一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池制造技术

本发明专利技术涉及一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，包括电子传输层，其特征在于：所述电子传输层由非晶间断的二氧化钛纳米颗粒构成，单个二氧化钛纳米颗粒的晶粒平均直径为3‑50纳米，相邻晶粒之间间距为5‑100纳米。本发明专利技术采用四氯化钛水溶液制成二氧化钛的超薄电子传输层，形成高粗糙度以及良好的单色光光电转换效率，从而形成具有更高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池。本发明专利技术超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法更加简单快捷，同时维持了较高的光电转换效率，制作成本更低，有效减少制作周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池，特别是一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池。
技术介绍
人类对低成本、高转换效率光伏器件的探索从未止步。2009年，钙钛矿太阳能电池首次被提出。2012年8月以后，人们对该电池的研究取得了一系列的重大突破，国际学术界对此高度重视。目前，钙钛矿太阳能电池已然成为当今光伏领域内最重要的研究热点之一。短短的五六年间，该电池的效率已从当初的3.8%提升到现在的20%+。可见钙钛矿电池的发展前景。作为直接带隙半导体，CH3NH3PbX3对能量大于禁带宽度的光子表现出强烈的光吸收。其吸收系数甚至比肩非晶硅，厚度为300nm左右的钙钛矿材料便能吸收几乎所有的可见光。CH3NH3PbX3的光吸收和光致发光性能与金属卤化物的成分密切相关。通过元素取代，可以获得不同的光学性能。以光学带隙为2.3eV的CH3NH3PbBr3为例，用I元素取代Br元素，可以使材料光学带隙变小，荧光波长红移；以Cl元素取代Br元素，则可使光学带隙变大，荧光波长蓝移。目前，人们已经实现了对CH3NH3PbX3光学带隙及荧光波长的连续调控。CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3的相对介电常数分别为4.8和6.5，激子束缚能分别只有50meV和76meV。这使得材料中的激子为Wannier-Mott型，其意味着在室温下，光生电子-空穴对在材料内部便能实现分离。在用溶液法制备的CH3NH3PbI3中，电子和空穴的迁移率达到10cm2/(V·s)，在尺寸20μm的大晶粒中甚至高达66cm2/(V·s)。且CH3NH3PbI3中的体缺陷态密度只有5×1016/cm3左右，远低于溶液法生长的有机薄膜的1019/cm3量级。得益于低的复合速率，高的载流子迁移率，电子和空穴在CH3NH3PbI3中的扩散长度大于100nm，在CH3NH3PbI3–xClx中更是高达1μm，高出材料的吸收长度近一个数量级。CH3NH3PbI3的禁带宽度与AM1.5光照下的最佳带隙值1.4eV最为接近。然而相比Br和Cl，含I的钙钛矿材料在水蒸气氛围下更容易分解。通过Br或Cl元素的部分取代可以大大缓解这一现象。钙钛矿太阳能电池目前主要有多种结构：多孔二氧化钛的介观电池，无多孔二氧化钛的平面电池，含多孔绝缘氧化物(三氧化二铝，氧化锆)的超结构介观电池，倒置结构的电池等。对于无多孔二氧化钛的平面电池，即只含一层致密层，其材料一般是二氧化钛。而二氧化钛由于其高温烧结的工艺能耗严重。从而使得电池的成本的增加。而二氧化钛高温烧结的本质则是由于其结晶后电导率增加，从而适用于太阳能电池。但是如果能设法降低二氧化钛层的厚度，从而保留其吸引电子而不是传输电子的能力，不失为一种有效的方法。并且这种超薄的二氧化钛层并未形成一种致密的电子传输层，从一定程度上简化了电池结构。中国专利201510127861.0公布了一种钙钛矿型太阳能电池，该电池采用多孔结构的电子修饰层，使用多孔结构电子修饰层制作的电池虽然光电转换效率较高，但是在合成过程中需要较长时间，同时工艺复杂，耗损较高，不易形成工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，光电转换效率更高的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，包括电子传输层，其特征在于：所述电子传输层由非晶间断的二氧化钛纳米颗粒构成。二氧化钛纳米颗粒的晶粒大小为3-50纳米，晶粒之间间距为5-100纳米。本专利技术采用四氯化钛水溶液处理FTO表面形成电子传输层，该方法简单，同时相比没有电子传输层的钙钛矿太阳能电池光电转换效率有了明显的提升，同时相比采用多孔结构电子传输层的钙钛矿太阳能电池光电转换效率相差不多，但是其制作成本和工艺复杂程度能够大幅得到降低。本专利技术还包括导电玻璃层、钙钛矿层、空穴传输材料层及蒸镀银电极层，导电玻璃层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输材料层及蒸镀银电极层以层状结构依次排布。该结构下钙钛矿太阳能电池能够形成合理的能级梯度，对开路电压与短路电流都能够产生有益效果。本专利技术所述钙钛矿层为甲胺铅碘多晶膜。甲胺铅碘多晶膜相较于其他种类钙钛矿材料制备工艺相对简单，能级匹配较好，相对其他种类钙钛矿材料制成的钙钛矿太阳能电池光电转换效率更高。本专利技术所述电子传输层的厚度为3-100纳米，甲胺铅碘多晶膜的厚度为200纳米-1.5微米，空穴传输材料层的厚度为50-500纳米，蒸镀银电极层的厚度为50-200纳米。本专利技术所述空穴传输材料层的材质为spiro-OMeTAD。该材料与钙钛矿材料能级匹配较好，同时考虑到钙钛矿稳定性，spiro-OMeTAD的溶解性与甲胺铅碘多晶膜的溶解性匹配更好。本专利技术所述导电玻璃层和电子传输层组成的整体在可见光波长范围内光透射率在80%-85%。相比没有电子传输层的钙钛矿太阳能电池，超薄二氧化钛的电子传输层降低了光透射率，尤其在可见光的波长范围内。这一结构特征有效说明了整个超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池对光子的利用率有了有效明显的提升。本专利技术所述导电玻璃层和电子传输层组成的整体的粗糙度在11-13纳米。较大的粗糙度能够有利于电子产生陷光效应，有利于光电转换效率的提升，同时较高的粗糙度标明了更高的比表面积，能够更加有利于电子空穴对的传输。本专利技术所述导电玻璃层和电子传输层组成的整体单色光转化率在40%-80%。单色光光电转换效率对钙钛矿太阳能电池的光电转换效率有很大影响，超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池具有较高的单色光光电转换效率，说明该结构下的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池相比未有电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有更高的光电转换效率。相比现有技术，本专利技术采用四氯化钛水溶液制成二氧化钛的超薄电子传输层，形成高粗糙度以及良好的单色光光电转换效率，从而形成具有更高光电转换效率的钙钛矿太阳能电池。本专利技术超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法更加简单快捷，同时维持了较高的光电转换效率，制作成本更低，有效减少制作周期。附图说明图1是本专利技术实施对比组1的SEM图。图2是本专利技术实施例5的SEM图。图3是本专利技术实施例4的SEM图。图4是本专利技术实施例6的SEM图。图5是本专利技术实施例1的SEM图。图6是本专利技术实施例2的SEM图。图7是本专利技术实施对比组1的AFM图。图8是本专利技术实施例5的AFM图。图9是本专利技术实施例4的AFM图。图10是本专利技术实施例6的AFM图。具体实施方式下面结合附图并通过实施例对本专利技术作进一步的详细说明，以下实施例是对本专利技术的解释而本专利技术并不局限于以下实施例。为了更加明确地显示出技术效果，提供对比数据实验。实施例中所有粗糙度均指轮廓算术平均偏差。对比组玻璃基质的FTO采用去离子水超声振荡清洗，再使用酒精与丙酮各清洗10分钟。再将CH3NH3I和PbCl2以摩尔比例3:1溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，形成钙钛矿溶液，使用匀胶机将钙钛矿溶液沉积在上述经过处理的FTO上。通过精确控制温度在90℃烘烤1小时，使得钙钛矿溶液在FTO表面结晶成为CH3NH3PbI3多晶膜（甲胺铅碘多晶膜）。本实施例中，空穴传输材料选用spiro-OMeTAD。将一定物质的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，包括电子传输层，其特征在于：所述电子传输层由非晶间断的二氧化钛纳米颗粒构成，单个二氧化钛纳米颗粒的晶粒平均直径为3‑50纳米，相邻晶粒之间间距为5‑100纳米。

【技术特征摘要】
1.一种超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，包括电子传输层，其特征在于：所述电子传输层由非晶间断的二氧化钛纳米颗粒构成，单个二氧化钛纳米颗粒的晶粒平均直径为3-50纳米，相邻晶粒之间间距为5-100纳米。2.根据权利要求1所述的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：还包括导电玻璃层、钙钛矿层、空穴传输材料层及蒸镀银电极层，导电玻璃层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输材料层及蒸镀银电极层以层状结构依次排布。3.根据权利要求2所述的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿层为甲胺铅碘多晶膜。4.根据权利要求3所述的超薄电子传输层结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层的厚度为3-100纳米，甲胺铅碘多晶膜的厚度为20...

【专利技术属性】
技术研发人员：诸跃进，黄孝坤，庄学恒，蔡畅，张英，周康，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33