[发明专利]二氧化锡/金属硫化物复合电子传输层的制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开了二氧化锡/金属硫化物复合电子传输层的制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，具体是在制备二氧化锡时，向前驱液添加相应的金属盐与硫源化合物，一步原位复合得到二氧化锡/金属硫化物溶液，然后将其旋涂在导电玻璃上经低温退火制得复合电子传输层，接着沉积钙钛矿层、刮涂碳电极组装成钙钛矿太阳能电池。本发明在制备二氧化锡时原位复合金属硫化物，可钝化二氧化锡的缺陷态增加其电子迁移率，同时调节它的能带结构及引入中间能级提高与钙钛矿能级的匹配性，还可增加与钙钛矿层的界面接触并减少界面缺陷，实现高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备。本发明制备工艺简单，反应条件温和，成本低，易于推广，具有商业化的应用前景。

技术领域

本发明属于新材料技术以及新能源技术领域，具体涉及二氧化锡/金属硫化物复合电子传输层的制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

电子传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，其主要作用在于分离钙钛矿层吸收光子后产生的电子-空穴对，提取电子的同时阻挡空穴。另一方面，对n-i-p传统结构钙钛矿太阳能电池来说，电子传输层的表面粗糙度、悬挂键类型、缺陷态类型等直接影响在其表面沉积的钙钛矿薄膜的晶体生长质量，因而其对器件光伏性能提高有着至关重要的作用。优良的电子传输材料需要有高透过率，良好的载流子迁移率，低表面缺陷态密度及合适的能带结构，同时结构要稳定，制备成本低及合成方法简单易行等。

介孔二氧化钛是常用的电子传输材料，但是它的电子迁移率较低( 1 cm² v^-1 s^-1)，以及对钙钛矿薄膜具有光催化降解作用，因此并不是高效稳定的钙钛矿太阳能电池最理想的电子传输材料。与二氧化钛相比，二氧化锡具有较宽的带隙(3.6~4.0 eV)，在整个可见光谱上具有较高的光透过率，电子迁移率比二氧化钛大两个数量级，同时容易低温制备用作柔性钙钛矿太阳能电池的电子传输层，以及具有较好的稳定性和抗紫外性，有利于提高整个钙钛矿太阳能电池的稳定性，因而其有望取代二氧化钛成为电子传输层的首选。

然而，二氧化锡薄膜在制备过程中由于氧空位的不可控性，其表面缺陷态密度较大，导致钙钛矿太阳能电池非辐射复合比较严重，同时实际载流子迁移率不够高，电子提取能力较弱，且与钙钛矿的能带结构失配严重，造成钙钛矿太阳能电池开路电压偏低。有研究提出采用金属离子掺杂工程或界面工程来提高二氧化锡的电子迁移率，降低表面缺陷或改善界面能级匹配，促进载流子提取并抑制电荷复合，提升电池的光伏性能。但这些方法的作用比较单一，且界面工程引入其它材料进行修饰会形成新的界面从而增加电池的内阻，阻碍电荷的迁移和电流的高效输出，不能充分克服二氧化锡的缺点及提升电池的性能。另外，常用的溶液法制备二氧化锡电子传输层存在一个难题是较低的退火温度会使薄膜结晶度低从而降低电子迁移率，而高退火温度可能会破坏二氧化锡薄膜并产生大量的电荷陷阱和针孔。因此，探索新材料体系及新制备技术有效解决二氧化锡电子传输层存在的问题成为了一个重要的研究课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高载流子迁移率和能带可调并可钝化吸光层的用于钙钛矿太阳能电池的二氧化锡/金属硫化物复合电子传输层。

本发明的另一个目的是提供一种工艺简单，制备成本低，反应条件温和的二氧化锡/金属硫化物复合薄膜材料的制备方法。

本发明利用氯化亚锡在水解氧化产生二氧化锡的过程中会分解产生酸，酸能使溶液中的硫源化合物进行水解产生硫离子，硫离子会跟溶液中的金属离子结合，从而在合成二氧化锡的过程中原位形成金属硫化物，反应机理如图1所示(硫源化合物以硫代乙酰胺为例)。本发明采用溶液法一步原位合成的二氧化锡/金属硫化物复合材料具有量子级别尺寸，结晶度高使其载流子迁移率较高，可低温成膜避免电荷陷阱及针孔等缺陷，同时金属硫化物的复合可抑制二氧化锡表面缺陷态的形成，并可调节二氧化锡的能带结构及引入新的中间能级与钙钛矿的能级更加匹配，还可增加与钙钛矿层的界面接触并减少界面缺陷，有效抑制电荷非辐射复合和界面能量损失，促进电荷分离和提取，提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。