一种三维异质结钙钛矿太阳能电池结构及其应用

1.本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种三维异质结钙钛矿太阳能电池结构及其应用。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells)，是利用钙钛矿型的有机-无机杂化金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因具有低成本、易制备和优异的光电转化性能等优点而在国际上备受关注，并且发展迅速，电池转化效率已从2009年的3.8％提升到2022年的25.7％，钙钛矿材料也被认为是下一代低成本太阳能电池的光吸收材料。
3.周期性的晶格结构在钙钛矿薄膜表面中断，且钙钛矿表面暴露在外头，容易受到外界环境的影响，形成非化学计量比的表面钙钛矿层，进而导致钙钛矿表面的缺陷态密度远高于钙钛矿体内。金属卤化物钙钛矿薄膜表面缺陷多、载流子在界面非辐射复合显著，严重地影响到了钙钛矿光伏器件的性能。


技术实现要素：

4.针对金属卤化物钙钛矿薄膜表面缺陷多、载流子在界面非辐射复合严重的问题，本发明提供一种三维异质结钙钛矿太阳能电池结构，利用三维/三维全钙钛矿ii型异质结对钙钛矿进行表界面钝化，可加快载流子注入到传输层中，有效的减少载流子在钙钛矿表界面的非辐射复合。
5.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种三维异质结钙钛矿太阳能电池，包括钙钛矿层，所述钙钛矿层由吸光层和钝化层复合得到，吸光层和钝化层形成ii型异质结；所述吸光层由三维钙钛矿n制成，钝化层由三维钙钛矿y制成。
7.对于所述ii型异质结，在电子传输层一侧，三维钙钛矿n的导带高于钙钛矿y的导带且三维钙钛矿n的价带也高于钙钛矿y的价带；或者在空穴传输层一侧，三维钙钛矿n的导带低于钙钛矿y的导带且三维钙钛矿n的价带也低于钙钛矿y的价带。
8.所述三维钙钛矿n和三维钙钛矿y相同或不同，为abx3，其中a位为甲胺离子ma
+
、甲脒离子fa
+
或铯离子cs
+
中的一种或几种的混合，b位为铅离子pb
+
或者铅离子pb
+
与锡离子sn
2+
的混合，并且锡离子sn
2+
所占金属离子的比例为10％-90％，x位为碘离子i-、溴离子br-和氯离子cl-中的一种或两种或三种的混合。
9.进一步地，所述吸光层的厚度为200-2000nm，钝化层的厚度为0.1-1000nm。
10.进一步地，所述钙钛矿层的制备方法是先使用旋涂法、刮涂法、喷涂法或气相沉积法制备吸光层，再在吸光层上使用旋涂法、刮涂法、喷涂法或气相沉积法沉积钝化层。
11.进一步地，所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p结构或p-i-n结构。
12.进一步地，所述钙钛矿太阳能电池为单结电池或叠层电池。
+
)；x位可以是碘离子(i-)、溴离子(br-)和氯离子(cl-)中的任何一种或两种或者三种的任意比例混合。
28.在本发明的一个实施例中，以铅锡共混钙钛矿制备吸光层，在其表面沉积全铅钙钛矿，形成三维/三维钙钛矿ii型异质结进行表面钝化，在吸光层钙钛矿表面形成欧姆接触并加快载流子注入到传输层中，进一步降低载流子在界面处的非辐射复合，如图3所示。
29.在本发明的一个实施例中，将铅锡共混钙钛矿层作为光吸收层应用到钙钛矿太阳能电池中，可以得到正式结构钙钛矿太阳能电池或反式结构钙钛矿太阳能电池，光吸收层的厚度为200-2000nm，优选厚度为1000-1500nm。钝化层采用全铅钙钛矿，其厚度为0.1-1000nm。经过发明人实验发现，全铅钙钛矿的厚度太薄时，钝化效果不明显，导致开路电压和短路电流密度和填充因子的提升不明显。进一步地，优选厚度为10-100nm，
30.在本发明中，将前驱体溶液采用旋涂法、刮涂法、喷涂法或气相沉积法中的任意一种加工方式即可制备铅锡共混钙钛矿层，在所述旋涂、刮涂或喷涂过程中还可进行反溶剂萃取的步骤。
31.全铅钙钛矿层可采用旋涂、刮涂、喷涂或气相沉积法中的任意一种加工方式制备。
32.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
33.实施例1
34.在铅锡钙钛矿表面采用蒸发无机框架加有机溶液法制备全铅宽带隙钙钛矿制备异质结钙钛矿太阳能电池，并考察相关器件性能。
35.如图4所示，本实施例的太阳能电池的结构包括氧化铟锡(ito)导电玻璃衬底1、聚乙烯二氧噻吩(pedot:pss)空穴传输层2、铅锡共混钙钛矿光吸收层3、全铅宽带隙钙钛矿层4、富勒烯(c
60
)/2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲(bcp)电子传输层5和金属铜cu电极6。
36.上述太阳能电池的制备方法如下：
37.(1)利用混合ito清洗液的去离子水擦洗ito透明导电衬底，之后用去离子水、丙酮、异丙醇，各超声30min，获得清洗干净的ito透明导电衬底。
38.(2)将清洗干净的ito透明导电衬底用n2气枪吹干净并用紫外臭氧预处理15-20min。
39.(3)在用紫外臭氧预处理完的ito透明导电衬底上制备一层40-50nm的pedot:pss作为空穴传输层，在150℃的热板上退火20min。将做好传输层的衬底储存在氮气或者氩气等惰性气体的手套箱中。
40.(4)在氮气或者氩气等惰性气体的手套箱中按摩尔比称量ma
0.3
fa
0.7
pb
0.5
sn
0.5
i3的钙钛矿，加入pb
2+
、sn
2+
摩尔量之和的5％摩尔比的氟化亚锡(snf2)。将称量好的药品溶解在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和二甲基亚砜(dmso)的混合溶液中，dmf和dmso的体积比为2:1，搅拌2小时，配制成浓度为2.4m的铅锡共混钙钛矿前驱体溶液。
41.(5)在氮气或者氩气等惰性气体的手套箱中按摩尔比1:1称量fai/fabr有机盐，并将量好的有机盐药品溶解在异丙醇(ipa)中，配置成0.1m的有机盐溶液。
42.(6)在手套箱里，利用一步旋涂法，4000r/min旋转40s，通过在最后20s滴加300μl的乙酸乙酯(ea)作为反溶剂制备钙钛矿吸光层，并在100℃的热板上退火10min，获得结晶后的钙钛矿吸光层。
43.(7)在手套箱里，利用热蒸发系统在铅锡钙钛矿上沉积25nm厚的碘化铅(pbi2)，再在碘化铅上旋涂一层有机盐溶液，使无机碘化铅框架转化成全铅宽带隙钙钛矿，并在100℃的热板上退火3min，获得结晶后的铅宽带隙钙钛矿，完成铅锡钙钛矿异质结的构建。
44.(8)在手套箱里，利用热蒸镀的方法，在高真空环境中在和获得的钙钛矿光吸收层上蒸发20nm厚的c
60
之后再蒸发7nm厚的bcp最后再热蒸镀一层150nm的铜作为金属电极。
45.(9)在氮气手套箱里，将制备好的铅锡共混钙钛矿太阳能电池进行测试封装。
46.对比例
47.本对比例太阳能电池的结构包括氧化铟锡(ito)导电玻璃衬底1、聚乙烯二氧噻吩(pedot:pss)空穴传输层2、铅锡共混钙钛矿光吸收层3、富勒烯(c
60
)/2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-邻二氮杂菲(bcp)电子传输层4和金属铜cu电极5。
48.上述太阳能电池的制备方法如下：
49.(1)利用混合ito清洗液的去离子水擦洗ito透明导电衬底，之后用去离子水、丙酮、异丙醇，各超声30min，获得清洗干净的ito透明导电衬底。
50.(2)将清洗干净的ito透明导电衬底用n2气枪吹干净并用紫外臭氧预处理15-20min。
51.(3)在用紫外臭氧预处理完的ito透明导电衬底上制备一层40-50nm的pedot:pss作为空穴传输层，在150℃的热板上退火20min。将做好传输层的衬底储存在氮气或者氩气等惰性气体的手套箱中。
52.(4)在氮气或者氩气等惰性气体的手套箱中按摩尔比称量ma
0.3
fa
0.7
pb
0.5
sn
0.5
i3的钙钛矿，加入pb
2+
、sn
2+
摩尔量之和的5％摩尔比的氟化亚锡(snf2)。将称量好的药品溶解在n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和二甲基亚砜(dmso)的混合溶液中，dmf和dmso的体积比为2:1，搅拌2小时，配制成浓度为2.4m的铅锡共混钙钛矿前驱体溶液。
53.(5)在氮气或者氩气等惰性气体的手套箱中按摩尔比1:1称量fai/fabr有机盐，并将量好的有机盐药品溶解在异丙醇(ipa)中，配置成0.1m的有机盐溶液。
54.(6)在手套箱里，利用一步旋涂法，4000r/min旋转40s，通过在最后20s滴加300μl的乙酸乙酯(ea)作为反溶剂制备钙钛矿吸光层，并在100℃的热板上退火10min，获得结晶后的钙钛矿吸光层。
55.(7)在手套箱里，利用热蒸镀的方法，在高真空环境中在和获得的钙钛矿光吸收层上蒸发20nm厚的c
60
之后再蒸发7nm厚的bcp最后再热蒸镀一层150nm的铜作为金属电极。
56.(8)在氮气手套箱里，将制备好的铅锡共混钙钛矿太阳能电池进行测试封装。
57.如图5所示，ii型三维/三维钙钛矿异质结结构能有效抑制钙钛矿薄膜非辐射复合，增强光致发光强度。
58.如图6所示，ii型三维/三维钙钛矿异质结结构能加快载流子从吸光层向钝化层的注入，并抑制钙钛矿薄膜非辐射复合，增加载流子的寿命。
59.如图7所示，异质结铅锡钙钛矿太阳能电池拥有高的开路电压和填充因子，获得最高的光电转化效率。

技术特征：
1.一种三维异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括钙钛矿层，所述钙钛矿层由吸光层和钝化层复合得到，吸光层和钝化层形成ii型异质结，所述吸光层由三维钙钛矿n制成，钝化层由三维钙钛矿y制成；对于所述ii型异质结，在电子传输层一侧，三维钙钛矿n的导带高于钙钛矿y的导带且三维钙钛矿n的价带也高于钙钛矿y的价带；或者在空穴传输层一侧，三维钙钛矿n的导带低于钙钛矿y的导带且三维钙钛矿n的价带也低于钙钛矿y的价带；所述三维钙钛矿n和三维钙钛矿y相同或不同，为abx3，其中a位为甲胺离子ma
+
、甲脒离子fa
+
或铯离子cs
+
中的一种或几种的混合，b位为铅离子pb
+
或者铅离子pb
+
与锡离子sn
2+
的混合，并且锡离子sn
2+
所占金属离子的比例为10%-90%，x位为碘离子i-、溴离子br-和氯离子cl-中的一种或两种或三种的混合。2. 根据权利要求1所述的三维异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述吸光层的厚度为200-2000 nm，钝化层的厚度为0.1-1000 nm。3.根据权利要求1所述的三维异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿层的制备方法是先使用旋涂法、刮涂法、喷涂法或气相沉积法制备吸光层，再在吸光层上使用旋涂法、刮涂法、喷涂法或气相沉积法沉积钝化层。4. 根据权利要求1所述的三维异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿太阳能电池为n-i-p 结构或p-i-n 结构。5.根据权利要求1所述的三维异质结钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿太阳能电池为单结电池或叠层电池。

技术总结
本发明公开了一种三维异质结钙钛矿太阳能电池结构及其应用，属于太阳能电池技术领域。本发明的三维异质结钙钛矿太阳能电池，其钙钛矿层由吸光层和钝化层复合得到，吸光层和钝化层形成II型异质结，所述吸光层由三维钙钛矿N制成，钝化层由三维钙钛矿Y制成。本发明通过设计在含有厚吸光层的钙钛矿薄膜上构筑三维/三维全钙钛矿II型异质结，有效地钝化钙钛矿表面的缺陷，减少了钙钛矿表面的非辐射复合损失，在提升开路电压和填充因子的同时不影响短路电流源密度，提升了单结和叠层电池的光电转化效率。转化效率。转化效率。


技术研发人员：谭海仁 林仁兴
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/4