[发明专利]提高效率的太阳能电池材料

说明书

一种半导体‑吸收体复合物，包括介孔二氧化钛颗粒，设置在所述介孔二氧化钛颗粒表面的卤原子，和与所述介孔二氧化钛颗粒的至少一部分表面物理接触的光活性钙钛矿。

背景技术

在光电领域，需要开发替代技术以扩大太阳能电池作为能源的使用。传统的晶体硅太阳能电池已经很成熟，但是具有如下缺点：成本高(通常需要政府补贴以使其成本有效地使用)；当使用硅技术时需要更厚的层以适应适当的光子捕获；并且受到硅本身脆弱性质的影响，通常需要用于保护硅基电池的手段(例如，使用体积大的太阳能电池板，其体积与产生的能量成比例)。

改进传统硅技术以增强其广泛使用(例如使用多晶硅或薄膜硅太阳能电池)的努力通常伴随着将太阳光转换成能量的效率降低，增加了技术的复杂性，增加了使用该技术的成本和/或未能解决硅基电池的脆弱性问题，从而抵消了所获得的任何好处。

同样，替代的太阳能电池技术也有其固有的缺点，例如，CIGS(铜-铟-镓-硒)薄膜缺乏硅太阳能电池的效率，CdTe薄膜太阳能电池需要使用高毒性的Cd并且需要不像Cd那样丰富的Te等。

基于有机金属三卤化物钙钛矿的太阳能电池技术结合了染料敏化太阳能电池和薄膜太阳能电池的技术优点，并代表了太阳能电池的发展趋势。由于使用有机金属三卤化物钙钛矿吸收剂实现了创纪录的高效突破(>21％)，钙钛矿太阳能电池引起了极大的关注。配置包括介孔半导体金属氧化物；钙钛矿材料；可选的空穴传输材料(HTM)，用于从钙钛矿向对电极传输正电荷(空穴)；和金属对电极。

介孔TiO₂是常用的电子传输材料。介孔TiO₂结构提供了足够的内表面积，钙钛矿可以与之接合，以使光吸收效率最大化。从钙钛矿到介孔TiO₂电极的电子转移比其他重组过程快，但仍有很大的改进空间。

尽管介孔TiO₂(mp-TiO₂)作为电子传输材料被认为对钙钛矿太阳能电池(PSCs)至关重要，但是对于钙钛矿/mp-TiO₂的钝化界面的表面改性，mp-TiO₂的研究仍然较少。

虽然不希望被理论束缚，但研究的缺乏可能与钙钛矿和TiO₂层之间界面处的电子俘获有关，这对电荷重组和电荷传输具有负面影响。例如，在TiO₂纳米晶体中，预测电子和空穴在体表面和近表面都能捕获(参见Di Valentin等,J.Phys.Chem.Lett.,2011,2:2223-2228)。捕获的倾向可以部分地通过二氧化钛的非常高的介电常数来解释。相反，电子和空穴似乎不会在其他低介电氧化物(如MgO)中自陷。TiO₂的理论计算表明，电子更喜欢集中在表面之下，而空穴集中在不协调的表面氧离子上(参见Deskins等，J.Phys.Chem.C，2009,113：14583-14586；Ji等，J.Phys.Chem.C，2012,116：7863-7866)。

在现有技术的钙钛矿太阳能电池中，通过光吸收在有机金属三卤化物钙钛矿材料内产生激子和自由载流子。然后将电子注入电子传输材料的导带中。阻挡层阻挡空穴传输并将电子传导到电极，从而形成外部电路。空穴传输通过电荷“跳跃”机制从钙钛矿吸收体的价带进行到空穴传输材料(HTM)，之后空穴通过HTM传输到金属对电极。其他电子和空穴传播可导致重组并降低电池效率。

为此，需要一种材料和电池设计策略来优化从钙钛矿到导电氧化物的电子传输效率和从钙钛矿到空穴传输材料的空穴转移效率并减小光伏电池的厚度以促进广泛使用。本发明公开的发明构思正是针对这样的材料和电池设计的。众所周知，太阳能电池是石油、煤或核动力设备的清洁能源替代品，本发明公开的发明构思提供了环境和可持续性益处。

发明内容