[发明专利]一种梯度电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度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，所述的金属氧化物电子传输层是利用金属元素离子注入方法形成的能级渐变同质结叠层结构。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，具体涉及一种梯度电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法。

背景技术

有机无机卤化物钙钛矿材料具有优良的光电性能，包括可调带隙、高吸收系数、小激子结合能、低电荷复合率和长电荷载流子扩散长度，使光伏器件具有低成本、高效率和简单加工等特点。近年来，随着钙钛矿活性层材料、各种加工技术和器件结构的发展，最先进的钙钛矿太阳电池的光电转换效率已达到24％以上，接近商业薄膜太阳能电池(如碲化镉和硅)的效率。

在典型的光伏器件结构中，钙钛矿吸收层通常夹在电子输运层和空穴输运层之间。对于高效率的钙钛矿太阳电池，电子传输层在屏蔽空穴和传输电子方面起着不可或缺的作用。另一方面，电子传输层还可以有效地将钙钛矿吸收层从电子器件中分离出来，以减少光致载流子的直接复合。在电子传输层的情况下，几种N型金属氧化物半导体，如TiO₂、ZnO、SnO₂和In₂O₃被认为是电子传输材料的潜在候选。其中，对于最先进的钙钛矿太阳电池，二氧化钛是最坚固和稳定的电子传输层之一。毫无疑问，氧化锌是取代用作钙钛矿太阳电池中电子传输层的二氧化钛的绝对优势候选，因为其具有可比的能级和高电子迁移率。尽管使用氧化锌电子传输层具有令人印象深刻的特性，但应充分考虑氧化锌的许多固有缺陷，尤其是对于氧空位(V_O)。指出金属氧化物电子传输层中V_O产生的高缺陷态密度对钙钛矿太阳电池中电荷的提取和传输有害。

与二元金属氧化物半导体相比，三元或多元金属氧化物半导体作为电子传输层广泛用于钙钛矿太阳电池应用，如AlZnO、MgZnO、ZnTiO和InGaZnO。为改善钙钛矿太阳电池的性能，提出了几种可能的金属阳离子型三元或多元金属氧化物电子传输层的功能：调节能级，促进电子从钙钛矿层注入电子传输层，降低电子传输层的缺陷态密度，抑制电荷复合，增强电子输运，以及改善钙钛矿太阳电池的性能。并影响钙钛矿或钙钛矿界面的质量。到目前为止，研究者主要针对如何实现二元或多元金属氧化物半导体薄膜，如化学浴沉积法、磁控溅射法、电子束沉积法或旋涂法。然而，通过形成二元和多元金属氧化物叠层结构的电子传输层应用于钙钛矿太阳电池却鲜有报道。此外，基于同一金属氧化物半导体实现同质结叠层结构的电子传输层更无报道。

对于钙钛矿太阳电池来说，通常叠层电子传输层结合属异质结叠层结构，这意味着其中两种薄膜接触区存在势垒，会严重影响载流子传输。同时，由于两种材料晶格失配引入大量电荷陷阱，从而减低钙钛矿太阳电池的短路电流密度，也会影响电池光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度电子传输层的钙钛矿太阳电池及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，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。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种梯度电子传输层的钙钛矿太阳电池，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电极、金属氧化物电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和金属电极，所述的金属氧化物电子传输层是利用金属元素离子注入方法形成的能级渐变叠层结构。

进一步地，金属氧化物电子传输层是由第一电子传输层、第二电子传输层和第三电子传输层三层叠加而成，第一电子传输层和第二电子传输层之间形成第一能级过渡区，第二电子传输层电子传输层和第三电子传输层之间形成第二能级过渡区。