[发明专利]一种基于无机半导体电子传输材料的钙钛矿太阳电池及其制备方法

说明书

本发明涉及将光转化为电能的光伏器件，特指无机半导体电子传输材料的钙钛矿太阳电池，所述方法包括：在透明导电玻璃上沉积非晶硅薄膜材料，然后旋涂PCBM界面修饰层，之后旋涂钙钛矿吸光材料，之后旋涂Spiro‑OMeTAD材料作为空穴传输层，最后蒸镀金属电极。本发明的优点在于：N型非晶硅作为钙钛矿电池的电子传输层，其带隙可以通过掺杂浓度调控，可以很好的与钙钛矿材料实现能级匹配；低温制备使其更适用于柔性衬底钙钛矿太阳电池；真空法制备薄膜的均匀性和可重复性是旋涂法不能比拟的。PCBM界面修饰层可以改善非晶硅薄膜/钙钛矿界面能级匹配、输运电子和阻挡空穴，从而可以减少光生载流子在电子传输层与吸收层界面处的复合，最终提高太阳电池转换效率。

技术领域

本发明涉及到光伏技术领域，具体涉及到无机半导体电子传输材料(ETL)的的钙钛矿电池及其制备方法。

背景技术

在近年来不断兴起的新能源领域，例如太阳能、地热能等，都已经具备成熟的产业化生产模式，而核能、潮汐能也逐渐得到政府和民众的广泛关注。这些能源之中特别是太阳能，具有环保、来源广泛、取材方便的优势，这也让太阳能在新能源中脱颖而出。

钙钛矿太阳电池具有实现大面积生产、制备工艺相对简单、低温制备、制备成本低等优点，使它在近年来得到了快速的发展和广泛的关注，其效率也由刚开始的3.9％发展到现在的22.7％。钙钛矿太阳电池是目前发展非常迅速的太阳电池，由导电基底、电子传输材料、钙钛矿吸收层、空穴传输材料和金属电极构成。钙钛矿吸收层具有良好的光吸收范围、载流子寿命长、可调控带隙及优异的光生载流子输运特性。钙钛矿结构电池的电子传输层必须保证光生载流子中的电子顺利收集、传输及被电极收集，而且稳定性要优良、价格便宜、容易制备。而硅基薄膜是一种性能优良的半导体材料，无毒无害，在地球储量丰富。非晶硅可以通过调节掺杂浓度来实现调节带隙，而随着沉积条件不同其薄膜质量和导电性可以得到很好的改善，是薄膜太阳电池中性能稳定的半导体材料。

磷掺杂的N型非晶硅薄膜材料，通过调控磷的掺杂浓度可以调控硅薄膜能级位置和带隙宽度，保证能级和钙钛矿材料实现很好的匹配，以顺利实现载流子输运，降低光生载流子在界面处的复合率。N型非晶硅薄膜其导带底能级在-4.0eV左右，钙钛矿的LUMO为-3.93eV，对于电子来说，钙钛矿的导带能级高于N型非晶硅薄膜材料，这个带阶差能够保证钙钛矿层中的电子顺利流向N型非晶硅薄膜层；N型非晶硅薄膜的价带顶在-5.88eV左右，钙钛矿HOMO为-5.44eV，对于空穴来说N型非晶硅薄膜材料价带顶高于钙钛矿，这个带阶差对于空穴起到一个势垒的作用，防止空穴传输到N型非晶薄膜层。于此同时，在N型非晶硅薄膜与钙钛矿吸收层之间添加PCBM界面修饰层后，PCBM材料的HOMO为-6.1eV，与钙钛矿的HOMO能级差为0.66eV，进一步可以有效的阻挡空穴，从而降低电子空穴复合的几率。

发明内容

本发明的目的：针对上述技术存在的问题以及未来太阳电池的主要发展方向，将N型非晶硅薄膜材料和钙钛矿本征层相匹配，采用等离子气相沉积法制备一种新的适合作为钙钛矿电池电子传输层的非晶硅硅薄膜材料。特点在于：用N型非晶硅薄膜作为钙钛矿电池电子传输层，成本低廉，容易制备，可低温制备及稳定性良好。同时，采用PCBM作为钙钛矿吸收层和非晶硅电子传输层间的界面修饰层，可以改善非晶硅薄膜表面形貌和阻挡空穴，从而可以减少光生载流子在电子传输层与吸收层界面处的复合，最终达到提高载流子传输效率。

本发明的技术方案：该无机半导体电子传输材料的的钙钛矿太阳电池，由透明导电基底、N型非晶硅电子传输层、PCBM界面修饰层、钙钛矿材料吸收层、空穴传输层、金属电极构成。

透明导电基底为FTO透明导电玻璃；非晶硅电子传输层使用等离子气相沉积法沉积在FTO玻璃上，其能级与钙钛矿材料是相互匹配的，可通过调控掺杂浓度调控非晶硅层能级。非晶硅上用旋涂法旋涂PCBM界面修饰层，之后旋涂钙钛矿本吸收层。上述旋涂后的钙钛矿材料经过退火处理后，在其上旋涂Spiro-OMeTAD空穴传输层。最后用热蒸发法镀在空穴传输层之上蒸镀金属电极。