[发明专利]基于PCBM修饰ZnO纳米棒阵列的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体纳米材料技术以及钙钛矿太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种利用有机物PCBM(富勒烯衍生物C₇₂H₁₄O₂C₇₂H₁₄O₂)来修饰ZnO纳米棒阵列组成电子传输层，以及利用两步法合成的CH₃NH₃PbI₃薄膜的钙钛矿太阳能电池及其制备过程。

背景技术

近年来，钙钛矿太阳能电池发展迅猛，其光电转换效率从最初的3.81％上升到了19％[1-3]，甚至还有的报道达到了20％以上，钙钛矿太阳能电池已成为目前研究太阳能电池的热点。钙钛矿材料由于具有合适和易调节的带隙(如CH₃NH₃PbI₃为1.5eV，CH₃NH₃PbBr₃为2.3eV等)[4]、较高的吸收系数(>10⁴cm^-1)[5-6]、优异的载流子传输性能以及对杂质和缺陷的良好容忍度等特性[7-9]，使钙钛矿太阳能电池成为一种全新、高效率、价格便宜、制备简单、结构多样的新型无机-有机杂化异质结太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池一般是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿吸收层、有机空穴传输层、金属背电极五部分组成，当有太阳光照射时，钙钛矿化合物(又称AMX₃)吸收光子，其价带电子跃迁到导带，然后导带电子通过致密层传输到FTO，同时，空穴通过有机空穴传输层传输到对电极上，从而完成电子-空穴对的分离，当接通外电路时，电子与空穴的移动将会产生电流。太阳能电池的光伏性能和长期稳定性主要是受致密层、钙钛矿吸收层、有机空穴传输层的材料、微结构和性质的影响，而目前的研究大部分都集中在钙钛矿的吸收层上，钙钛矿吸收层主要有两种结构：(1)有骨架层；(2)无骨架层(或称平面结构)的钙钛矿吸收层。骨架层的材料主要有TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂和ZnO，目前做的光电转化效率比较高的是以TiO₂为骨架层材料的钙钛矿吸收层，而由这种钙钛矿吸收层组成的太阳能电池一般都不稳定，对空气非常敏感，效率衰减快，这些不良因素都将严重阻碍太阳能电池的发展。因此，人们转而开始研究以Al₂O₃和ZnO的为骨架层的太阳能电池，特别是ZnO，不仅可以使太阳能电池具有良好的光稳定性，而且还能得到相对较高的光电转化效率。如何进一步提高太阳能电池的光电转化效率和稳定性，推动是太阳能电池的发展是科技工作者孜孜求索的问题。

本发明是以ZnO纳米棒为骨架层，并在ZnO纳米棒中掺入少量的有机物PCBM，然后与钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃组成钙钛矿吸收层，该种结构不仅能够有效的促进电子-空穴对的分离，加强对光的吸收作用，而且它们之间能带的阶梯结构能够减少电子和空穴在传输过程中的能量损失，从而提高电池的光电转化效率，同时该种结构的太阳能电池相对稳定，存放两个星期后效率仍然能够保持在原效率的80％以上，这种独特的结构为钙钛矿太阳能电池的发展提供一条新的途径。

【参考文献】

[1]A.Kojima,K.Teshima,T.Miyasaka,et al.J.Am.Chem.Soc.,131,6050(2009).

[2]R.F.Service,Science,344,458(2014).

[3]H.Zhou,Q.Chen,G.Li,et al.,Science,345,542(2014).

[4]J.H.Noh,S.H.Im,S.I.Seok,et al.Nano Lett.,13,1764(2013).

[5]H.S.Kim,M.N.G.Park,et al.,Sci.Rep.,2,591(2012).

[6]J.H.Im,C.R.Lee,N.G.Park,et al.Nanoscale,3,4088(2011).

[7]Q.Wang,Y.B.Yuan,J.S.Huang,et al.,Energy Environ.Sci.,7,2359(2014).