[发明专利]一种以钙钛矿型复合材料作为空穴传输层的钙钛矿太阳电池及制备方法

说明书

本发明钙钛矿太阳电池由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属背电极组成，其特征在于空穴传输层化学组成为P_xA_1‑xMX₃，其中，A代表可生成一价有机阳离子的甲胺、甲脒、胍或其混合物；M代表Pb、Ce、Fe、Co、Cu离子或其混合物，为聚吡咯原位制备时形成的副产物；X代表F、Cl、Br、I；P代表聚吡咯，由吡咯在极性有机溶剂中为高价态金属盐氧化生成，x=0.3‑0.5。本发明钙钛矿太阳电池中钙钛矿光吸收层化学组成为APbX₃，厚度为100‑500 nm。本发明钙钛矿太阳电池的空穴传输层涂布在钙钛矿光吸收层上，厚度为50‑150nm，能够促进空穴的分离和传输，提高钙钛矿太阳电池光电转换性能。

技术领域

本发明涉及一种以钙钛矿型材料和聚吡咯导电高分子材料作为空穴传输层的钙钛矿太阳电池及制备方法，属于新能源和新材料领域。

技术背景

钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属背电极五部分组成。空穴传输层的厚度一般为0-150nm，无空穴传输层的钙钛矿太阳电池的光电转换效率通常比较低，空穴传输层的作用包括：（1）收集来自钙钛矿光吸收层注入的空穴，使钙钛矿光吸收层电子-空穴对的电荷分离；（2）空穴传输层插入钙钛矿光吸收层和金属背电极之间可以改善肖特基(Schottky)接触，促使电子和空穴在功能层界面分离，减少电荷复合和调节能级匹配性, 有助于获得更高的光电转换效率；（3）空穴传输材料具有稳定的热力学性质，还可作为钙钛矿光吸收层的保护层，有助于提高钙钛矿电池的化学稳定性；（4）某些空穴传输材料具有光敏特性，本身可以作为光电转换材料，稳定和提高光电转换效率；（5）某些空穴传输材料的导电性较好，扩散渗透到与其接触的光吸收层或背电极中可以降低太阳电池内阻，降低电池面积扩大时的尺寸效应。

2012年首次将2, 2’, 7, 7’-四 [N, N-二 (4-甲氧基苯基)氨基]-9, 9’-螺二芴 （spiro-OMeTAD） 作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳电池中，大幅提高了钙钛矿太阳电池的光电转换效率，新开发的空穴传输材料性能均以其作比较。虽然spiro-OMeTAD作为钙钛矿太阳电池的空穴传输层能取得很高的光电转换效率，由于其合成过程复杂, 价格为黄金的数倍，不利于钙钛矿太阳电池的商业化发展。研究人员不断寻求其他廉价高效的空穴传输材料来代替spiro-OMeTAD，目前重点研究方向是设计制备与spiro-OMeTAD结构类似的三苯胺类材料和廉价的CuI无机半导体材料，但这些材料的性能价格比与产业化应用目标存在很大差距，需要设计和筛选全新的空穴传输层材料。

发明内容

本发明目的是提供一种以钙钛矿型复合材料作为空穴传输层的钙钛矿太阳电池，由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属背电极组成，其特征在于以钙钛矿型材料和聚吡咯导电高分子材料作为空穴传输层。

本发明钙钛矿太阳电池的空穴传输层化学组成为：P_xA_1-xMX₃，其中，A代表可生成一价有机胺阳离子的甲胺、甲脒、胍或其混合物；M代表Pb、Ce、Fe、Co、Cu金属离子或其混合物，为聚吡咯原位制备时形成的副产物；X代表F、Cl、Br、I；P代表聚吡咯，由吡咯在极性有机溶剂中为高价态金属盐氧化生成，x=0.3-0.5。

本发明钙钛矿太阳电池中钙钛矿光吸收层厚度为100-500nm，化学组成为APbX₃，其中，A代表可生成一价有机阳离子的甲胺、甲脒、胍或其混合物；X代表F、Cl、Br、I。钙钛矿光吸收层与空穴传输层紧密接触，钙钛矿光吸收层组分可以向扩散渗透空穴传输层。

本发明钙钛矿太阳电池的空穴传输层涂布在钙钛矿光吸收层上，厚度为50-150nm，空穴传输层组分能够扩散渗透到钙钛矿光吸收层中，能够促进空穴的分离和传输，提高钙钛矿光吸收层的光吸收性能。