[發明專利]一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201910025423.1
• 申請日: 2019-01-11
• 公開（公告）號: CN109768165B
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 熊杰;孫浩軒;晏超貽;杜新川;黃建文;鄔春陽;戴麗萍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/00;H01L51/48
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域。該太陽電池無電子傳輸層，直接采用i?p結構，舍棄傳統的電子傳輸層，替換以改性的FTO，利用FTO本身實現傳統電子傳輸層的功能。其制備方法通過對FTO進行改性處理實現FTO能級能帶的連續控制，成功消除了FTO?鈣鈦礦界面接觸時的肖特基勢壘，使得FTO自身具備了電子傳輸層的特性，提高了無電子傳輸層鈣鈦礦太陽能電池的效率，節約三分之一的工藝成本，且本發明所涉及的所有制備步驟中環境溫度均不會超過200攝氏度，因此與塑料基柔性襯底有著良好的適應性。

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術

近年來，有機-無機材料雜化鈣鈦礦太陽能電池由于其優異的光電性能和低廉的成本而受到廣泛的關注，其光電轉換效率從2009年的3.8％躍升至2018年的23％之上。鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的迅速提升，一方面得益于鈣鈦礦膜層制備方法的進步，另一方面得益于鈣鈦礦載流子傳輸層的研究進展。

鈣鈦礦太陽能電池采用的往往都是n-i-p或者p-i-n式樣的三明治結構，其中，n為電子傳輸層，i為鈣鈦礦光吸收層，p為空穴傳輸層，n與p可合稱為鈣鈦礦的載流子傳輸層。目前，大多數鈣鈦礦太陽能電池p層材料采用了有機半導體材料，而n層則多采用金屬氧化物半導體，如氧化鈦、氧化鋅、氧化鎢、氧化錫等。相較于p層材料而言，這些常用的n層材料都面臨著相類似的問題：由于這些金屬氧化物難溶于各種溶劑，為了獲得均勻致密的電子傳輸層，我們只能采用濺射或者電子束蒸發等復雜且難以大規模制備的方法，或者先制備易溶于傳統溶劑的金屬氯化物或硝化物，再通過退火等氧化方式使其轉變為金屬氧化物，而這種制備方法會造成材料的浪費以及額外能源的消耗，使得制備成本增加。

為了解決金屬氧化物電子傳輸層上述制備方法中的高溫、難以大面積制備等問題，目前的研究者已進行了多種嘗試：如將氧化物半導體納米化后制成懸濁液后旋涂或者利用氧化錫的低溫結晶性研究低溫退火工藝，但是無論哪種方法均無法避免配制前驅體和增強結晶性這兩個核心步驟，這樣使得制備過程會耗材費時。還有一種更為直接的選擇就是放棄電子傳輸層，直接使鈣鈦礦光吸收層與FTO接觸，但這樣舍去一層必然會帶來效率上的影響，如鈣鈦礦薄膜的針孔缺陷所帶來的漏電流在無電子傳輸層的器件上會被放大，導致開路電壓和填充因子迅速下降；電極中大量的缺陷與光吸收層的直接接觸會使得載流子在界面處大量復合，降低電池的轉換效率；更為嚴重的是電極本身的能帶結構與鈣鈦礦光吸收層不匹配，電極本身無法起到電子傳輸層所起的電子提取作用，甚至會在電極-鈣鈦礦界面處形成肖特基勢壘，阻止電子從光吸收層向電極輸運。

目前，進一步的改進方法有：增大鈣鈦礦光吸收層晶粒尺寸以減少鈣鈦礦的針孔缺陷(Yu H,Ryu J,Lee J W,et al.Large Grain-Based Hole-Blocking Layer-FreePlanar-Type Perovskite Solar Cell with Best Efficiency of 18.20％[J].ACSapplied materials&interfaces,2017,9(9):8113-8120)，或者對鈣鈦礦這一層進行改性，使得光吸收層向透明導電電極方向進行匹配(Ke W,Fang G,Wan J,et al.Efficienthole-blocking layer-free planar halide perovskite thin-film solar cells[J].Nature communications,2015,6:6700.MLA)，除此之外Jang et.al將FTO(氟摻雜氧化錫)電極進行電化學刻蝕，使得其比表面積增大，以實現效率的提高(Ke W,Fang G,Wan J,etal.Efficient hole-blocking layer-free planar halide perovskite thin-filmsolar cells[J].Nature communications,2015,6:6700)，但這些方法都不涉及到對FTO進行改性，使其更加匹配目標鈣鈦礦能級能帶。