[發明專利]一種背入射p-i-n結構鈣鈦礦太陽電池及其制備方法

有效

• 申請號: 202110020736.5
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN113394343B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 吳璠
• 申請（專利權）人: 湖州師范學院
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 紹興市越興專利事務所(普通合伙) 33220
• 代理人: 蔣衛東

本發明公開了一種背入射p?i?n鈣鈦礦太陽電池及其制備方法，利用垂直生長于FTO襯基上的氧化銅納米棒陣列作為鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層，并制成以FTO為陰極和透明復合電極（V₂O₅/Ag/V₂O₅）為陽極的背入射鈣鈦礦太陽電池。發現氧化銅納米棒陣列構筑的背入射p?i?n鈣鈦礦太陽電池的短路電流密度為23.98 mA/cm²，效率為17.46%；與氧化銅納米薄膜空穴傳輸層制備的鈣鈦礦電池相比，氧化銅納米陣列空穴傳輸層制備的鈣鈦礦電池的短路電流密度和效率大幅度提升，短路電流密度提高了約1.4倍，效率增加了約1.7倍。

技術領域

本發明涉及納米半導體材料和新能源領域，確切地說是一種鈣鈦礦太陽電池結構及其制備方法。

背景技術

基于有機甲基胺與無機碘化鉛合成的雜化鈣鈦礦結構材料(CH₃NH₃PbI₃)制備的太陽電池因其較高的光電轉換效率(最高效率目前已經超過22％)、較低的成本及易于制備等優勢獲得了廣泛關注【Nature,2019,567,511】。目前，高性能的鈣鈦礦太陽電池大多采用TiO₂介孔層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層構筑的n-i-p型器件結構。TiO₂需要高溫制備而Spiro-OMeTAD中的摻雜劑會降低電池穩定性【Science,2017,358,739；Advanced Energy Materials,2018,8,1701883】。之后，人們采用PEDOT:PSS/鈣鈦礦層/PC₆₁BM構筑的p-i-n型電池器件，工藝相對簡單，而且薄膜退火溫度較低以及J-V遲滯效應較小逐漸引起了廣泛的興趣。這種器件結構的光電轉換效率略低與n-i-p結構器件，目前PEDOT:PSS/鈣鈦礦層/PC₆₁BM結構器件效率已經超過18％【EnergyEnvironmentalScience,2015,8,1602】。空穴傳輸層的主要作用是收集并傳輸從鈣鈦礦薄膜層注入的光生空穴，從而實現電子-空穴的有效分離，是鈣鈦礦太陽電池的重要組成部分，然而，這種p-i-n器件結構中通常使用的PEDOT:PSS有機空穴傳輸層并不是很理想，因為其電子阻擋性能力并非完美而且其功函數相對較低(-5.0eV)，從而導致開路電壓通常在0.95-1.0V之間；另一方面，PEDOT:PSS具有酸性，很容易腐蝕導電玻璃電極，不利于空穴的收集，也降低了器件的穩定性【Nanoscale,2016,8,11403；】。所以尋找更好的空穴傳輸材料代替有機PEDOT:PSS材料是鈣鈦礦太陽電池的重要研究方向之一。

對比傳統的有機空穴傳輸層，p型半導體氧化銅材料具有來源豐富、成本低廉、空氣穩定、制備工藝簡單等特點；更重要的是，氧化銅的價帶能級和CH₃NH₃PbI₃的能級非常匹配，可以實現空穴的有效注入與傳輸，從而被成功用于鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層【Journal of Materials Chemistry A,2017,5,20381】。但是不難發現，目前在鈣鈦礦太陽電池的研究中，作為空穴傳輸層的氧化銅全都是平面薄膜結構，這種結構極大的限制了鈣鈦礦與氧化銅的活性接觸面積。

例如現有專利CN111463349A，該專利公開了一種提高鈣鈦礦太陽能電池穩定性的方法，然而該專利使用的是氧化銅薄膜(氧化銅與鈣鈦礦的接觸面積較小)，并且其為底部入射結構。底部入射時，由于氧化銅本身對可見光有吸收，從而影響了鈣鈦礦薄膜對光子的獲取，頂部入射結構就避免了這樣的問題。

發明內容

本發明目的是提供一種鈣鈦礦太陽電池電池及其制備方法，用于解決現有p-i-n鈣鈦礦太陽電池空穴傳輸層與鈣鈦礦的接觸面積有限，從而造成鈣鈦礦太陽電池中的光生空穴收集損失的問題。

本發明解決所述技術問題的技術方案為：

一種背入射p-i-n結構鈣鈦礦太陽電池，依次包括陰極、氧化銅陣列、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層和陽極。