[发明专利]一种反向介孔钙钛矿太阳能电池结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种反向介孔钙钛矿太阳能电池结构及其制备方法，属于钙钛矿太阳能电池技术领域，该电池结构包括透明导电衬底、空穴传输层、介孔层、钙钛矿吸光层、电子传输层和电极。本发明的介孔层由氧化镍包覆的金纳米粒子(Au@NiO_x)制备而成，Au@NiO_x是以金为内核，氧化镍为壳层的核壳结构纳米粒子。本发明利用金纳米粒子的等离子体增强效应增强钙钛矿活性层对光的吸收，并改善介孔层的电学性能；同时，氧化镍的壳层可以避免金与钙钛矿的直接接触，避免了因金纳米粒子引入而引起的载流子复合。与采用传统NiO_x作为介孔材料的钙钛矿太阳能电池相比，采用Au@NiO_x纳米粒子作为介孔材料的器件光电转换效率提升20％以上。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，涉及一种反向介孔钙钛矿太阳能电池结构及其制备方法。

背景技术

自2009年发展至今，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从3.8％发展到25.2％，其光电转化效率接近于晶硅太阳能电池，然而大部分高效钙钛矿太阳能电池都是基于正向结构：透明导电衬底/电子传输层/n-型介孔层/钙钛矿吸光层/空穴传输层/电极。对于此结构的钙钛矿太阳能电池而言，介孔层除了具有支撑钙钛矿和促进钙钛矿生长的作用外，还可以在电荷传输上发挥巨大作用。这是由于多晶钙钛矿的载流子迁移率(或是扩散长度)有限，较厚钙钛矿薄膜通常会导致光生载流子在活性层内部的复合，而介孔层的存在可以缩短载流子在钙钛矿薄膜内部的扩散距离，改善载流子的收集效率。因此，介孔太阳能电池一般要比平面太阳能电池具有更高的光电转换效率。但常用的n-型介孔材料如TiO₂和ZnO等存在电子迁移率较低、紫外光照下不稳定、与钙钛矿界面接触不紧密等问题，同时n-型介孔材料一般由550℃以上的高温烧结制备，使得电池的制备工艺复杂化，成本上升，在钙钛矿薄膜电池极具商业化的前景下，严重限制了钙钛矿太阳能电池的发展。此外，正向结构制备的钙钛矿太阳能电池无法与商业化异质结硅匹配制备串联叠层太阳能电池。

与之相比，反向结构的钙钛矿电池生产过程相对容易，具有加工温度低、成本低、滞后现象不显著等特点，且采用无机氧化镍作为空穴传输层的器件稳定性有很大改善。当采用氧化镍纳米材料作为p-型介孔层时，同样能够促进钙钛矿晶体更好生长，并促进氧化镍/钙钛矿界面空穴传输，从而提高器件的性能。但是将氧化镍直接作为p-型介孔层使用时，其自身导电率低的特点容易引起载流子复合，反而降低了器件短路电流和填充因子，使得器件效率大大降低，所以氧化镍的电学性能问题亟待解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对反向介孔钙钛矿太阳能电池的现状，提供了一种反向介孔钙钛矿太阳能电池结构及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于包括，从下到上分别为：透明FTO导电玻璃衬底(阳极)、氧化镍空穴传输层、氧化镍包覆的金纳米粒子组成的p-型介孔层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、金属阴极。

传统的反向介孔太阳能电池结构中介孔层由氧化镍或者三氧化二铝等金属氧化物纳米粒子制备，本发明将氧化镍包覆的金纳米粒子替代金属氧化物纳米粒子制备p-型介孔层，并基于此介孔层构建一种新型的反向介孔钙钛矿太阳能电池结构。

进一步地优选，所述氧化镍包覆的金纳米粒子(Au@NiO_x)由内核和壳层组成，内核为单分散的Au纳米粒子，Au纳米粒子可以为球形，立方体或三棱柱，半径大小为5～50nm，壳层为氧化镍，厚度为1～20nm。

进一步地优选，所述Au@NiO_x核壳结构纳米粒子制备过程：首先使用各向异性生长的方法，制备球形，立方体或三棱柱的金纳米粒子，将制备好的Au纳米粒子与乙酰丙酮镍(II)反应，包覆上氧化镍壳层，通过控制反应时间、反应温度和配体溶度，精确调控壳层的厚度。

本发明所述的一种反向介孔钙钛矿太阳能电池结构，基于氧化镍包覆的金纳米粒子制备介孔层，其制备方法如下。