[发明专利]一种全无机钙钛矿型太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全无机钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。该类全无机钙钛矿型太阳电池结构包括：透明导电玻璃、无机空穴传输层、无机钙钛矿层、阴极缓冲层、无机电子传输层和金属电极；其中电子传输层所选用的材料为n型过渡金属氧化物，如(氧化锡、氧化钛、氧化锌等)，其制备方法为溅射法。阴极缓冲层材料为宽带隙金属氧化物，如(氧化钨、五氧化二钒、氧化钼等)，其制备方法为蒸发法。本发明不仅可以实现制备全无机结构的钙钛矿型太阳电池器件，还可以实现整个制备过程无化学溶剂参与，并且全部实现真空物理沉积过程，将有效的保证器件的各个膜层实现大面积均匀，继而推动钙钛矿太阳电池大面积产业化生产。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种全无机钙钛矿型太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，钙钛矿型太阳能电池以其适宜的直接带隙半导体禁带宽度、较高的摩尔消光系数、较低的激子束缚能和优良的载流子传输特性等光电机制，成为近些年来炙手可热的光电材料新秀。其中，基于有机无机杂化金属卤化物为核心吸收材料的光电器件，其光电转化效率由最初3.8％经历短短六年的时间的发展已提升至22.1％，可谓是已经达到或者超过了可以实现产业化所需要的要求。并且，相对于目前产业化的晶硅电池，钙钛矿型钙钛矿太阳电池又具有原材料充裕、能耗小、成本低廉，使得这类电池具有非常广阔的发展前景。

然而，要实现最终的产业化，需要同时满足三个基本条件：高效率、低成本和稳定性。在效率不断突破，成本工艺不断改进之后，摆在研究者面前最亟待解决的问题当属稳定性。其稳定性问题主要包括：钙钛矿太阳电池，在较高湿度、温度下均表现出比较差的稳定性。热稳定性问题的来源是电池器件中有机电荷传输材料采用较低的结合能下进行合成，势必会导致生成的材料在较高的能量下发生分解。湿度稳定性问题的来源是有机电荷传输层材料的吸水性以及钙钛矿材料本身的吸水性等。无机材料在合成过程中通常需要经过较高的能量进行合成，其稳定性相对于有机物来说表现出更优异的性能。一类电池要实现产业化，一定要经受工作环境下长期的测试考验。但是，越来越多的高效率的报道，均是基于含有有机材料的基础上的。因为，相对于一些无机材料来说，有机材料的合成往往需要较低的合成能量，但是却表现出更好的传输特性。除此之外，半导体的价带和导带位置在电池膜层材料的能带匹配上扮演着决定性的作用，而大量的新的有机半导体材料被合成，因此在能级匹配上更具有优势。而无机材料无论是在掺杂上还是材料合成上都较为复杂，所以，相对较少的目光投向无机材料的研究上。此外，作为传统的有机-无机杂化的钙钛矿材料的重要组成部分，MA+和FA+有机基团的引入，以其自身的较差的耐温性能和较强的吸湿性能，为钙钛矿材料本身的不稳定性埋下的伏笔。若想从根本上解决这个问题，唯有将其替换为具有相似原子半径的其他无机金属离子。

综上几个问题，已经有一些报道采用无机的材料来代替有机材料，意在保持钙钛矿太阳电池高效率的基础上提升其稳定性。Alex K.-Y.Jen等采用了溶胶凝胶的方法制备了Cu掺杂的NiOx，不仅与钙钛矿材料形成了更完美的能级匹配，而且通过掺杂的方式增强了其电导率，与基于有机材料 PEDOT:PSS相比的钙钛矿太阳电池相比表现出更好的稳定性和更佳的光伏性能。Yangyang等人，引入了一种无机ZnO纳米颗粒替代有机材料 PCBM，也表现出更优异的稳定性。最近，snaith等采用无机金属CS+取代有机MA+和FA+，制备了无机钙钛矿薄膜，并表现出杰出的热稳定性。但是，以上的工作均是将无机材料应用于电池器件中的某一膜层，也就是说，电池器件中其他膜层仍然存在使用有机材料，造成整个电池器件的热稳定性仍然受限，所以并不能从根本上解决钙钛矿太阳电池的热稳定问题。

采用溅射方法在钙钛矿薄膜表面沉积电子传输层，有利于电子的萃取。但是，溅射高能粒子会对钙钛矿薄膜造成一定的损伤，使得钙钛矿层与电子传输层之间形成大量的缺陷态，引入电子复合中心，最终造成电荷的传输中断。

发明内容