[发明专利]基于纳米洋葱碳：PC61BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明涉及一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池采用正型结构，包括从下往上依次设置的衬底层、ITO透明导电阳极层、空穴传输层、钙钛矿光活性层、复合电子传输层及金属阴极层；复合电子传输层为PC61BM材料和纳米洋葱碳材料按比例混合构成的固态复合层结构；复合层结构中纳米洋葱碳材料和PC61BM材料的质量百分比分别为：纳米洋葱碳1％～10％；PC₆₁BM 99％～90％。本发明有效地降低了器件的串联电阻，降低了电子在电子传输层/光活性层界面的复合几率，提高了器件的填充因子；同时提高了电子传输到阴极的数量，提升了载流子传输速率。

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，属于新能源太阳能电池领域；具体涉及一种基于纳米洋葱碳：PC₆₁BM复合电子传输层的钙钛矿太阳能电池。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。目前世界上使用的能源大多数来自于矿物燃料的开采，其中包括石油，天然气和煤等。然而，这些资源是有限的。占地球总能量99％以上的太阳能具有取之不尽，用之不竭，没有污染的特点，因而成为各国科学家开发和利用的新能源之一。钙钛矿(perovskite)是德国矿物学家古斯塔夫·罗斯(Gustav Rose)在1839年，于俄罗斯中部境内的乌拉尔山脉上发现钙钛矿岩石样本，决定以他心中伟大的地质学家Lev Perovski来命名这种矿石。该矿石是普通的金属有机化合物晶体，主要成分是钛酸钙(CaTiO3)。后来人们所指的钙钛矿电池，并不是用他发现的这种矿石材料制成的，而是使用了与钙钛矿晶体结构相似的化合物。2009 年时，桐荫横浜大学的宫坂力率先通过将薄薄的一层钙钛矿当做吸光层应用于染料敏化太阳能电池，制造出了钙钛矿太阳能电池。当时的光电转换率为3.8％。后来研究者对电池进行了改进，转换效率一下翻了一倍。虽然转换效率提高了，但还要面对一个致命问题——钙钛矿中的金属卤化物容易被电池的液体电解质破坏，导致电池稳定性低，寿命短。

2012年8月，由格拉兹尔(Gr tzel)领导的韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料(hole transport materials，HTM)引入太阳能电池，使电池效率一下提高到了10％，而且也解决了电池不稳定的问题，新型的钙钛矿太阳能电池比以前用液体电解液时更容易封装了。这之后，钙钛矿太阳能电池成为了新的研究热点。

在层出不穷的钙钛矿太阳能电池相关研究中，科学家还发现，钙钛矿不仅吸光性好，也是不错的电荷运输材料。他们不断对钙钛矿材料和结构进行改善，以提高钙钛矿电池的光电转换率。于是就在同年，牛津大学的亨利·司奈斯将电池中的TiO2用铝材进行了代替，这样钙钛矿在电池片中就不仅是光的吸收层，也同样可作为传输电荷的半导体材料。由此，钙钛矿电池的转换效率一下攀升到15％。2015年8月，加州大学洛杉矶分校的华裔科学家杨阳领导的研究团队，在《科学》(Science)期刊上发表最新研究论文称，他们通过改进钙钛矿结构层，选择更适合传输电荷的材料，让电池两端的电极能收集更多的电。这次研究中，钙钛矿太阳能电池的转换效率最高达到了19.3％，成为该领域之最。

然而，钙钛矿太阳能电池虽然其光电转换效率较高，但是其钙钛矿结构极其不稳定，在水氧环境下容易分解，且钙钛矿电池由于其特殊的电荷传输机理，容易出现性能迟滞，也就是加正向电压和反向电压时，性能差异较大。上述缺点导致了钙钛矿电池距离其实用化还尚需时日。目前，世界各国研究组通过制备合适的电子及其空穴传输层来提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率，增加其稳定性，减少性能迟滞。传统的平面结构钙钛矿太阳能电池器件普遍使用PC₆₁BM作为其电子传输层，使得钙钛矿太阳能电池的效率获得明显的提升。但由于PC₆₁BM导电率不高，且空气稳定性差，使得器件在空气中的稳定性较差，器件寿命较短。并且，大部分采用PC₆₁BM电子传输层的平面结构钙钛矿太阳能电池性能迟滞较为明显，也是亟待解决的科研问题。