[发明专利]一种无掺杂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技术领域。

背景技术

太阳能光伏发电由于具有安全可靠、受地域限制因素较少、可方便与建筑物相结合等优势而得到快速发展。在众多光伏产品中，钙钛矿太阳电池因其制备工艺简单，光电转换效率高而受到广泛的关注，目前最高转换效率已达22.1％，预示着其具有极大的实际应用潜力。为使其能够大规模应用，需要在提高电池光电转换效率的基础上进一步降低制备成本、提高器件稳定性。

传统的钙钛矿太阳电池(如图1所示)由玻璃衬底S、透明电极T、低掺杂电子传输层E1、高掺杂电子传输层E2、钙钛矿有源层P、高掺杂空穴传输层H以及金属电极M共同组成。其中的透明电极、电子传输层均采用掺杂的金属氧化物材料以增加电导、构筑器件内建电场。但由于引入掺杂原子会降低材料晶格的有序度，增加了材料的体缺陷密度，劣化器件的性能；并且掺杂工艺的引入也将增加器件的制备周期，不利于降低器件的生产成本；此外，由于掺杂也会引起器件性能在长期曝光后出现大幅度衰减，降低了器件的使用寿命。

发明内容

本发明的目的就是针对上述存在的问题，通过在太阳电池中引入制备方法更为简单且无掺杂、高功函数的过渡金属氧化物作为钙钛矿太阳电池的空穴传输层；无掺杂、制备方法简单、低功函数的薄膜材料作为电子传输层；无掺杂、高电导、高透过的薄膜材料作为透明电极，构建一种新型钙钛矿太阳电池。

不同于传统钙钛矿太阳电池p-n结的构建方式，本发明所涉及的太阳电池内部载流子输运的根本动力为钙钛矿与无掺杂空穴(电子)传输层之间的功函数之差。相较于传统的制备工艺，由于本发明中空穴(电子)传输层制备方法可采用蒸发、溅射、溶胶-凝胶等简单的制备方式获得，不需要任何高温工艺，所以器件制备成本和能耗大幅度降低。且由于空穴(电子)传输层没有掺杂原子的引入，降低了材料体缺陷密度，可实现提高电池输出特性与稳定性的目的。

本发明所采用的技术方案具体如下：

无掺杂钙钛矿太阳电池，依次由正面金属电极M、透明电极T、空穴传输层H、钙钛矿有源层P、电子传输层E、导电衬底S组成。

其中，所述导电衬底S为金属薄片、镀有金属的玻璃或聚合物衬底；空穴传输层H为氧化钼、氧化镍、氧化钒和氧化钨中的一种或多种组合，厚度控制在2～50nm，光学带隙宽度为2.5～4.5eV；电子传输层E为氟化锂、碳酸铯、氧化镁和氟化镁中的一种或多种组合，厚度控制在1～50nm；透明电极T为金纳米线、银纳米线或两种的组合，厚度控制在10～100nm；钙钛矿有源层P厚度为30～300nm；金属电极的厚度为500～1000nm。

所述无掺杂钙钛矿太阳电池的制备方法，具体步骤如下：

1)、在导电衬底S上制备电子传输层E；

2)、在电子传输层E上制备钙钛矿有源层P；

3)、在钙钛矿有源层P上制备空穴传输层H；

4)、在空穴传输层H上制备透明电极T；

5)、在透明电极T上制备金属电极M；

其中，所述导电衬底S为金属薄片、镀有金属的玻璃或聚合物衬底；空穴传输层H为氧化钼、氧化镍、氧化钒和氧化钨中的一种或多种组合，厚度控制在2～50nm，光学带隙宽度为2.5～4.5eV；电子传输层E为氟化锂、碳酸铯、氧化镁和氟化镁中的一种或多种组合，厚度控制在1～50nm；透明电极T为金纳米线、银纳米线或两种的组合；厚度控制在10～100nm；钙钛矿有源层P厚度为30～300nm；金属电极的厚度为500～1000nm。

步骤1)、步骤3)和步骤5)中可采用真空热蒸发镀膜法制备电子传输层E、空穴传输层H和金属电极M；

步骤2)和步骤4)可采用旋涂法制备钙钛矿有源层P和透明电极T。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过引入无机无掺杂且易于制备的空穴(电子)传输层和透明电极，利用空穴(电子)传输层钙钛矿有源层之间的功函数之差，在钙钛矿有源层表面建立反型层，进而构筑内建电场，有效驱动光生电子-空穴对的分离与输运。该方法相对于传统钙钛矿太阳电池的制备工艺，不仅具有更低的制备温度，而且降低掺杂对器件性能的劣化效应，有利于实现高效低成本钙钛矿太阳电池的制备。

附图说明

图1传统的钙钛矿太阳电池结构示意图。

图2本发明的钙钛矿太阳电池的结构示意图。

图3本发明的所制备的CH₃NH₃PbI₃有源层的扫描电子显微镜图。

图4本发明所制备的钙钛矿太阳电池的外量子效率图。