場作用下，電偶極矩的方向會沿著電場改變，從而在晶體內部呈現出取向的電場，晶體的這種性質叫鐵電性。鐵電材料以其特有的自發極化特性，可以形成不同于太陽能電池PN結的內建電場，把鐵電材料應用在太陽能電池中，利用鐵電材料自發極化電場與PN結內建電場的協同作用有望大幅度促進電荷的分離與傳輸并抑制復合，從而提升太陽能電池的效率。

其中聚合物鐵電材料在聚合物太陽能電池中早有應用，Yuan等人利用LB膜的方法將聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))這種性能優異的聚合物鐵電材料用于聚合物太陽能電池中，并通過人工極化的方式使鐵電層正極指向共混層，該電場有效促進了共混層中的激子分離，并減小了電子空穴的復合，增加了電荷收集效率，最終使得電池的光電轉換效率提高了近一倍(可參見參考文獻：【1】Yuan Y,Reece T J,Sharma P,et al.Efficiencyenhancement in organic solar cells with ferroelectric polymers[J].Naturematerials,2011,10(4):296-302.)；隨后，該小組又成功的將P(VDF-TrFE)單分子層應用于給受體材料層之間，利用鐵電層形成的內建電場有效降低了給受體材料間的能級差，減小了激子轉移過程中產生的能量損耗，使器件的開路電壓提高了25％。

雖然有機鐵電材料已經成功應用于聚合物太陽能電池中，但是也存在諸多問題，鐵電材料的絕緣性質一方面會影響載流子在太陽能電池內部的傳輸，另一方面難以得到結晶性良好的有機鐵電材料使得剩余極化強度大大降低。這些方面都限制了有機鐵電材料在太陽能電池中的應用。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種鐵電增強型的太陽能電池及其制備方法，其中通過利用結晶性良好的鐵電納米材料例如納米顆粒代替普通薄膜，一方面既具有較高的剩余極化強度，另一方面又不會對太陽能電池內部載流子的傳輸造成影響，經特定人工極化工藝處理后的無機鐵電材料還能有效促進載流子的分離和傳輸，能夠有效解決現有技術中僅采用有機鐵電材料、太陽能電池性能受限的問題，并且本發明還利用該鐵電增強型太陽能電池內各個層結構所采用的材料(包括具體的材料種類及粒徑要求等)、各個層結構的形狀參數等的整體配合，尤其有效控制各個介孔層的介孔形貌，使該鐵電增強型太陽能電池整體具有良好的光電轉換效應。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種鐵電增強型的太陽能電池，其特征在于，該太陽能電池包括導電基底(1)和依次沉積于該導電基底(1)上的空穴阻擋層(2)、介孔納米晶層(3)、介孔間隔層(4)及介孔背電極層(5)，其中所述介孔納米晶層(3)、所述介孔間隔層(4)和所述介孔背電極層(5)中的至少一層其介孔中還填充有光活性材料；