[發明專利]一種對倒置鈣鈦礦太陽電池中空穴提取界面的修飾方法及其應用

在審

• 申請號: 202210337589.9
• 申請日: 2022-04-01
• 公開（公告）號: CN114975795A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 吳武強;譚穎;鐘均星;常雪晴;田甜
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 高冰

本發明屬于鈣鈦礦太陽電池技術領域，具體涉及一種對倒置鈣鈦礦太陽電池中空穴提取界面的修飾方法及其應用。本發明在倒置結構鈣鈦礦太陽電池器件的空穴傳輸層/鈣鈦礦界面間修飾含膦酸基團的咔唑基衍生物有機小分子層，可以提高空穴傳輸材料對鈣鈦礦前驅體溶液的浸潤性，有利于在空穴傳輸層上獲得高結晶質量的鈣鈦礦薄膜；降低空穴提取界面以及鈣鈦礦薄膜內部的缺陷密度，抑制界面載流子復合；增強空穴傳輸層的空穴提取與傳輸的能力；使鈣鈦礦薄膜平整致密，有利于鈣鈦礦層上方形成高質均勻的電子傳輸層，改善鈣鈦礦層與電子傳輸層的界面接觸，從而有效地解決倒置鈣鈦礦太陽電池中存在的空穴提取界面能級不匹配、浸潤性差和缺陷多等問題。

技術領域

本發明屬于鈣鈦礦太陽電池技術領域，具體涉及一種對倒置鈣鈦礦太陽電池中空穴提取界面的修飾方法及其應用。

背景技術

近年來，鈣鈦礦材料因具有低成本、可溶液法制備、帶隙可調、激子結合能低、載流子遷移率高等優勢而成為光伏領域中最具發展潛力的新型半導體材料之一。目前為止，單結鈣鈦礦太陽電池(PSC)的光電轉化效率(PCE)已從3.8％迅速提升到25.7％的認證效率。其中，在不同結構的PSC器件中，倒置結構(p-i-n)鈣鈦礦太陽電池具有制備工藝簡單、可低溫制備、無明顯遲滯效應、穩定性良好等優勢，同時適用于柔性、疊層太陽電池等器件的制備，展現出廣闊的應用前景。

空穴傳輸層(HTL)是PSC中的重要組成部分之一，主要作用是提取鈣鈦礦層產生的光生空穴并將其傳輸到電極，因此空穴傳輸材料的能級需要與鈣鈦礦層以及電極的能級相匹配，以便高效提取并輸送空穴，同時阻擋電子以抑制復合。在倒置結構的PSC器件中，HTL還作為鈣鈦礦薄膜的生長襯底，極大地影響著鈣鈦礦薄膜的質量，其中HTL/鈣鈦礦界面的接觸和能級匹配更是在很大程度上決定了PSC的性能。

目前，鈣鈦礦太陽電池中的空穴傳輸層材料主要有無機空穴傳輸材料和有機空穴傳輸材料兩種。其中，可用于p-i-n型結構器件中的常見無機空穴傳輸材料主要有氧化鎳(NiO_x)、氧化銅(CuO_x)、碘化銅(CuI)、硫氰酸亞銅(CuSCN)等，有機空穴傳輸材料則主要有聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚(3,4-亞乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)、聚[雙(4-苯基)(4-丁基苯基)胺](Poly-TPD)等。雖然無機空穴傳輸材料擁有穩定性好和成本低廉的優勢，但因為需要高溫退火處理而限制了其工業化應用前景。比如，NiO_x的價帶底大約為-5.2eV，在很多情況下和鈣鈦礦不夠匹配，導致電池開路電壓損失嚴重。通過對空穴傳輸層進行修飾，調節價帶位置以改善其與鈣鈦礦層之間的能級匹配，將有利于載流子的高效提取以及器件開路電壓(V_oc)的有效提升，最終提高器件的光電轉化效率。與沉積后通常需要高溫燒結的無機金屬氧化物相比，一方面，溶液處理的有機空穴傳輸層的制備工藝簡單且需要較低的溫度，在柔性器件中有更好的應用前景。另一方面，共軛有機導電聚合物材料由于能更好地與鈣鈦礦進行能級匹配，在提供高V_oc方面表現出巨大的潛力，有望獲得更好的器件性能。例如，PTAA因具有合適的能級，較高的空穴遷移率，高光學透過率和可低溫溶液加工性而被作為有機空穴傳輸層材料廣泛應用于p-i-n型器件中。然而，這些共軛聚合物薄膜對鈣鈦礦前驅液的浸潤性較差，從而一定程度上嚴重影響了鈣鈦礦薄膜的結晶和表面形貌，導致器件的可重復性較差。此外，由于HTL與鈣鈦礦活性層之間的電學接觸不良，會引發額外的載流子非輻射復合，進而限制了p-i-n型器件的性能提升。針對這個問題，此前有研究者提出在鈣鈦礦前驅體溶液旋涂前將適量的DMF溶劑旋涂在PTAA襯底上，可以在一定程度上改善PTAA薄膜的浸潤性。但是這種溶劑處理的工藝并不能徹底解決問題，尤其是面對分子量更大的聚合物空穴傳輸材料時，仍然無法獲得完全覆蓋均勻的鈣鈦礦薄膜。