[发明专利]一种钙钛矿光吸收复合层、钙钛矿太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池制备技术领域，具体涉及一种含有有机-无机杂化 的钙钛矿材料的太阳电池及其制备方法。

技术背景

有机无机钙钛矿材料是近年来颇受关注的一种半导体材料，这种杂化材 料不但具备无机半导体优良的光电性能与稳定性，也具备有机物制备便利 的优点。利用这种材料制备的太阳电池，生产过程简易、成本低、转换效 率高，成为了光伏产业及科研机构关注的前沿和焦点。为了提高钙钛矿电 池的光电转换效率，一般采用两种手段：一是调节钙钛矿分子的有机或无 机集团的构成元素和分子结构，使钙钛矿薄膜具有更优良的光电性能；二 是通过寻找新的电子传输层缓冲层，或改进沉积手段，以优化电池各层的 界面特性。但是，这些已有的钙钛矿电池结构均为采用单一钙钛矿材料薄 层制成的单节电池，我们知道，太阳能电池的理论转换效率取决于光电材 料的禁带宽度。而单一钙钛矿材料具有特定的带宽，并且吸收谱宽往往有 限，而且，在研究中发现，在优化钙钛矿材料的吸收谱宽时，往往会出现 吸收谱宽拓宽同时伴随着光吸收强度下降的现象。如太阳能电池中常使用 的CH₃NH₃PbI₃材料，虽然其在太阳光400－800nm(1.55-3.1eV)波段均有 吸收，但吸收强度很低，而且在500－800nm(2.48-3.1eV)一段吸收更 少。因此成为了效率提高的严重障碍。为解决单一吸收材料吸收光谱窄的 问题，许多研究机构采用钙钛矿电池与硅电池两种子电池串联形成形成叠 层电池，或制成HIT型叠层电池。虽然这些方法可增加红外光的吸收使组 件效率提升，但是，增加了子电池(如硅电池)导致制作工艺较昂贵，使 电池制造成本大大增加。因此。这一设计不利于工业化生产。

为了增加电池对光的吸收量，在不增加成本的前提下，我们提出一种将 具有不同禁带宽度的几种钙钛矿材料，通过沉积手段，制成一种含不同种 类钙钛矿分子的复合薄膜的方法，并把这种薄膜利用在钙钛矿电池中，就 能够在不增加子电池数的前提下使太阳电池获得对光能更大限度的吸收， 进一步提高钙钛矿电池的转换效率。由于本方法工艺经济、便利，因此控 制了电池制作成本。有望实现产业化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种含不同种钙钛矿分子的钙钛矿光 吸收复合层及其制备方法，并提供一种具有钙钛矿光吸收复合层的钙钛矿 太阳电池的制备方法，提高电池的转换效率。经过对钙钛矿材料进行选择、 设计和吸收带宽的调整，钙钛矿光吸收复合层可更广泛地吸收太阳光光谱 中具有不同能量的光子，对光子收集范围得到拓展，同时光的吸收强度不 会因波段的拓展而下降。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种钙钛矿光吸收复合层包含多个钙钛矿单层自下而上逐层沉积而成， 每一钙钛矿单层有固定的吸收带隙宽度，从最上单层至最下单层，吸收带 隙宽度逐层减小。先沉积制备最下一层钙钛矿层，再依次逐层沉积上面几 层钙钛矿单层，直至最上一层。所述的每个钙钛矿单层的分子的结构为 AMX₃，其中，M为金属阳离子，A为有机阳离子集团，X为卤族元素。钙钛 矿光吸收复合层的各层的钙钛矿分子可以具有完全不同的阳离子集团A、金 属阳离子M、和卤素X种类，也可以是具有完全相同或部分组分相同的一系 列有机无机钙钛矿分子；每个钙钛矿单层的分子成分可以是同种的钙钛矿 分子，也可以是不同种类的钙钛矿分子。当有机无机钙钛矿分子部分组分 相同时，可以但不限于这种情况：第一层是AMX₃钙钛矿层，最下一层为AMY₃钙钛矿层，Y为另一不同于X的卤族元素，介于第一层和最下一层之间的各 层，可以是AMXxY_3－x的混合钙钛矿层，x表示AMX₃与AMY₃两种分子的混合 比例。

所述的单层钙钛矿薄膜的吸收带宽一般在0.8－4.8eV范围内，整个钙 钛矿光吸收复合层含有多个钙钛矿单层，是具有不同带宽的多个钙钛矿分 子的叠加，使钙钛矿光吸收复合层在很宽的光谱范围内对光子有较强的光 子收集能力的吸收层，含有这种复合层的钙钛矿太阳电池的转换效率会得 到明显的提高。