[发明专利]一种基于复合电子传输层的钙钛矿电池及其制备方法

说明书

本发明公开一种基于复合电子传输层的钙钛矿电池，其包括自下而上依次排列的衬底材料、透明电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和对电极；其中所述电子传输层为复合电子传输层且为平面型结构，所述复合电子传输层由至少两种金属氧化物组成，且两种金属氧化物的金属元素分别具有不同的电负性。本发明通过在电子传输层中复合金属氧化钨化合物，改善原来氧化锡金属氧化物传输层薄膜的形貌结构和电子结构，进而引起电子传输层能级分布以及载流子迁移率变化，获得与钙钛矿光吸收层更加匹配的能级排列，提高开路电压和载流子分离收集效率，减少界面的非辐射复合，降低电阻损耗，提高填充因子，从而提高钙钛矿电池的光伏性能。

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，特别涉及一种基于复合电子传输层的钙钛矿电池及其制备方法。

背景技术

由于经济的快速发展，人口的急剧增加，工业化进程不断推进，能源短缺和环境污染成为当今人类面临的两大难题。快速发展清洁能源和可再生能源，是目前的主要解决手段。太阳能电池将光能转换为电能，具有清洁无污染的特点，具有非常广阔的应用前景。钙钛矿太阳能电池是目前快速发展的一类太阳能电池，具有光电转换效率高、成本低、制备简单等特点。进过十多年的发展，已经由2009年的3.8％迅速提高到25.5％。

钙钛矿太阳能电池按照结构划分可分为平面结构和介孔结构，主要包括透明电极、电子传输层、钙钛矿光吸收层材料、空穴传输材料、对电极等。钙钛矿材料吸光后产生光生电子和空穴，分别传到电子传输层和空穴传输层，与外电路相连形成回路，输出电能。目前主要的电子传输层材料主要为高化学稳定性的金属氧化物半导体，其中氧化锡溶液制备的薄膜以高透光率、高载流子迁移率、强紫外稳定性、合适的能级匹配程度而被广泛使用，目前二氧化锡钙钛矿电池的认证效率已经达到23.3％。但是由于商业化二氧化锡溶液存在颗粒团聚，影响胶体溶液的分散稳定性，导致所制备薄膜的致密性以及覆盖率差，存在针孔，严重影响电子传输层与钙钛矿吸光层之间紧密接触，增大电阻损耗(串联电阻和并联电阻)，抑制器件填充因子的改善(DOI:10.1126/science.abb8687；10.1002/adma.202003990；10.1016/j.chempr.2020.04.013)；此外，二氧化锡的电子迁移率相比较常用的空穴材料(Spiro-OMeTAD)而言仍然较低(DOI:10.1038/s41467-018-05760-x)，导致界面电荷堆积和非辐射复合，这样会造成在不同方向偏压下电流-电压的迟滞效应和开路电压损失以及低载流子提取和收集能力下的填充因子损失。

因此，提高二氧化锡胶体溶液的分散稳定性以及薄膜的电子迁移率，降低电阻损耗，提高填充因子，减少界面电荷堆积而造成的界面缺陷复合，优化电子传输层和钙钛矿活性层的能级匹配，降低开路电压损失，显得极其重要。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

针对上述钙钛矿太阳能电池光生电子由钙钛矿吸收层转移到电子传输层时存在的界面电荷堆积所产生的非辐射复合以及二氧化锡溶液分散稳定性差而造成的钙钛矿薄膜和电子传输层薄膜之间不紧密的界面接触引起的电阻损耗、以及活性层与传输层之间的能级不匹配等问题，本发明提出通过在电子传输层中复合金属氧化钨化合物，改善原来氧化锡金属氧化物传输层薄膜的形貌结构和电子结构，进而引起电子传输层能级分布以及载流子迁移率变化，获得与钙钛矿光吸收层更加匹配的能级排列，提高开路电压和载流子分离收集效率，减少界面的非辐射复合，降低电阻损耗，提高填充因子，从而提高钙钛矿电池的光伏性能。本发明实现的填充因子是氧化锡钙钛矿电池的最高填充因子。