[发明专利]一种导电电极和电子传输层的钙钛矿太阳电池及制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能透明导电电极和电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法，包括玻璃衬底以及依次层叠设置在玻璃衬底上的透明导电氧化物电极、金属氧化物电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属电极，所述透明导电氧化物电极和金属氧化物电子传输层均是利用射频磁控共溅射法沉积而成。本发明工艺简单、均匀性好、重复性好且钙钛矿太阳电池效率较高。

技术领域

本发明涉及光伏领域，具体涉及一种高性能透明导电电极和电子传输层的钙钛矿太阳电池的制备方法。

背景技术

随着对化石能源的过度利用以及在使用过程中产生的环境污染,人类亟待解决的是可持续发展利用的新型能源,而太阳能光伏则是其中最具有前景能源策略。提高太阳能电池的光电转化效率来降低光伏发电成本是目前光伏领域的核心研究课题之一。其中有机无机杂化的卤素钙钛矿材料于2009年首次被用于太阳电池中，短短几年内，其光电转化效率从当时的3.8％飞升到如今的高于22％。钙钛矿太阳能电池的效率已超越有机太阳能电池，有望达到单晶硅太阳能电池水平。随着钙钛矿太阳能电池效率纪录不断被刷新，科研工作者开始更加关注钙钛矿电池的稳定性、使用寿命、制备成本、重金属元素铅的替代和大面积柔性器件的制备等方面。

钙钛矿太阳电池中最典型的吸收层是有机金属三卤化物ABX₃ (A:CH₃NH⁺₃CH₃CH₂NH⁺₃或HN＝CHNH⁺₃等；B:Pb²⁺或Sn²⁺；X:I,Br或Cl)，钙钛矿太阳能电池的一个主要结构分平面异质结结构类型，对应的正置和倒置两种结构器件。通常把制备顺序为基底/阴极/电子传输层/钙钛矿吸收层/空穴传输层/阳极的钙钛矿太阳电池称为正置结构器件，反之为倒置结构器件。为了提高钙钛矿太阳能电池的效率和寿命,通常会在钙钛矿吸收层与电极间引入各种辅助层，传输层防止激子在电极界面复合猝灭，电子传输层的作用是提高电子注入和阻挡空穴。在已报道的高效率钙钛矿太阳能电池中,二氧化钛成为使用率最高的电子传输层材料，其基本作用是与钙钛矿吸收层形成电子选择性接触，满足能级匹配，提高光生电子抽取效率，并有效地阻挡空穴向阴极方向迁移，通过分别控制电子传输层和空穴传输层的厚度来平衡载流子在各层的传输，从而避免电荷积累对器件寿命的影响。

在钙钛矿太阳能电池中，电子传输层除了有利于钙钛矿晶体的生长，同时缩短光生电子从钙钛矿体内到n型半导体间的迁移距离，能有效降低复合率，提高太阳电池的效率。由此可见，电子传输层对于钙钛矿太阳能电池来说是至关重要的。尽管采用基于金属氧化物电子传输层的钙钛矿太阳电池获得较高的光电转化效率，但钙钛矿太阳电池存在一个不可回避的缺点是其稳定性。就金属氧化物TiO₂作为电子传输层的太阳电池而言，通过不同沉积方法制备的TiO₂薄膜中存在大量的体缺陷态密度和界面电荷陷阱密度，导致器件性能迅速衰减，其衰退原因主要归因于TiO₂表面分子氧的解吸附。我们知道在金属氧化物半导体中，特别在其表面上存在很多氧空位，这些深能级缺陷会吸附大气中氧分子，从而形成电荷转移络合物导致器件不稳定。很多研究者报道称，通过对电子传输层表面修饰能增强钙钛矿太阳电池的性能。 Henry等提出富勒烯C₆₀能调控电子传输层TiO₂并且能有效提取光生电荷。 Liu等指出锂掺杂TiO₂能降到电荷陷阱密度，提高电池性能。Leijtens等提出了解吸附所引起的衰退机制,在紫外光激发下TiO₂价带上的空穴与氧吸附点上的电子复合，吸附的氧分子被释放，形成导带上的一个自由电子和一个带正电荷的氧空位，自由电子很快与空穴传输材料上富余的空穴复合。因为留下的氧空位所造成的缺陷态能级大约在导带底以下1eV处，光生电子会通过分子的振动能级转移到这些深缺陷态中，这部分电子无法再次跃迁到电子传输层的导带上，最终结果只能与内部的空穴复合或被局域到这些表面缺陷中，导致器件的短路电流显著下降。