[发明专利]一种量子点尺寸梯度变化的钙钛矿型太阳能电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏材料领域，特别涉及一种量子点尺寸梯度变化的钙钛矿型太阳能电池及制备方法。

背景技术

随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。在众多可再生能源中，太阳能由于具有储量丰富、绿色环保和价格低廉等优点被誉为最具前景的选择之一，逐渐成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

2009年日本科学家发现钙钛矿型光吸收剂，它的禁带宽度仅有1.5 eV，在光伏领域表现出良好的应用前景。钙钛矿太阳能电池是由钙钛矿作为吸收层而命名的，它由染料敏化电池发展而来，截止2013年9月份，由钙钛矿材料组装的太阳能电池的光电转换效率已经高达16.2%。仅2013年就有10篇以上的学术论文发表在权威期刊《Science》和《Nature》，具有广泛的研究和应用市场。钙钛矿材料为日本科学家发现，该材料为ABX₃结构，晶体结构稳定，钙钛矿材料的禁带宽度在1.5e V附近，吸收系数高达10⁵，在可见光区域 400-800nm吸收能力较好。但是，在紫外和红外区域的光吸收比较少。所以，要改善钙钛矿型太阳能电池的光电转化效率，需要增加钙钛矿太阳能电池在可见光区域的光吸收以及拓展其在紫外和红外光区域的光吸收效率。

为了弥补钙钛矿太阳能电池对紫外及红外光区域太阳光的吸光能力弱及光电转化效率低的缺陷，同时进一步增强钙钛矿太阳能电池可见光区域太阳光的吸收，现有技术中，中国专利公开号104576929A公开了一种钙钛矿-硫化铅量子点叠层太阳电池及其制备方法。电池是由透明电极、电子传输层、钙钛矿层、硫化铅量子点层和金属对电极组成，通过钙钛矿和硫化铅两种吸光层复合，拓展了光谱范围，增强光电流，获得叠层电池。然而，这种结构只是简单地堆叠两种吸收层，缺乏从光生载流子分离和输运能力的设计，层间易产生缺陷，严重影响了电池光电转换的稳定性，造成电池效率不均一，重复性差。

中国专利公开号104409642A公开了一种钙钛矿/P 型量子点复合结构太阳能电池的制备方法，采用了 P 型半导体量子点材料替代昂贵的有机空穴传输材料，能显著提高填充因子和光电转换效率。但是，专利公开的方案中也只是将量子点胶体涂覆在钙钛矿表面，虽然在光阴极产生了导带边的能级差引入的分离驱动力，但是在光阳极和吸收层之间仍然存在导带边失调值导致电子-空穴复合，致使制备的电池效率不均一。

此外，中国专利公开号104183704A公开了一种量子点共敏化型钙钛矿太阳能电池的制备方法， 将量子点作为吸收剂与具有可见光吸收特性的钙钛矿相结合，达到扩展或增强钙钛矿吸光范围、 同时提高钙钛矿太阳能电池光电转化效率的目的。然而，专利公开的方案中，只是简单地在光阳极TiO₂上先用连续离子层吸附反应法制备量子点，再在其上覆盖钙钛矿层。这种在光阳极和吸收层之间产生了导带边的能级差，引入了电子和空穴的分离驱动力，但是在光阴极和金属电极之间没有分离势能，电子空穴容易在此处复合中心，并且分布不均匀，导致电池不同区域对太阳光的吸收不均匀，最终导致电池效率不均一。

综上所述，现有制备量子点/钙钛矿复合太阳能电池技术中还没有一种从能带工程角度出发，设计合理的吸收层能带变化，充分的利用量子点的宽吸收域和钙钛矿制备简单的共同优势，获得高效率的电池。

发明内容

为了解决上述的不足和缺陷，本发明采用钙钛矿包裹量子点的核壳结构作为钙钛矿太阳能电池的吸光层基本单元，且从能带匹配出发，将吸收层设计成核壳结构层按尺寸大小呈V形梯度分布。首先，该方法克服了现有技术中量子点与钙钛矿层接触区域存在缺陷众多的不足，减少了电子-空穴复合的概率，提高电池的光电转换效率。而且，通过改变量子点的大小对太阳光谱裁剪，并采用核壳结构层按尺寸大小呈V形梯度分布的方法，获得吸收层材料能带也成V形梯度分布，不仅分波长范围吸收，提高电池对太阳光谱的吸收效率，而且在光阳极、光阴极和阴极电极界面之间获得合适的分离电势，提高光生电子和空穴的分离。本发明实施例提供一种量子点尺寸梯度变化的钙钛矿型太阳能电池的制备方法，使用该方法制备的太阳能电池，光电转化效率提高。

一方面，本发明提供了一种钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿型太阳能电池按照下述顺序由透明导电基底、致密电子传输层，复合吸光层和金属电极层组成，其中，所述复合吸光层由钙钛矿包裹P 型半导体量子点的核壳结构层组成，所述核壳结构层按尺寸大小呈V形梯度分布。