[发明专利]一种Cs掺杂ZnO为电子传输层的杂化太阳能电池

说明书

技术领域

 本发明涉及有机光电-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。

背景技术

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：1）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ZnO、TiO₂、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。 CH₃NH₃PbX₃ （X为 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Sci. 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www.nature.com/doifinder/10.1038 /nature12340。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、Cs₂O₃、MgO）薄层形成核壳结构，通过能量势垒抑制TiO₂导带电子与染料及电解质复合。