[发明专利]用于钙钛矿太阳电池传输层的元素气相掺杂方法

说明书

本发明公开了一种新型的元素气相掺杂方法，特别涉及应用于钙钛矿太阳电池的元素气相掺杂电子传输层的制备方法。所述的元素气相掺杂方法操作简单，容易重复，掺杂元素种类多样，可实现快速均匀掺杂。其特征在于：将样品放入含有特定元素气体的腔体中加热反应，通过控制加热时间、温度以及腔体中特定元素的浓度来有效地调节掺杂量。本方法能够对钙钛矿太阳电池中的电子传输层进行多种元素的掺杂，包括氟元素、氯元素、氮元素等，通过本方法成功地制备出氮掺杂电子传输层，并将其应用于钙钛矿太阳电池中，显著地提高了钙钛矿太阳电池的电流密度和光电转换效率。

技术领域

本发明公开了一种新型的元素气相掺杂方法，特别涉及应用于钙钛矿太阳电池的元素气相掺杂电子传输层的制备方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，人们对能源的需求越来越高。为了更好地解决化石能源枯竭的问题和改善我们的生活环境，开发和利用太阳能等可再生能源成为一种必然选择，钙钛矿太阳电池是当前的研究热点之一。2009年，钙钛矿太阳电池首次被报道，转换效率为3.8％，随着研究人员对钙钛矿太阳电池所用材料以及电池结构的不断优化，经过短短十年不到的时间，其转换效率已上升到了23.2％，并且还呈现出上升的趋势。与传统的硅基太阳电池相比，钙钛矿太阳电池发展潜力和应用前景较好，研究和发展钙钛矿太阳电池很有必要。

一般来说，常见平板异质结的钙钛矿太阳电池主要由六部分组成，自下而上依次为：玻璃基底、透明电极、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极。其中电子传输层常用的有二氧化钛、氧化锡等。在钙钛矿太阳电池中，电子传输层既可以传输电子也能够阻挡空穴，所以电子传输层也被称作空穴阻挡层，其对钙钛矿太阳电池的性能有着至关重要的影响。合理地优化电子传输层，可以促进钙钛矿太阳电池中光生载流子分离，提升电池的载流子收集能力，进而提高电池的光电转换效率。目前常见的优化电子传输层的方法有“界面工程”和“掺杂工程”。通过“界面工程”钝化界面缺陷能有效地提高电子传输层传导电子的能力。此类方法通常是在钙钛矿吸收层和电子传输层之间引入一层修饰材料，以此来钝化电子传输层的表面缺陷，提高载流子传输性能。通过“掺杂工程”可以针对性的对电子传输层进行优化改性，在电子传输层中掺入一些特定的元素能够有效地减少电子传输层中的缺陷，提高其导电能力。

为了简化电子传输层的掺杂方法和扩大掺杂元素的范围，本发明提供了一种新型元素气相掺杂方法，适用于多种元素的掺杂，并且适用于各种薄膜样品，包括钙钛矿太阳电池中的电子传输层。所述方法简单易重复，可实现快速均匀掺杂，在有效地的提高电子传输层性能的同时不会对样品造成污染。

发明内容

本发明提供了一种应用于钙钛矿太阳电池的电子传输层的掺杂方法，主要提供了一种元素气相掺杂的方法技术。本发明公开的元素气相掺杂方法利用液体在密闭腔体里汽化产生高压，同时与样品表面均匀接触，在高压的条件下反应。所述方法操作简单，易于调控，适用于多种元素的掺杂，包括氟元素、氮元素、氯元素等，方法参数可调性高，可以通过调节反应温度、溶液浓度和反应时间来调节掺杂量。本文成功地通过元素气相掺杂方法在氧化锡传输层中掺入氮元素，得到氮掺杂氧化锡传输层，并将其应用于钙钛矿太阳电池中，有效地提高了钙钛矿太阳电池的电流密度和光电转换效率。所述基于氮掺杂氧化锡传输层的钙钛矿太阳电池结构自下而上依次为：玻璃基底、ITO透明电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金电极。

本发明公开的气相元素掺杂方法适用范围广，掺杂元素多样，包括氟元素、氮元素、氯元素等。下面以氮元素掺杂氧化锡传输层，使用反应釜作为密闭腔体为例，具体说明气相元素掺杂方法的步骤。气相氮元素掺杂氧化锡传输层的具体方法步骤如下：

a.清洗ITO导电玻璃基底，在洁净的基底上制备一层氧化锡薄膜，膜厚在10nm～100nm之间；

b.按一定的体积比例稀释氨水，NH3·H2O:H2O的比例在1:0～1:50之间。本发明利用氨水汽化与样品表面均匀接触，在高压的条件下反应，对样品掺杂。为了合理地调节掺杂量以及保护样品不被高压碱性气体腐蚀，需要合理地调节氨水与水的体积比例；