[發明專利]一種基于復合電子傳輸層的鈣鈦礦電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202110362944.3
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113097388A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 高鵬;李子成;張志皓;陳宜波;黃志民
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 廈門荔信航知專利代理事務所(特殊普通合伙) 35247
• 代理人: 馬小玲

本發明公開一種基于復合電子傳輸層的鈣鈦礦電池，其包括自下而上依次排列的襯底材料、透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和對電極；其中所述電子傳輸層為復合電子傳輸層且為平面型結構，所述復合電子傳輸層由至少兩種金屬氧化物組成，且兩種金屬氧化物的金屬元素分別具有不同的電負性。本發明通過在電子傳輸層中復合金屬氧化鎢化合物，改善原來氧化錫金屬氧化物傳輸層薄膜的形貌結構和電子結構，進而引起電子傳輸層能級分布以及載流子遷移率變化，獲得與鈣鈦礦光吸收層更加匹配的能級排列，提高開路電壓和載流子分離收集效率，減少界面的非輻射復合，降低電阻損耗，提高填充因子，從而提高鈣鈦礦電池的光伏性能。

技術領域

本發明涉及鈣鈦礦太陽能電池領域，特別涉及一種基于復合電子傳輸層的鈣鈦礦電池及其制備方法。

背景技術

由于經濟的快速發展，人口的急劇增加，工業化進程不斷推進，能源短缺和環境污染成為當今人類面臨的兩大難題。快速發展清潔能源和可再生能源，是目前的主要解決手段。太陽能電池將光能轉換為電能，具有清潔無污染的特點，具有非常廣闊的應用前景。鈣鈦礦太陽能電池是目前快速發展的一類太陽能電池，具有光電轉換效率高、成本低、制備簡單等特點。進過十多年的發展，已經由2009年的3.8％迅速提高到25.5％。

鈣鈦礦太陽能電池按照結構劃分可分為平面結構和介孔結構，主要包括透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層材料、空穴傳輸材料、對電極等。鈣鈦礦材料吸光后產生光生電子和空穴，分別傳到電子傳輸層和空穴傳輸層，與外電路相連形成回路，輸出電能。目前主要的電子傳輸層材料主要為高化學穩定性的金屬氧化物半導體，其中氧化錫溶液制備的薄膜以高透光率、高載流子遷移率、強紫外穩定性、合適的能級匹配程度而被廣泛使用，目前二氧化錫鈣鈦礦電池的認證效率已經達到23.3％。但是由于商業化二氧化錫溶液存在顆粒團聚，影響膠體溶液的分散穩定性，導致所制備薄膜的致密性以及覆蓋率差，存在針孔，嚴重影響電子傳輸層與鈣鈦礦吸光層之間緊密接觸，增大電阻損耗(串聯電阻和并聯電阻)，抑制器件填充因子的改善(DOI:10.1126/science.abb8687；10.1002/adma.202003990；10.1016/j.chempr.2020.04.013)；此外，二氧化錫的電子遷移率相比較常用的空穴材料(Spiro-OMeTAD)而言仍然較低(DOI:10.1038/s41467-018-05760-x)，導致界面電荷堆積和非輻射復合，這樣會造成在不同方向偏壓下電流-電壓的遲滯效應和開路電壓損失以及低載流子提取和收集能力下的填充因子損失。

因此，提高二氧化錫膠體溶液的分散穩定性以及薄膜的電子遷移率，降低電阻損耗，提高填充因子，減少界面電荷堆積而造成的界面缺陷復合，優化電子傳輸層和鈣鈦礦活性層的能級匹配，降低開路電壓損失，顯得極其重要。

發明內容

在下文中給出了關于本發明實施例的簡要概述，以便提供關于本發明的某些方面的基本理解。應當理解，以下概述并不是關于本發明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。

針對上述鈣鈦礦太陽能電池光生電子由鈣鈦礦吸收層轉移到電子傳輸層時存在的界面電荷堆積所產生的非輻射復合以及二氧化錫溶液分散穩定性差而造成的鈣鈦礦薄膜和電子傳輸層薄膜之間不緊密的界面接觸引起的電阻損耗、以及活性層與傳輸層之間的能級不匹配等問題，本發明提出通過在電子傳輸層中復合金屬氧化鎢化合物，改善原來氧化錫金屬氧化物傳輸層薄膜的形貌結構和電子結構，進而引起電子傳輸層能級分布以及載流子遷移率變化，獲得與鈣鈦礦光吸收層更加匹配的能級排列，提高開路電壓和載流子分離收集效率，減少界面的非輻射復合，降低電阻損耗，提高填充因子，從而提高鈣鈦礦電池的光伏性能。本發明實現的填充因子是氧化錫鈣鈦礦電池的最高填充因子。