[发明专利]高性能的钙钛矿敏化的介观太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池，特别是敏化太阳能电池、有机-无机钙钛矿膜和/或层、异质结、工作电极、光电阳极，及其制造方法。本发明还涉及将有机-无机钙钛矿施加至介观的纳米多孔和/或纳米结构表面的方法。

背景技术和待解决问题

染料敏化太阳能电池(DSC)是最具前景的第三代光伏(PV)技术之一。固态DSC方案作为可行的竞争者出现，其中将电解质替换为固态空穴传输材料(HTM)如三芳胺衍生物2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯胺)-9,9’-螺双芴(螺-MeOTAD)[Bach,U.等.Solid-statedye-sensitizedmesoporousTiO₂solarcellswithhighphoton-to-electronconversionefficiencies.Nature1998,395,583-585]或者最近的锡卤化物钙钛矿[Chung,I.；Lee,B.；He,J.；Chang,R.P.H.；Kanatzidis,M.G.All-solid-statedye-sensitizedsolarcellswithhighefficiency.Nature2012,485,486-489]。

尽管基于螺-MeOTAD和锡卤化物钙钛矿的系统分别实现了显著的光电转换效率(PCE)：7％[Burschka,J.等.Tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)pyridine)cobalt(III)asp-typedopantfororganicsemiconductorsanditsapplicationinhighlyefficientsolid-statedye-sensitizedsolarcells.J.Am.Chem.Soc.2011,133,18042-18045]和8.5％[Chung,I.；Lee,B.；He,J.；Chang,R.P.H.；Kanatzidis,M.G.All-solid-statedye-sensitizedsolarcellswithhighefficiency.Nature2012,485,486-489]，但是迄今为止固态DSC的性能仍落后于其液态竞争者，液态竞争者目前达到了12.3％的PCE[Yella,A.等.Porphyrin-sensitizedsolarcellswithcobalt(II/III)–basedredoxelectrolyteexceed12percentefficiency.Science2011,334,629-634]。差距主要起因于固态器件中的载流子复合比基于液态电解质的竞争者快10倍至100倍。为了收集大多数的光生载流子，纳米晶氧化物膜的厚度通常保持在低于3μm，以降低分子敏化剂的集光，并因此减小了器件的短路光电流(J_sc)和转换效率[Schmidt-Mende,L.；Zakeeruddin,S.M.；M.Efficiencyimprovementinsolid-state-dye-sensitizedphotovoltaicswithanamphiphilicruthenium-dye.Appl.Phys.Lett.2005,86,013504]。受无机薄膜光伏器件启发，进行了许多尝试以增加固态DSC中光收集器的光吸收横截面。一种方法是将分子敏化剂替换为半导体量子点，如PbS、CdS或Sb₂S₃，其中半导体纳米颗粒通常承担吸收光和传输载流子的双重作用[Hodes,G.；Cahan,D.All-solid-state,semiconductor-sensitizednanoporoussolarcells.Acc.Chem.Res.2012,45,705–713]。虽然基于量子点的太阳能电池的性能最近以引人瞩目的方式发生进步，达到了7.5％的PCE[D,D,Adinolfi,V,Sutherland,B,Xu,,J,Voznyy,O,Maraghechi,P,Lan,X,Hoogland,S,Yuan,R,SargentE.H.Gradeddopingforenhancedcolloidalquantumdotphotovoltaics.Adv.Mater.2013,25,1719-1723]，但是其仍然低于其他固态介观光伏器件的PCE。