[发明专利]光伏装置

说明书

本发明提供了一种包括光敏区域的光伏装置，所述光敏区域包含通式为A_1‑xA'_xBX_3‑yX’_y的钙钛矿材料，其中A是甲脒阳离子(HC(NH)₂)₂⁺)，A'是铯阳离子(Cs⁺)，B是至少一种二价无机阳离子，X是碘离子并且X’是溴离子，并且x大于0且等于或小于0.4，且y大于0且小于或等于3。还提供了一种制造包含所述光敏材料的光伏装置的方法和用于所述光敏材料的形成中的制剂。

技术领域

本发明涉及一种包括具有使其适用于多结光伏装置的带隙且稳定性改进的钙钛矿材料的光伏装置、以及用于制造这种光伏装置的方法和制剂。

背景技术

在过去四十多年左右，已经越来越认识到需要用更安全的可持续能源来代替化石燃料。新能源供应也必须具有低环境影响，效率高并且易于使用且生产成本低。为此，太阳能被认为是最有前景的技术之一，然而，制造捕获太阳能的装置的高成本(包括高材料成本)历来已阻碍了其广泛使用。

每个固体都具有其自身特有的能带结构，该能带结构确定了大范围的电气特性。电子能够从一个能带转换到另一个能带，但是每次转换需要特定的最小能量，并且所需能量的量对于不同的材料将是不同的。电子通过吸收声子(热)或光子(光)来获取转换所需的能量。术语“带隙”是指不可能存在电子态的固体中的能量差范围，并且通常意味着价带顶部与导带底部之间的能量差(以电子伏为单位)。在正常日光条件下，在光伏装置(诸如太阳能电池)中所使用的材料的效率是用于该材料的带隙的函数。如果带隙太高，则大多数日光光子不能被吸收；如果太低，则大多数光子的能量比激发电子穿过带隙所需的能量要多得多，并且剩余部分将被浪费。肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisserlimit)是指每入射光的光子可以提取的并且约为1.34eV的电能的理论上的最大量。最近在光伏装置方面的大部分工作的重点是寻找具有尽可能接近该最大值的带隙的材料。

已引起很大关注的一类光伏材料是杂化有机-无机卤化物钙钛矿。这种类型的材料形成ABX3晶体结构，已发现该ABX3晶体结构显示出良好的带隙、吸收系数高且扩散长度长，使得此类化合物在光伏装置中作为吸收体是理想的。杂化有机-无机金属卤化物钙钛矿材料的早期示例由以下文献报告：Kojima，A等人，(2009)Organometal HalidePerovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells，J.Am.Chem.Soc.，131(17)，第6050-6051页，其中此类钙钛矿在基于液体电解质的光电化学电池中用作敏化剂。Kojima等人报告，尽管在这个系统中钙钛矿吸收体迅速衰减并且仅在10分钟之后电池的性能下降，但是获得的最高太阳能转化效率(或电能转化效率，PCE)为3.8％。

随后，文献：Lee，M等人，(2012)Efficient Hybrid Solar Cells Based on Meso-Superstructured Organometal Halide Perovskites，Science，338(6107)，第643-647页报告了“中型-超结构太阳能电池”，其中液态电解质被固态空穴导体(或空穴传输材料，HTM)、螺-MeOTAD替代。Lee等人报告了所实现的转化效率的显著增加，同时由于避免使用液体溶剂，还显著改进了电池的稳定性。在所描述的示例中，CH₃NH₃Pbl₃钙钛矿纳米粒子在光伏电池内起到敏化剂的作用，从而将电子注入到介观TiO₂支架中并将空穴注入到固态HTM中。TiO₂和HTM两者都充当选择性触点，由钙钛矿纳米粒子的光激发所产生的电荷载流子通过该选择性触点提取。