[发明专利]一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池领域，具体涉及一种钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着石油、煤、天然气等化石能源的大量使用，温室气体和燃料废气的排放引发温室效应、酸雨等环境问题对人类自身生存造成了严重威胁。石油、天然气和煤炭三大化石能源的储量供人类使用的期限也非常有限。因此，人们越来越重视环境友好可再生能源技术的研发，而太阳能是资源量最大、分布最为广泛的绿色可再生能源。

光伏发电是利用太阳能的最主要方式。1954年，贝尔实验室研发出第一块硅掺杂硅太阳能电池，效率达6％，从此开启了硅太阳能电池的时代。时至今日，硅太阳能电池仍然占据着光伏行业的绝对地位。光伏技术已经发展了几十年的时间，但是目前人类对光伏技术的有效利用还非常有限，其中一个非常重要的原因就是传统的无机硅太阳能电池成本过高。例如，硅太阳能电池的成本约为$2/W，明显高于$0.1/W的化石能源成本。因此我们需要寻找一种新型的低成本太阳能电池来替代硅太阳能电池.

针对现阶段硅系太阳能电池的成本问题，从上世纪九十年代开始，一种新型的有机－无机复合的太阳能电池—染料敏化太阳能电池以其成本低廉，制备简便的特点引起了人们的广泛关注。它也被认为是一种很有前途的利用太阳能的技术。

1991年，瑞士洛桑高等工业学院科学家Gratzel教授在该研究领域取得了突破性进展，他用高比表面积的纳米多孔TiO₂代替传统的平板电极引入到染料敏化太阳能电池的研究当中，转换效率大大提高，达到7％。(等，美国专利，公开号，WO9116719A-31Oct1991；等，美国专利，公开号，US005350644A-27Sep1994)。目前单结结构和叠层结构的染料敏化太阳能电池分别得到了11.18％和15.09％的光电转换效率(Progress In Photovoltaics:Research And Applications,2006.V.14.429-442，Applied Physics Letters，2006.V.88.203103-1-3)。钙钛矿型有机－无机复合物CH₃NH₃PbI₃及其衍生物，具有高的摩尔吸光系数和较宽的光谱吸收范围，被用于替代染料敏化太阳能电池中的传统染料。

采用空穴传输材料替代了液态碘电解质，解决了电解质对敏化剂腐蚀的问题。空穴传输材料具有较低的LOMO能级，能够有效提高电池的开路电压，常用的空穴传输材料有spiro-MeOTAD，PTAA等。经过短短3年的发展，钙钛矿电池的性能有了突飞猛进的进展。目前，在材料研究学会会议上，美国加州大学洛杉矶分校材料学家Yang Yang报告称，他的团队已经制造出效率为19.3％的太阳能电池。Yang并未提供关于其团队制造电池的细节。不过他表示，其团队专注于对钙钛矿晶体缺陷的技术改善，以及设备中不同材料层之间接口的改进。韩国成均馆大学化学家Nam-Gyu Park表示，这些缺陷和界面问题通常会影响电荷，阻止其到达电极。对晶体增加方式的改进令Park的团队所研制的钙钛矿太阳能电池的效率达到了17.01％。

钙钛矿太阳能电池分为纳米多孔载体层和异质结太阳能电池，纳米多孔载体层具备能吸附更多的钙钛矿，可湿法制备等优点，目前最高效率的钙钛矿太阳能电池也是纳米多孔载体层太阳能电池。

目前多孔载体层又能分为两类，一类是不具备电子传输功能的光阳极，如Al₂O₃，这类载体材料由于不能传电子，需要和有着良好电子传输能力的掺氯的钙钛矿相匹配，但是掺氯钙钛矿的吸光特性没有全碘的钙钛矿好；一类是具有电子传输功能的TiO₂纳米多孔载体层，但这类载体层TiO₂和钙钛矿的界面存在很多问题：TiO₂有表面缺陷会形成电子陷阱，并且其表面的羟基会腐蚀钙钛矿，而且TiO₂本身就有一定的光催化作用。