[实用新型]一种新型无铅有机金属卤化物钙钛矿电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，具体的说是涉及一种新型无铅有机金属卤化物钙钛矿电池。

背景技术

自2009年以来开始出现并迅速发展起来的一种采用有机金属卤化物钙钛矿材料（通常为甲胺碘铅，CH₃NH₃PbI₃）作为光吸收层的全新光伏薄膜技术，它采用低成本镀膜生产工艺，在短短几年的时间内实验室光电转换效率已成功突破20%。而目前市场上以硅和碲化镉为材料的主流太阳能电池，达到现有转化效率历时10多年。且最新研究表明钙钛矿电池转化效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本，鉴于此，光伏行业对钙钛矿太阳电池普遍看好。

甲胺碘铅（CH₃NH₃PbI₃）电池基本由基底、透明电极、电子传输层、CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光吸收层、空穴传输层、后电极构成。从结构讲可分为介孔钙钛矿电池和平面钙钛矿电池两种。其中介孔钙钛矿电池需要添加一层多孔疏松的二氧化钛薄膜，来保证甲胺碘铅钙钛矿材料的大面积附着以充分吸收阳光。而平面钙钛矿电池的光吸收材料是一层致密的钙钛矿薄膜，无需多孔疏松的二氧化钛层薄膜来支撑。两种结构的电池都是使用未经参杂的本征钙钛矿半导体材料作为光伏吸收层，而非参杂的P型或N型的钙钛矿半导体材料。此外，甲胺碘铅钙钛矿电池中的有机空穴传输层(HTL)可有效传输空穴，以阻碍电子在到达后电极前与空穴发生重组。但是由于有机空穴传输层纯度要求高、价格昂贵且通常性能不太稳定，同时采用现有通用溶液法制备的空穴传输层含有针孔，容易导致湿气的渗透而降低CH₃NH₃PbX₃钙钛矿电池性能，这些都造成了甲胺碘铅钙钛矿电池成本的增加和工艺的复杂性。而且对于建立太阳能农场而言，要求电池在高温大风沙的沙漠环境中维持30年以上的寿命，可见现有钙钛矿电池仍存在艰巨的挑战。

近期报道的一种甲胺碘铅钙钛矿电池可以避免使用昂贵、不稳定且工艺复杂的空穴传输层，其在二氧化钛膜层上加添了一层氧化锆(zirconiumoxide)，这层氧化锆可阻碍电子与空穴在到达后电极前的重组，起到同空穴传输层一样的作用。但是这种电池在制备过程中还需添加5-氨基戊酸的阳离子来加固其与疏松二氧化钛膜层的接触，使得电池制备工艺依然复杂。并且采用这种方法制备的钙钛矿电池光电效率仅为11.6%，远低于现有带空穴传输层的甲胺碘铅钙钛矿电池。

图1是现有技术中的甲胺碘铅钙钛矿电池结构图。该电池的结构从上之下依次是基板层1、镀在基板层1下表面的铟锡氧化物(ITO)或掺杂氟氧化锡FTO层2、电子传输层3（如TiO₂）、甲胺碘铅钙钛矿吸收层4、空穴传输层5（如spiro-OMeTAD）、后电极层6（如金或银）。电池的各膜层厚度分别为：FTO氧化锡层2约为0.2μm，电子传输层3在0.5~2.0μm之间，甲胺碘铅钙钛矿吸收层4约为0.3μm，空穴传输层5约为0.3μm，后电极6约为0.1μm。

综上所述，现有甲胺碘铅钙钛矿电池的制备几乎都离不开使用空穴传输层或添加其它膜层，以阻碍电子与空穴的重组(尽管相比于其它光伏材料，甲胺碘铅钙钛矿的载流子寿命较长，电子和空穴能维持长的分离状态)，这对降低钙钛矿电池制备成本以及提高钙钛矿电池稳定性能都十分不利。除了空穴传输层的复杂性之外，现有甲胺碘铅钙钛矿材料中含有重金属元素铅(Pb)，对绿色、环保的产业进程的实现也非常不利,亟待寻找新的解决方案。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型要解决的技术问题在于提供了一种新型无铅有机金属卤化物钙钛矿电池。

为解决上述技术问题，本实用新型通过以下方案来实现：一种新型无铅有机金属卤化物钙钛矿电池，所述钙钛矿电池的结构由上而下分别是基板层、透明电极层、N型无铅有机金属卤化物钙钛矿薄膜层、P型无铅有机金属卤化物钙钛矿薄膜层、后电极层，所述透明电极层镀于基板层的下表面。

进一步的，所述N型无铅有机金属卤化物钙钛矿薄膜层厚度在0.1~1.0μm之间，所述P型无铅有机金属卤化物钙钛矿薄膜层的厚度在0.5~200μm之间，所述P型无铅有机金属卤化物钙钛矿薄膜层的电阻率在50~200Ohm.cm之间。