[发明专利]一种可改善前表面光子反射损失问题的倒结构钙钛矿电池结构

说明书

一种可改善前表面光子反射损失问题的倒结构钙钛矿电池结构，包括二维六角密堆积球状纳米阵列和PIN型倒结构钙钛矿薄膜太阳电池。该结构的采用，一方面可以利用二维六角密堆积球状纳米阵列的弧面结构，构成入射光前表面折射率的梯度分布，从而起到降低菲尼尔反射损耗的效果；另一方面，二维六角密堆积球状纳米阵列的采用，具有腔谐振和米式散射效应，可改变吸收层内的电磁场分布，增加入射光的散射及吸收几率。该结构可以在不改变电池电学参数的基础上，在宽入射角度范围内实现入射光子反射损失的有效降低，获得电池光吸收效率及器件效率的有效提升。

【技术领域】

本发明属于薄膜太阳电池领域，尤其是倒结构钙钛矿薄膜太阳电池。

【背景技术】

由于有机-无机杂化钙钛矿材料具有高载流子迁移率，低激子结合能，双极电荷传输和高光吸收系数等优异的光电特性，已成为学术界广泛研究的重点。有机-无机杂化钙钛矿被引入光伏领域，Miyasaka等人早在2009年就报道了这种光伏器件。在接下来的几年中，光电转换效率(PCE)迅速提高，目前已超过25％。钙钛矿太阳能电池(PSCs)主要分为正结构(n-i-p)和倒结构(p-i-n)。倒置结构具有低温溶液制备，适用于柔性衬底，较弱的JV滞后现象等优势，并能够制备高效的叠层电池。参见文献：D.Luo,W.Yang, Z.Wang,et al,Science2018,360(6396),1442-1446；X.Zheng,Y.Deng,B.Chen,et al, Advanced Materials2018,30(52),1803428；Q.Jiang,Y.Zhao,X.Zhang,et al,Nature Photonics 2019,13(7),460-466.

钙钛矿电池效率不断提高，其内量子效率(IQE)已接近100％，这意味着光生载流子以及随后的载流子输运和抽取不再是限制钙钛矿电池光电转换效率的主要因素。然而，器件的最佳效率仍然远远低于Shockley-Queisser极限，其外量子效率约为85％左右，这意味着光损耗而非电性能已成为进一步提高钙钛矿太阳能电池效率的最重要瓶颈之一。参见文献：J.Jeong,H.B.Kim,H.Kim,et al,ACS Energy Lett.2016,1,712-718；W.Peng,L.Wang,B.Murali,et al,Adv.Mater.2016,28,3383-3390；H.Zhang,J.Toudert,Adv.Mater.2018,19,411-424.

在倒结构钙钛矿电池中，P型有机材料(如PEDOT：PSS，PTAA和Spiro-TTB)由于具有优良的光电性能、合适的能级、有效的载流子提取和传输，通常被用来夹在ITO 玻璃和钙钛矿吸收层之间作为空穴传输层(HTLs)。但是，有机材料通常具有1.35～1.7 范围内的相对较低的折射率，小于ITO(～1.64)和钙钛矿薄膜(～2.55)的值。因此，折射率沿光入射路径不匹配，这将增强ITO/HTL/钙钛矿界面周围的光反射，进而增大器件的光学损失。对于高效率器件，光学优化是降低电池成本的关键，一块普通的太阳电池板反射了三分之一的太阳辐射，造成了反射损耗。

为解决这一问题，可通过在基底与空气之间添加具有折射梯度的平面材料来减少光子反射损失。拉夫堡大学电子、电气和系统工程学院PM Kaminski等人采用交替生长的ZrO₂和SiO₂的薄膜形成了介电抗反射层，并将其置于钙钛矿电池的玻璃基底上表面，使玻璃基底的平均透过率增长了2％到5％，平均积分反射率减了0.8％。然而，采用平面的干涉结构，通过光子在平面反射层上表面的相位差实现反射相消，非常依赖于入射角度，不具有光入射角度使用范围上的普适性。一种可行的解决方案是在入射光表面引入可见光波长范围内的透明陷光结构，使可见光在纳米陷光结构界面处发生散射，从而降低反射几率。参见文献P.Kaminski,G.Womack,J.Walls,2014IEEE 40th Photovoltaic SpecialistConference(PVSC),2778-2783。