[发明专利]一种钙钛矿结构太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钙钛矿结构太阳电池及其制备方法。所述钙钛矿结构太阳电池依次包括FTO衬底、TiO₂电子传输层、CH₃NH₃PbI_3‑xCl_x钙钛矿吸光层、Spiro‑MeOTAD空穴传输层及Ag电极，其中，X为0‑3。制备方法包括刻蚀、清洗FTO衬底，旋涂TiO2阻挡层、表面处理、采用一步法或两步法在基片上形成钙钛矿、旋涂Spiro‑MeOTAD、蒸镀Ag等步骤。本发明制备的钙钛矿太阳电池具有制备条件简单、光吸收强、能耗低、光电转化效率高等优点。

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿结构太阳电池，属于太阳电池技术领域。

背景技术

钙钛矿结构通式可以用ABX₃来表示，一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中，A离子位于立方晶胞的中心，被12个X离子包围成配位立方八面体，配位数为12；B离子位于立方晶胞的角顶，被6个X离子包围成配位八面体，配位数为6，如图所示。其中，A离子和X离子半径相近，共同构成立方密堆积(a为八面体，b立方八面体)。

钙钛矿晶体的稳定性以及可能形成的结构主要是由容差因子(t)和八面体因子(μ)所决定。其中RA、RB、RX分别指的是A、B、X原子的半径。当满足0.81<t<1.11和0.344<μ<0.90时，ABX₃化合物为钙钛矿结构；其中t＝1.0时形成对称性最高的立方晶格，当t位于0.89-1.0之间时，晶格为菱面体结构(三方晶系)；当t<0.96时，对称性转变为正交结构。

钙钛矿太阳电池中，A离子通常指的是有机阳离子，最常见的为CH₃NH₃⁺(RA＝0.18nm)；B离子指的是金属阳离子，主要有Pb²⁺(RB＝0.119nm)和Sn²⁺(RB＝0.110nm)；X离子为卤族阴离子，即I^-(RX＝0.110nm)，Cl^-(RX＝0.181nm)和Br^-(RX＝0.196nm)。

与现有太阳电池技术相比，钙钛矿材料及钙钛矿太阳电池具有以下优点：(1)消光系数高且带隙宽度合适。甲胺碘化铅(CH₃NH₃PbI₃)的带隙约为1.5eV，与AM1.5太阳光照下的最佳带隙值1.45eV非常接近，具有极高的消光系数。同时，通过掺杂卤素原子或金属阳离子等手段，可以进一步调节钙钛矿材料的带隙。(2)优异的双极性载流子输运性质，钙钛矿内部的光生电子-空穴对在室温下就能实现界面和体内分离。(3)载流子迁移率高。其中电子迁移率约为7.5cm²/(V·S)，空穴迁移率约为12.5cm²/(V·S)。(4)扩散长度大。(5)开路电压较高。

目前钙钛矿太阳能电池可以分为介孔结构与平面正向结构(N-i-P)，平面反型结构(P-i-N)。不同的器件结构对应不同的工作机制，对器件工作机制的研究有利于钙钛矿太阳能电池器件性能的提升。

按照载流子运动方向的差别，平面型钙钛矿电池可以大致分为两类：一类是P-i-N型结构电池；一种是N-i-P型结构电池。在该种结构中钙钛矿层作为光电转化层，与之接触的两层分别完成电子和空穴的传输。

许多经典的半导体聚合物材料，其激子扩散长度约为10nm，而有机无机钙钛矿CH₃NH₃Pb_3-xCl_x的激子扩散长度超过1μm，这使得在不影响激子传输的前提下可以有足够厚的有效层以实现充足的光吸收，这是平面结构得以实现的基础。

受聚合物电池结构的启发，平面结构钙钛矿太阳能电池也可以采用反型结构。该类电池结构中，空穴传输到透明导电层，而电子传输到金属电极层。最常用的空穴传输材料是PEDOT：PSS，电子传输层通常为富勒烯材料。