一种以Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池，由透明导电玻璃衬底、Cs掺杂ZnO纳米棒电子传输层、层状类钙钛矿杂化材料CH3NH3PbX3（式中X为Cl、Br或I）、2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9,9'-螺二芴空穴传输层和Au金属背电极层组成并依次构成叠层结构。本发明专利技术的优点和积极效果是：在杂化太阳能电池中采用Cs掺杂ZnO为电子传输层与氧化锌相比，电子传输能力提高2-3个数量级，电子-空穴的复合得到了有效的抑制，光电转换效率较高；其制备方法工艺简单、反应温度低、效率高、原材料丰富、成本低且绿色无污染，适于工业化大规模生产。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种以Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池，由透明导电玻璃衬底、Cs掺杂ZnO纳米棒电子传输层、层状类钙钛矿杂化材料CH3NH3PbX3（式中X为Cl、Br或I）、2,2',7,7'-四-9,9'-螺二芴空穴传输层和Au金属背电极层组成并依次构成叠层结构。本专利技术的优点和积极效果是：在杂化太阳能电池中采用Cs掺杂ZnO为电子传输层与氧化锌相比，电子传输能力提高2-3个数量级，电子-空穴的复合得到了有效的抑制，光电转换效率较高；其制备方法工艺简单、反应温度低、效率高、原材料丰富、成本低且绿色无污染，适于工业化大规模生产。【专利说明】—种Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池
本专利技术涉及有机光电-太阳能电池领域，特别是一种Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池。
技术介绍
随着全球石油资源的日益耗尽，太阳能电池作为解决世界能源危机的一个可行方法成为一个广泛研究的前沿性课题。太阳能电池的研究与开发始终围绕以下两个关键问题而展开:I)提高光电转换效率及寿命；2)采用新型材料以降低成本。到目前为止，无机硅太阳能电池在制备过程中所需的高温、高真空使得无机硅太阳能电池的生产成本非常高，这使得其应用受到很大的限制。有机聚合物本体异质结太阳能电池具有成本低、无毒、容易制备、易于实现柔性器件、可以方便有效地改变有机材料的化学结构以控制最佳的能带、电荷迁移率、溶解度甚至取向程度来提高电池的效率等特点而成为近年来的研究热点。但其光电转换效率较低、寿命和稳定性较差的弱点严重制约着其商业化的进程。有机共轭聚合物-无机纳米晶杂化太阳能电池是一种新颖的电池体系。无机纳米晶半导体材料具有载流子迁移率高、性质稳定、结构容易控制等优点，因此有望实现低成本太阳能电池的制备。目前常用的无机纳米晶包括Zn0、Ti02、PbS、PbSe、CdSe等。然而由于无机纳米晶本身极易团聚，影响了有机-无机界面和电子的有效传输。因此，在器件中存在着严重的界面电荷复合。有机共轭聚合物-无机纳米晶杂化太阳能电池的光电转换效率仍然较低，尚不具备大规模商业化生产的前景。层状类钙钛矿杂化材料是由有机分子和无机分子有序自组装形成的、具有量子肼结构的晶体材料。此类材料结合了有机组分功能性、易加工性和无机组分高载流子传输性能、机械稳定性、热稳定性的优点，在光、电、磁等方向表现出了优异的性能，有很广阔的应用前景。由于IVA族金属(Sn，Pb等)具有特殊的分子轨道特征，使该族金属卤化物的杂化钙钛矿材料具有很好的导电性。因此，这类杂化钙钛矿作为半导体材料，其突出的光电性能一直以来都引起了极大关注并被广泛研究。CH3NH3PbX3US Br、I)作为一种新型的光敏材料在2009年被首先合成并应用于液相染料敏化太阳能电池(DSSC)中，分别获得了3.8% 和 3.1% 的光电转换效率，参见 J.Am.Chem.Soc.2009, 131，6050 6051。2011 年Park等人进一步将光电转换效率提高到6.5%，参见Nano Lett.2012, 12，1863 1867，但是器件的稳定性很差。2012年瑞士联邦理工学院的Michael Gratzel教授等人采用Spiro-MeOTAD作为空穴传输层，TiO2为电子传输层制备了全固态杂化电池，光电转换效率达 9.7%，参见 Sc1.Rep.2012，2，591-1-7。2013 年 6 月，Michael Gratzel 教授等进一步将基于CH3NH3PbX3的有机/层状类钙钛矿杂化电池的效率提升到15%，参见誦.nature.com/doifinder/10.1038 /naturel2340。这一成果被认为是太阳能领域的一项重大研究进展。据理论预测，基于CH3NH3PbX3的有机/层状类钙钛矿杂化电池的光电转换效率可达20%。作为一种全固态的染料敏化太阳能电池，其独特的光电特性正引起学术界和工业界的广泛关注。染料敏化太阳能电池阳极的发展趋势之一是要保持较好的电子传输通道同时尽可能的提高阳极的比表面积。因此，开发具有较好电子传输性能、高比表面积和高光散射效果的光阳极对提高电池的光电效率具有重要的意义。目前基于CH3NH3PbX3的有机/层状类钙钛矿杂化电池通常采用TiO2作为电子传输层。常规的TiO2材料存在着一些固有缺陷，例如纳米晶粒间存在着大量的晶界，比表面积大，表面悬挂键起着俘获光生电子的陷阱作用，他们会使电子的寿命和扩散距离减小，复合几率增加。电荷复合正是制约着DSSC效率提高的主要因素。一些研究人员尝试着在TiO2纳米晶表面包覆具有较高导带位置的金属氧化物(ZnO、Cs203、MgO)薄层形成核壳结构,通过能量势鱼抑制TiO2导带电子与染料及电解质复合。氧化锌(ZnO)是一种典型的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度(Eg)为3.37eV，较大的激子束缚能(60 meV)。ZnO与TiO2的禁带宽度(Eg)接近，而且ZnO的导带底CB略高于TiO2，这样的能带结构应该有利于提高电荷的解离效率，从而使电子能够更快的注入并传输到电极，从而提高电池效率。但由于其导电率不是很高，因而氧化锌薄膜在太阳能器件中的应用不尽理想。科研人员发现将ZnO进行修饰改性是提高器件性能的重要途径，主要有以下几种方式进行修饰:1)元素掺杂；2)表面修饰；3)使用添加剂。掺杂可以改变半导体材料的电学、光学以及磁学性能，因此在工业领域中已经有着广泛的利用。例如Xu等人报道了 Ga掺杂ZnO时，电阻率降低了 100倍，参见Nanotechnology, 2009, 20:065503-065508。当Ni掺杂到氧化锌时电导率增加了 30倍，参见J Appl Phys, 2008, 103:083114-083117。本专利技术提出了一种金属Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池及其制备方法。通过掺入Cs离子替代二价锌离子，可以使载流子浓度大幅度增加，有利于提高半导体材料的电子密度及电子传导速度。Cs掺杂氧化锌具有较高的可见光透过率和较高的导电性，并且锌和Cs自然资源丰富，制作成本低廉，对环境无污染，因此有望作为低成本的新一代电池材料。由于导电性能的提升，Cs掺杂的ZnO薄膜能够作为电极应用在太阳能电池中，有利于电池效率的提升。同时Cs掺杂在ZnO的导带下方引入了施主能级，电子密度的提高使得ZnO的费米能级也随之提升，有利于捕获电子。目前还尚未在基于CH3NH3PbX3的有机/无机杂化钙钛矿电池见到以Cs掺杂ZnO为电子传输层的报道。
技术实现思路
目的是针对上述存在问题和技术分析，提供一种Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池及其制备方法。本专利技术的技术方案: 一种以Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池，由透明导电玻璃衬底、电子传输层、层状类钙钛矿杂化材料、空穴传输层和Au金属背电极层组成并依次构成叠层结构。所述透明导电玻璃衬底是以铟锡氧化物(ΙΤ0)、掺杂氟的SnO2 (FTO)或掺Al的氧化锌(AZO)为导电层的导电玻璃。所述电子传输层为Cs掺杂ZnO纳米棒，掺杂浓度在0.1-2.0 mol%,控制掺杂浓度可改变ZnO的导电性，电子传输层厚度为100-200nm。所述层状类钙钛矿杂化本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种以Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池，其特征在于：由透明导电玻璃衬底、电子传输层、层状类钙钛矿杂化材料、空穴传输层和Au金属背电极层组成并依次构成叠层结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨利营，印寿根，秦文静，唐彤，左红文，郑克宁，于景景，张颖，刘巍嵩，李海林，邹亚伟，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：
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