[發(fā)明專利]無電子傳輸層和空穴傳輸層鈣鈦礦太陽能電池及制作方法

在審

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• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111785787A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱衛(wèi)東;張澤陽;張春福;陳大正;張進成;郝躍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0224;H01L31/032;H01L31/06;H01L31/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發(fā)明公開了一種無電子傳輸層和空穴傳輸層鈣鈦礦太陽能電池及制作方法，包括自下而上依次分布的FTO襯底、FTO電極、PEIE修飾層和鈣鈦礦光活性層，在鈣鈦礦光活性層上方設(shè)有陽極，在FTO襯底上方設(shè)有陰極。其結(jié)構(gòu)中避免了使用有機?無機雜化鉛鹵鈣鈦礦材料、有機空穴傳輸層材料、昂貴的金屬電極，同時摒棄了電子傳輸層；PEIE材料沉積于FTO電極上，該方法可在其表面引入單分子層，在FTO電極與鈣鈦礦光活性層之間形成了界面偶極子，進而降低了FTO電極表面的功函數(shù)，使得FTO電極與CsPbIBr₂光活性層的能級更加匹配。極大地抑制了光生載流子間的復(fù)合。同時器件的開路電壓和填充系數(shù)得到了明顯的改善。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽能電池，具體的說是無電子傳輸層和空穴傳輸層的簡易、低成本鈣鈦礦太陽能電池，其結(jié)構(gòu)中避免了使用穩(wěn)定性較差的有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦材料、有機空穴傳輸層材料、昂貴的金屬電極，同時摒棄了制備工藝復(fù)雜的電子傳輸層，PEIE修飾層使得能級更加匹配。極大地抑制了光生載流子間的復(fù)合。同時器件的開路電壓和填充系數(shù)得到了明顯的改善。

背景技術(shù)

有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦作為一類新型半導(dǎo)體材料，兼有吸收系數(shù)大、帶隙可調(diào)、載流子擴散長度長、遷移率高、缺陷密度低等諸多優(yōu)異的光、電學(xué)性質(zhì)。同時，可采用低溫溶液法實現(xiàn)其薄膜的大通量、高速制備。這使得有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦基光電器件具有性能優(yōu)異、成本低廉等突出的潛在優(yōu)勢，近年來已成為光電器件研發(fā)領(lǐng)域的熱點和重點。其中，鈣鈦礦太陽能電池等光伏器件是研究者關(guān)注較早且較多的器件。

然而，目前性能較優(yōu)的鈣鈦礦太陽能電池等光伏器件均面臨可靠性差這一普遍問題，特別是在高溫、高濕或者持續(xù)光照等工況條件下。其一方面是因為有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦包含有易揮發(fā)、親水性的有機陽離子組份，使得它們在高溫、高濕或者持續(xù)光照條件易于分解而退化。另一方面，大多數(shù)鈣鈦礦光伏器件包含有機的電荷傳輸層和金屬電極，前者自身就有穩(wěn)定性差的問題。加之，器件金屬電極中的原子傾向于擴散至有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦薄膜/電荷傳輸層界面，與薄膜中的鹵素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進一步加劇了器件的衰退。碳電極CsPbI_3-xBr_x無機鈣鈦礦光伏器件，其完全避免了使用穩(wěn)定性較差的有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦材料、有機電荷傳輸材料以及金屬電極，因而成為克服鈣鈦礦光伏器件所面臨的可靠性問題的重要途徑之一。另外，由于采用了廉價的碳電極取代了金屬電極和有機電荷傳輸層，器件的制造成本得到了進一步的降低。其中CsPbIBr₂具有平衡的帶隙和相穩(wěn)定性，因此CsPbIBr₂太陽能電池備受關(guān)注。但是由于其經(jīng)典的FTO/TiO₂/CsPbIBr₂/Carbon結(jié)構(gòu)中，TiO₂電子傳輸層的制備條件苛刻，需要500℃的高溫環(huán)境，此外TiO₂電子傳輸層與CsPbIBr₂光活性層的導(dǎo)帶底之間由于能帶的不對準，因而存在較大的能量差，TiO₂電子傳輸層中的電子會輕易反向轉(zhuǎn)移到TiO₂/CsPbIBr₂異質(zhì)結(jié)的界面，最終通過界面的深層缺陷或者針孔復(fù)合從而導(dǎo)致大的V_oc損失，因此探究一種用于替換TiO₂電子傳輸層的器件與方法成為目前亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明是在FTO/TiO₂/CsPbIBr₂/Carbon結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了改進，使用PEIE修飾層取代了工藝復(fù)雜的TiO₂電子傳輸層。提供一種器件結(jié)構(gòu)為FTO/PEIE/CsPbIBr₂/Carbon的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明制備的太陽能電池鈍化了缺陷，提升了載流子的復(fù)合阻抗，降低了暗電流，極大地抑制了光生載流子間的復(fù)合，同時器件的開路電壓和填充系數(shù)得到了明顯的改善。降低了制備成本，克服了器件結(jié)構(gòu)中的能帶不對準，同時在無傳輸層的情況下保留了傳統(tǒng)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。