[發明專利]一種由P型材料協同摻雜和鈍化錫基鈣鈦礦薄膜的方法及其應用

在審

• 申請號: 202210555082.0
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN114975799A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 吳武強;常雪晴;楊果;鐘均星;譚穎
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L51/48
• 分類號: H01L51/48;H01L51/42;H01L51/44
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 范偉民

本發明屬于鈣鈦礦太陽電池技術領域，具體涉及一種由P型材料協同摻雜和鈍化錫基鈣鈦礦薄膜的方法及其應用。本發明先將P型材料溶解于有機溶劑中制備添加劑溶液，再將金屬鹵化物和有機銨鹽鹵化物溶于有機溶劑中得到鈣鈦礦前驅體溶液，接著將添加劑溶液按照相應比例添加到鈣鈦礦前驅體溶液中對其進行改性，最后通過多種薄膜沉積技術將含有添加劑的鈣鈦礦前驅體溶液制成均勻致密的錫基鈣鈦礦薄膜。同時，將上述方法應用于制備成無空穴傳輸層的錫基鈣鈦礦太陽電池，可以降低薄膜的缺陷，加快載流子的分離和傳輸，同時減少器件制備成本，實現超過20％的高光電轉換效率和較好的穩定性。

技術領域

本發明屬于鈣鈦礦太陽電池技術領域，具體涉及一種由P型材料協同摻雜和鈍化錫基鈣鈦礦薄膜的方法及其應用。

背景技術

太陽能作為一種清潔可再生能源，對解決能源危機具有重要意義，因而越來越受到人們的重視。近年來，鈣鈦礦太陽電池由于具有高光電轉換效率和簡易溶液法制備的優勢而成為最具發展潛力的光伏技術之一。目前，鈣鈦礦太陽電池的光電轉化效率(PCE)已從3.8％迅速提升到25.7％的認證效率，可以媲美傳統晶硅太陽電池。

目前，高效率的鈣鈦礦太陽電池主要使用了傳統的鉛基鈣鈦礦材料。但是傳統鉛基鈣鈦礦材料含鉛元素，而鉛元素的毒性及其對環境的污染性也成為了限制鈣鈦礦太陽電池商業化應用的主要阻礙。因此，少鉛或無鉛鈣鈦礦太陽電池的研究逐漸成為了光伏技術領域的研究熱點。隨后，錫(Sn)基、銀(Ag)基、銻(Sb)基、鉍(Bi)基、銅(Cu)基以及鍺(Ge)基鹵化物鈣鈦礦太陽電池逐漸被研究報道。其中，與鉛處于同一主族且毒性較小的錫元素是最有潛力的選擇之一。Sn²⁺的離子半徑略小于Pb²⁺因此可以取代鉛并保留鈣鈦礦結構。同時，錫基鈣鈦礦擁有更窄的光學帶隙、更低的激子結合能以及更高的載流子遷移率。值得一提的是，含錫鈣鈦礦材料的帶隙能夠在1.1～1.4eV之間進行調控，有望使鈣鈦礦太陽電池的效率突破肖克利-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)。然而，純錫基鈣鈦礦太陽電池目前的最高效率只有14.81％，遠遠落后于鉛基鈣鈦礦太陽電池，造成這一現狀的原因主要有兩個：一是錫基鈣鈦礦的結晶速度過快，使得薄膜表面粗糙、結晶度低且缺陷多；二是Sn²⁺很不穩定，容易被氧化為Sn⁴⁺，從而導致自身重度p型摻雜以及缺陷態密度增加。

與純錫基鈣鈦礦太陽電池相比，錫-鉛混合鈣鈦礦太陽電池則表現出更優異的光電性能以及更好的穩定性。錫-鉛混合鈣鈦礦的能帶可在1.2-1.55eV之間調節，使其成為接近肖克利-奎伊瑟極限的理想光吸收材料。但是，與純錫基鈣鈦礦一樣，二元錫-鉛混合鈣鈦礦也面臨著由Sn²⁺易氧化而引起的缺陷密度高的問題。此外，錫-鉛混合鈣鈦礦薄膜形成過程中錫、鉛與有機胺的反應競爭也給高質量薄膜的制備增加了難度。

同時，傳統的鈣鈦礦太陽電池結構中需要空穴傳輸層來阻擋電子，增強空穴傳輸，防止鈣鈦礦活性層與電極直接的接觸而引起漏電或者器件短路，但目前針對錫基鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層還存在著材料價格昂貴，制備過程復雜，空穴遷移率不高，光學性能較差，與鈣鈦礦層接觸不佳和能級不匹配等問題。雖然目前已有關于無空穴傳輸層錫基鈣鈦礦太陽電池的報道，但目前的技術還主要集中在提高錫基鈣鈦礦的抗氧化能力方面，在提高鈣鈦礦與導電基底的能級匹配方面還鮮有報道。

綜上可見，針對錫基鈣鈦礦薄膜缺陷多，與現有空穴傳輸層兼容性不好，以及無空穴傳輸層器件中導電基底與鈣鈦礦能級不匹配等問題，有必要研制一種新型的協同摻雜鈍化方法，鈍化錫基鈣鈦礦薄膜的缺陷，同時提高鈣鈦礦和導電基底的能級匹配程度，促進載流子的分離與傳輸，以制備無空穴傳輸層的高效穩定錫基鈣鈦礦太陽電池，并簡化制作工藝，降低制作成本。

發明內容