[发明专利]阵列型TiO2/CdS复合电子传输层的制备及其体相异质结太阳能电池应用

说明书

本发明公开了一种阵列型TiO₂/CdS复合电子传输层的制备及其体相异质结太阳能电池应用，首先，采用旋涂工艺制备TiO₂致密层；其次，在TiO₂致密层基底上利用水热法制备CdS纳米棒，获得阵列型TiO₂/CdS复合纳米结构电子传输层，以设计体相异质结太阳能电池。本发明所制备复合纳米结构电子传输层中，TiO₂致密层的沉积有利于CdS纳米棒在衬底上的竖直生长，获得高质量一维结构电子传输层；TiO₂/CdS复合电子传输层与太阳能电池吸收层材料形成理想的梯度能级排列，提高了界面处光生电子提取效率；CdS纳米棒竖直生长特征为载流子提供了更为高效的传输路径，有助于抑制器件内部的电荷复合。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种阵列型TiO₂/CdS复合电子传输层的制备及其在体相异质结太阳能电池中的应用。

背景技术

太阳能是一种极具应用发展前景的新型绿色能源类型，受到世界各国政府和科学家的广泛关注和研究。太阳能电池能够将光能直接转换成电能，是一种高效的太阳能利用方式。开发高效率、低成本、长寿命的新型太阳能电池是当前光伏技术领域的研究热点。

电子传输层是太阳能电池的重要组成部分之一，具有传输电子、阻挡空穴等重要作用。TiO₂是一种传统的电子传输材料，并被广泛应用于各种新型光伏太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池(DSCs)、量子点敏化太阳能电池(QDSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)。TiO₂能被广泛使用源于其合适的导带底位置、较宽的光学带隙(～3.2eV)和较低的制备成本。但是，TiO₂通常具有较低的电子迁移率(仅为10^-4cm²·V^-1·s^-1)，远低于其他常见的n型无机半导体，如SnO₂、ZnO、CdS等。金属硫化物半导体CdS在传统薄膜太阳能电池中已被证明是一种高效的电子传输材料，它具有比TiO₂高出两个数量级的电子迁移率。从稳定性角度来看，CdS在紫外光照下不会产生缺陷态，化学稳定性良好。同时，在制备工艺上可采用成本低廉、温度较低的化学水浴法获取，有利于实现大规模工业化生产。

目前，已经成功制备出了一维纳米线/棒、三维花状、中空球和纳米颗粒等形貌的CdS材料。所涉及的制备技术主要有水热法、化学气相沉积法、化学气相沉积法、模板法、高温热解法、溶剂热法等。其中，水热法制备的纳米材料纯度高、晶型好、分散性好、形状及大小可控，而且反应是在密闭的高压釜中进行，有利于有毒体系的合成反应。鉴于一维CdS纳米棒具有奇特的光电特性，在各种光电器件中受到广泛关注和研究。基于一维纳米棒结构电子传输层能够设计构筑体相异质结太阳能电池，有利于器件内部高效电荷输运(Xiangchun Zhao et al.,J.Phys.D:Appl.Phys.2021,54,134001)。理想的一维CdS纳米棒结构需要竖直生长，且具有合适的长径比；在粗糙度较高的FTO导电衬底上生长高质量CdS纳米棒具有一定挑战性。因此，亟需探索合适的技术方案制备获得竖直生长的一维CdS纳米棒，并进一步构筑理想体相异质结太阳能电池。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种阵列型TiO₂/CdS复合电子传输层的制备及其在体相异质结太阳能电池中的应用。本发明径向输运复合纳米电子传输层能够实现载流子高效传输、改善界面电荷提取、减少器件内部电荷复合，从而获得高性能太阳能电池。

本发明所设计的复合纳米电子传输层，是在导电玻璃上旋涂制备TiO₂致密层，并进一步利用水热法在TiO₂基底上生长一维CdS纳米棒，进而获得阵列型TiO₂/CdS复合电子传输层。