[發明專利]一種鈣鈦礦光伏器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202010176570.1
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111446367A
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 劉欣;王陽培華;楊定宇;張翠嫻
• 申請（專利權）人: 成都信息工程大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 成都其高專利代理事務所(特殊普通合伙) 51244
• 代理人: 廖曾

本發明公開了一種鈣鈦礦光伏器件及其制備方法，該鈣鈦礦光伏器件包括依次層疊的襯底、陽極、第一空穴傳輸層（PEDOT:PSS或氧化鎳）、第二空穴傳輸層（導電聚合物）、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層（五氧化二鈮）和陰極。本發明的鈣鈦礦光伏器件及其制備方法獲得了較高的性能，且具備較低的加工成本和能夠實現大面積加工，因而在鈣鈦礦光伏器件領域具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及光伏技術領域，具體的說，一種鈣鈦礦光伏器件及其制備方法。

背景技術

早在2006年日本桐蔭橫濱大學的Miyasaka教授課題組嘗試將鈣鈦礦材料作為光吸收材料用于染料敏化太陽能電池中，他們于2009年首次報道了太陽能轉化效率為3.8%的染料敏化鈣鈦礦太陽能電池（J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6050）。接著韓國成均館大學的Nam-Gyu Park教授課題組通過優化前驅體溶液濃度和退火溫度，使能量轉化效率提升了近一倍（Nanoscale, 2011, 3, 4088），而鈣鈦礦太陽能電池真正得到關注是他們將鈣鈦礦材料用于類似有機薄膜太陽能電池的全固態結構中，并使得能量轉換效率和穩定性得到了大大的提高（Sci. Rep., 2012, 2, 591）。由于鈣鈦礦太陽能電池具有原料及制造成本低等顯著優勢，并且隨著相關領域研究力量的大量投入，鈣鈦礦太陽能電池的性能在近幾年得到了迅速的提高。

這類鈣鈦礦材料一般具有ABX₃的基本化學式，其中A⁺一般為一價陽離子（常見的是甲胺離子（CH₃NH₃⁺，MA⁺），銫離子（Cs），甲脒離子（FA⁺）），B²⁺為無機陽離子（一般為Pb²⁺），X^-為鹵素陰離子（一般為I^-、Cl^-或Br^-）。所使用的鹵素元素種類的不同，鈣鈦礦材料的帶隙可以在1.6至3.2電子伏特內連續調控。使用甲脒離子（CH(NH₂)₂⁺，FA⁺）替換MA⁺或使用Sn²⁺來替換Pb²⁺或采用混合型離子等方法可以進一步的調控鈣鈦礦材料的帶隙，實現更寬范圍的太陽光吸收。因鈣鈦礦太陽能電池最初是由染料敏化太陽能電池所演變而來的，因而介孔型結構較為常見。在這一結構當中，在致密的TiO₂選擇性電子傳輸層上還有一層由TiO₂納米顆粒組成的介孔層。這一介孔層一方面作為沉積鈣鈦礦薄膜的骨架，另一方便可以減少電子擴散的距離，進而提高電子采集效率。在最初的研究中使用的介孔厚度約為500-600納米，鈣鈦礦光吸收材料完全滲透到介孔骨架當中。然而隨著研究的深入，人們發現可以使用較薄的介孔層約為150-200納米，同時在其上面形成一層連續致密的鈣鈦礦光吸收層可以得到更好的器件性能。由于電子和空穴在鈣鈦礦材料中的擴散長度都很長，因而當完全去除介孔層后使用平面型的結構也可以得到效率較高的鈣鈦礦太陽能電池，而且結構更簡單的平面型鈣鈦礦太陽能電池相比于介孔型的鈣鈦礦太陽能電池在制備結構上具有明顯的優勢，因而平面型的鈣鈦礦太陽能電池更具實現商業化的潛能。

目前常見的鈣鈦礦太陽能電池器件結構包括介孔型、平面型（n-i-p）和平面反型（p-i-n）。當前平面型結構中使用的n型電子傳輸材料一般是金屬氧化物半導體材料，p型空穴傳輸材料一般是有機空穴傳輸材料，而使用的有機空穴傳輸材料因其遷移率較低而往往需要摻雜劑對其進行摻雜器件才能獲得較高的性能，這限制了其進一步的商業應用。目前在平面反型結構中使用的n型電子傳輸材料一般是富勒烯及其衍生物，這類材料具有生產成本高、提純不易等制約其大規模生產的缺點。因而開發低成本大面積穩定的平面型鈣鈦礦光伏電池器件及其結構迫在眉睫。

發明內容