[发明专利]一种双层电子传输层及其制备方法和钙钛矿太阳电池

说明书

本发明涉及光伏和半导体器件制造技术领域，具体提供了一种双层电子传输层及其制备方法和钙钛矿太阳电池。该种双层电子传输层，包括二氧化锡层和式(I)所示结构的羧酸亚锡层；其中，R为正辛基或者异辛基。式(I)所示结构的羧酸亚锡可以形成n型半导体，对SnOsubgt;2/subgt;进行修饰后可以改善电子传输层的能级排列，实现更快地电子抽取，从而减少电子在界面处的复合，提升器件性能，并且减轻迟滞现象。

技术领域

本发明涉及光伏和半导体器件制造技术领域，具体涉及一种双层电子传输层及其制备方法和钙钛矿太阳电池。

背景技术

目前，钙钛矿太阳电池器件构型多种多样，从钙钛矿太阳电池工作原理和基本结构上可知，电子传输层(ETL)是钙钛矿太阳电池中最关键的功能层之一，在提高器件效率和稳定性方面至关重要。在N-I-P型钙钛矿太阳电池中，电子传输层位于透明导电玻璃与钙钛矿吸光层之间，首要的光学要求就是具备优异的可见光透过率。吸光层材料的光吸收截止波长一般位于800～900nm，且对可见光范围内短波长的光有更强的吸收。因此从光学特性来说，为了提高效率，电子传输层材料需要在可见光区有较强的透过性，且在可见光区短波长范围内有更高透过性，以便更多的光子透过电子传输层被钙钛矿层吸收，从而产生更多的光生载流子来提升器件性能。此外，对电子传输层的形貌和粗糙度进行适当的改变可产生光增透效果，增强进光强度，提高吸光层的光吸收，提高器件短路电流密度，器件性能随之升高。电子传输层具有电子提取、收集和传输作用，同时阻挡光生空穴。因此在电学方面，电子传输层需要满足两个关键条件：首先是传输层和钙钛矿吸光层能级适配，其导带位置略低于吸光层的导带位置，为更好驱动电子的注入。其价带位置应深于吸光层，可有效阻挡光生空穴降低界面复合几率；其次是电子传输层材料需要具备优异的电子迁移率，合适的能级位置可实现电荷提取，但提取的电子能否顺利收集至电极取决于传输层电子迁移率，迁移率高，串联电阻小，电子复合概率小，从而提高器件的填充因子及效率。并且在N-I-P结构的电池中电子传输层还决定了上层钙钛矿薄膜的生长，如何促进钙钛矿薄膜的生长从而提高钙钛矿薄膜质量也是目前研究电子传输层和钙钛矿界面的重点内容之一。

SnO₂是近年来高效钙钛矿太阳电池中最常用的电子传输层，决定SnO₂电子传输层性能的主要因素是电导率和能级结构，SnO₂作为一种n型金属氧化物半导体，晶体中存在大量氧空位，而一个氧空位理论上可以提供两个电子，因此在一定程度上增加氧空位浓度可以提高SnO₂薄膜中载流子浓度，从而增加其电导率。另一个影响SnO₂电导率的重要因素是载流子迁移率，当SnO₂薄膜存在大量杂质离子、空位、晶界和位错等缺陷时，薄膜内部载流子迁移率会下降，从而导致薄膜电导率很低，并且SnO₂薄膜缺陷态浓度还会影响材料的能带位置。

在钙钛矿和电子传输层界面处电荷的积累会产生一个尖锐的电场，能够促进或阻碍界面电荷转移。当两者能带不匹配时，电荷抽取会受到抑制，这使得更多的电荷被限制在钙钛矿层中，从而改变移动电荷的积累和电场的分布。除此之外，在钙钛矿和电子传输层界面处的复合过程也是影响器件性能的重要因素，这种陷阱辅助复合的过程与两者界面的质量高度相关，其中包括了电子传输层的覆盖程度、能带位置以及陷阱密度等。

综上所述，目前SnO₂电子传输层应用于钙钛矿太阳电池中的不足：(1)SnO₂电子传输层目前常用的制备方法需要进行高温后退火，但后退火处理会致使SnO₂表面存在大量缺陷态，从而难以制备出高效率的钙钛矿太阳电池。(2)钙钛矿和SnO₂界面电荷积累，且当SnO₂电荷抽取和运输能力不匹配，将导致电子或空穴在界面处积累，也会对内建电场造成不利影响，导致迟滞效应的产生。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的钙钛矿太阳电池效率低和迟滞效应严重的缺陷，从而提供一种双层电子传输层及其制备方法和钙钛矿太阳电池。