[发明专利]一种基于硫化镉纳米阵列的钙钛矿杂化太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳电池，具体是涉及一种基于硫化镉纳米阵列的钙钛矿杂化太阳电池。

背景技术

太阳电池能够将广泛易得、无污染的太阳光能转变为电能，是学术界与产业界关注与研究的热点。无机太阳电池是目前所有太阳电池中发展最为成熟的品种、具有相对较高的光电转化效率，但生产制造过程中高的能耗与污染，一方面提高了电池产品的成本，另一方面也给环境与社会带来额外的压力。

而目前所使用的电子传输层材料局限于金属氧化物，包括TiO₂、ZnO、ZrO₂。这些材料都是宽带隙的无机半导体，其吸收光谱的截止带边都小于400nm，不能吸收400nm波长以上可见太阳光能量。另外一方面，上述金属氧化物一般需要经过高温烧结以保证其良好的结晶性以及良好的电子传输能力，但是高温烧结的工艺过程无疑背离了可溶液加工的太阳电池的初衷。

可溶液加工的太阳电池，能够通过roll-to-roll技术实现清洁、高效、大规模批量生产，是太阳电池未来发展的方向之一。代表性的可溶液加工太阳电池(如染料敏化电池、有机(聚合物)电池、有机-无机杂化电池、量子点敏化电池等)的光电转换效率的研究在快速发展。

2012年底，研究报道杂化钙钛矿太阳电池的全固态有机太阳电池的光电转换效率达到9.7％。杂化钙钛矿太阳电池的基本结构为ITO(FTO)玻璃/TiO₂(或ZnO、ZrO₂)层/钙钛矿层/spiro-MeOTAD/金属电极层。其中TiO₂(或ZnO、ZrO₂)层作为电子传输层收集钙钛矿层(光敏层)受光照后产生的自由电子。理论上，太阳电池吸收太阳光越充分，越有利于其光电转换效率的提高。

发明内容

为了解决背景技术的金属氧化物作为电子传输层材料而存在的问题，本发明的目的是提供一种基于硫化镉纳米阵列的钙钛矿杂化太阳电池，以可溶液加工的半导体材料替代需高温烧结的金属氧化物作为电子传输层材料，有机-无机杂化太阳电池中各组分对太阳光的吸收均有利于提高电池的光电转换效率，拓宽电子传输层材料对太阳光的吸收光谱。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括基底、透明金属电极层、无机电子传输层、光敏层、空穴传输层、金属电极层；从基底自下而上依次为透明金属电极层、无机电子传输层、光敏层、空穴传输层和金属电极层；无机电子传输层为硫化镉纳米阵列。

所述的硫化镉纳米阵列的形态为纳米棒、纳米线或纳米管，其高度为50-1000nm。

所述的基底的材料为玻璃或石英。

所述的透明金属电极层的材料为氧化铟锡、氟掺氧化锡。

所述的光敏层的化学结构通式为CH₃NH₃PbI_3-xBr_x或CH₃NH₃PbI_3-xCl_x，其中0≤x≤3。

所述的空穴传输层为由2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、二(三氟甲基磺酰)锂和4-叔丁基吡啶组成的混合物，厚度为30-500nm。

所述的金属电极层的材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化锡，厚度为10-300nm。

本发明的有益效果是：

本发明的有机-无机杂化太阳电池，以硫化镉纳米阵列作为电子传输层材料来替代目前广泛使用的高温烧结金属氧化物。

硫化镉本身具有较好的电子传输能力，可以用作电子传输层材料。重要的是，本发明选择的硫化镉具有较窄的带隙宽度(2.4eV)，可以吸收520nm以下的太阳光辐射，其对太阳光的吸收光谱宽于TiO₂、ZnO、ZrO₂；

同时纳米阵列结构的使用，一方面纳米结构增大了电子传输层材料与光敏层材料间的界面面积，另一方面阵列结构提供了连续的电子传输通道，这两者都有利于电池受光照后，自由电子向电极的传输与被收集。

本发明以可溶液加工的半导体材料替代需高温烧结的金属氧化物作为电子传输层材料对于简便工艺、降低成本以及实现大面积制备有着积极的意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是CdS纳米阵列的吸收光谱。

图3是可在本发明中用作电子传输层的CdS纳米阵列的形貌照片。