[发明专利]一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明涉及太阳能电池领域，公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法；通过引入光栅结构改变器件结构，将到达阴极界面的电磁场限制在阴极界面附近，使得阴极界面附近的电场强度增大，本征吸收增强，并且在有源层靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子，通过纳米粒子的局域震荡特性进一步将电磁场引入到有源层，实现电磁场强度以及载流子产生速率的再调节；经过合理设计的复合光栅结构设计，光栅的参数变化对其增强电池性能的影响较小，工艺容差大。器件界面的光栅具有可调节性，可以选择在衬底制备光栅结构并复制到整个器件中或者仅针对阴极层与电子传输层的界面设置光栅结构。

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，特别是一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

钙钛矿太阳能电池具有低成本，高能量转换效率的优势，被视作未来极具开发潜力的薄膜太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池的有源层材料对太阳光具有强吸收系数，导致有源层中电磁场强度迅速减弱，电磁场在有源层内分布不均匀。有源层内的电磁场分布不均会导致载流子产生速率不平衡：在入射光一侧载流子产生速率快，在背离入射光一侧载流子产生速率慢。载流子产生速率的不平衡会导致载流子分布不平衡，影响电子和空穴的迁移和扩散，进而影响钙钛矿太阳能电池的载流子收集效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过引入光栅结构改变器件结构，将到达阴极界面的电磁场限制在阴极界面附近，使得阴极界面附近的电场强度增大，本征吸收增强，并且在有源层一侧掺入纳米粒子，通过纳米粒子的局域震荡特性可以进一步将电磁场引入到有源层中，形成复合纳米光栅结构，实现了电磁场强度以及载流子产生速率的再调节。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，钙钛矿太阳能电池为多层复合结构，结构上从上至下分别包括了阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层、阳极层和衬底，阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层、阳极层和衬底中的一个或多个层级界面采用光栅结构设计，最终保证阴极层和空穴传输层界面形成光栅结构，有源层中靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子，纳米粒子折射率低于有源层的折射率。

其中，光栅结构的光栅周期为100-1000nm，光栅高度为30-300nm。

其中，光栅结构中的光栅具有周期性振幅变换。

优选的，衬底或有源层的界面采用光栅结构设计。

其中，纳米粒子为无机纳米粒子、惰性金属纳米粒子或金属和介质构成的核-壳结构的纳米粒子中的一种或几种混合。

其中，纳米粒子采用均匀分布或随机分布的方式掺入有源层，纳米粒子与空穴传输层的距离0-200nm。

优选的，纳米粒子的粒径为20nm-200nm。

其中，纳米粒子的形状为纳米球、纳米棒、纳米三角形或纳米方形中的一种或几种混合。

本发明同时还公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层，通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层和有源层；

步骤2：在有源层中靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子；

步骤3：在步骤2的有源层上通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层，蒸镀阴极层；

上述步骤中的空穴传输层与阴极层的界面采用光栅结构设计。

其中，步骤2中纳米粒子采用蒸镀退火直接在有源层上形成纳米粒子或刮涂的方法掺入纳米粒子。

本发明具有以下有益效果：