[发明专利]一种二氧化锡基介孔钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化锡(SnO₂)基介孔钙钛矿太阳能电池及其制备方法，器件结构自下而上依次为导电衬底、SnO₂致密层、SnO₂介孔层、TiO₂钝化层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极。本发明还提供了一种SnO₂基介孔钙钛矿太阳能电池的制备方法。本发明中SnO₂具有比传统电子传输材料TiO₂更高的电子迁移速率且化学性能稳定，有利于电子传输及器件稳定性提升；TiO₂钝化层将有效钝化SnO₂表面缺陷态，减少电荷复合，提高器件光电转换性能。本发明所制备SnO₂基介孔钙钛矿太阳能电池对于提高光电转换效率和稳定性、推动钙钛矿太阳能电池的产业化进程具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种二氧化锡(SnO₂)基介孔钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于光伏技术领域。

背景技术

能源与环境危机促使人们探索新型可替代能源。在众多新能源中，太阳能兼具取用不尽、绿色清洁的优势，成为科研人员关注的热点。太阳能的利用方式之一就是通过太阳能电池实现光电转换。硅基太阳能电池是目前市场占有率最高的光伏器件类型，其具备较高的光电转换效率和良好的器件稳定性。然而，硅基太阳能电池在制备过程中存在较高的能耗污染。因此，相关研究人员都在积极开发性能优异的新型光伏器件。近年来，钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells)异军突起，成为光伏界当之无愧的明星。自2009年第一块钙钛矿太阳能电池研发成功以来，其光电转换效率在短短近10年间被提升至24.2％(https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html)。钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代新型太阳能电池。

然而，钙钛矿太阳能电池器件稳定性很差，第一块电池的寿命只有3分钟，发展至今，其寿命也仅达到1000小时左右，与传统硅基器件25年的寿命相去甚远。目前，钙钛矿太阳能电池中最为广泛使用的电子传输材料是TiO₂，然而TiO₂具有明显缺陷：一方面，由于TiO₂较强的光催化活性，TiO₂基的器件在紫外光照射下不稳定性，会破坏钙钛矿材料；另一方面，TiO₂的电子迁移速率较低，显著低于常用的空穴传输材料的空穴迁移率，电子迁移速率与空穴迁移速率的不平衡会导致钙钛矿器件严重的迟滞效应，大大限制了其产业化应用(Qi Jiang at al,Nature Photonics,2019,13,460–466；D.Wang at al,Solar EnergyMaterialsSolar Cells,2016,147,255–275)。因此，探索新型电子传输材料对于改善钙钛矿太阳能电池性能至关重要，特别是对于推进其产业化进程具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种二氧化锡基介孔钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过旋涂法制备SnO₂致密层和SnO₂介孔层、溶液法制备TiO₂钝化层，采用一步法制备CH₃NH₃PbI₃钙钛矿吸收层，从而构筑SnO₂基介孔钙钛矿太阳能电池。本发明具有器件稳定性良好、成本低、光电转换效率高、工艺简单易操作等优点。

本发明二氧化锡基介孔钙钛矿太阳能电池，其器件结构依次为导电衬底/SnO₂致密层/SnO₂介孔层/TiO₂钝化层/钙钛矿吸收层/空穴传输层/金属电极。其中，SnO₂致密层厚度为30-90nm；SnO₂介孔层厚度为100-300nm；TiO₂钝化层为厚度介于2-6nm的纳米包覆薄层；钙钛矿吸收层厚度为300-800nm；空穴传输层厚度为100-300nm；金属电极为60-200nm。