[发明专利]钙钛矿光伏器件及其制造方法

说明书

本发明公开了钙钛矿光伏器件及其制造方法，该钙钛矿光伏器件包括依次层叠的衬底、阳极、空穴传输层（PEDOT:PSS或氧化镍）、钙钛矿光吸收层、第一电子传输层（导电有机化合物（电子传输层1））、第二电子传输层（电子传输层2（Nb₂O₅））和阴极。本发明的钙钛矿光伏器件及其制备方法获得了较高的性能，且具备较低的加工成本和能够实现大面积加工，因而在钙钛矿光伏器件领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，具体的说，钙钛矿光伏器件及其制造方法。

背景技术

早在2006年日本桐荫横滨大学的Miyasaka教授课题组尝试将钙钛矿材料作为光吸收材料用于染料敏化太阳能电池中，他们于2009年首次报道了太阳能转化效率为3.8%的染料敏化钙钛矿太阳能电池（J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6050）。接着韩国成均馆大学的Nam-Gyu Park教授课题组通过优化前驱体溶液浓度和退火温度，使能量转化效率提升了近一倍（Nanoscale, 2011, 3, 4088），而钙钛矿太阳能电池真正得到关注是他们将钙钛矿材料用于类似有机薄膜太阳能电池的全固态结构中，并使得能量转换效率和稳定性得到了大大的提高（Sci. Rep., 2012, 2, 591）。由于钙钛矿太阳能电池具有原料及制造成本低等显著优势，并且随着相关领域研究力量的大量投入，钙钛矿太阳能电池的性能在近几年得到了迅速的提高。

这类钙钛矿材料一般具有ABX₃的基本化学式，其中A⁺一般为一价阳离子（常见的是甲胺离子（CH₃NH₃⁺，MA⁺），铯离子（Cs），甲脒离子（FA⁺）），B²⁺为无机阳离子（一般为Pb²⁺），X^-为卤素阴离子（一般为I^-、Cl^-或Br^-）。所使用的卤素元素种类的不同，钙钛矿材料的带隙可以在1.6至3.2电子伏特内连续调控。使用甲脒离子（CH(NH₂)₂⁺，FA⁺）替换MA⁺或使用Sn²⁺来替换Pb²⁺或采用混合型离子等方法可以进一步的调控钙钛矿材料的带隙，实现更宽范围的太阳光吸收。因钙钛矿太阳能电池最初是由染料敏化太阳能电池所演变而来的，因而介孔型结构较为常见。在这一结构当中，在致密的TiO₂选择性电子传输层上还有一层由TiO₂纳米颗粒组成的介孔层。这一介孔层一方面作为沉积钙钛矿薄膜的骨架，另一方便可以减少电子扩散的距离，进而提高电子采集效率。在最初的研究中使用的介孔厚度约为500-600纳米，钙钛矿光吸收材料完全渗透到介孔骨架当中。然而随着研究的深入，人们发现可以使用较薄的介孔层约为150-200纳米，同时在其上面形成一层连续致密的钙钛矿光吸收层可以得到更好的器件性能。由于电子和空穴在钙钛矿材料中的扩散长度都很长，因而当完全去除介孔层后使用平面型的结构也可以得到效率较高的钙钛矿太阳能电池，而且结构更简单的平面型钙钛矿太阳能电池相比于介孔型的钙钛矿太阳能电池在制备结构上具有明显的优势，因而平面型的钙钛矿太阳能电池更具实现商业化的潜能。

目前常见的钙钛矿太阳能电池器件结构包括介孔型、平面型（n-i-p）和平面反型（p-i-n）。当前平面型结构中使用的n型电子传输材料一般是金属氧化物半导体材料，p型空穴传输材料一般是有机空穴传输材料，而使用的有机空穴传输材料因其迁移率较低而往往需要掺杂剂对其进行掺杂器件才能获得较高的性能，这限制了其进一步的商业应用。目前在平面反型结构中使用的n型电子传输材料一般是富勒烯及其衍生物，这类材料具有生产成本高、提纯不易等制约其大规模生产的缺点。因而开发低成本大面积稳定的平面型钙钛矿光伏电池器件及其结构迫在眉睫。

发明内容