[发明专利]无电子传输层和空穴传输层钙钛矿太阳能电池及制作方法

说明书

本发明公开了一种无电子传输层和空穴传输层钙钛矿太阳能电池及制作方法，包括自下而上依次分布的FTO衬底、FTO电极、PEIE修饰层和钙钛矿光活性层，在钙钛矿光活性层上方设有阳极，在FTO衬底上方设有阴极。其结构中避免了使用有机‑无机杂化铅卤钙钛矿材料、有机空穴传输层材料、昂贵的金属电极，同时摒弃了电子传输层；PEIE材料沉积于FTO电极上，该方法可在其表面引入单分子层，在FTO电极与钙钛矿光活性层之间形成了界面偶极子，进而降低了FTO电极表面的功函数，使得FTO电极与CsPbIBr₂光活性层的能级更加匹配。极大地抑制了光生载流子间的复合。同时器件的开路电压和填充系数得到了明显的改善。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池，具体的说是无电子传输层和空穴传输层的简易、低成本钙钛矿太阳能电池，其结构中避免了使用稳定性较差的有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料、有机空穴传输层材料、昂贵的金属电极，同时摒弃了制备工艺复杂的电子传输层，PEIE修饰层使得能级更加匹配。极大地抑制了光生载流子间的复合。同时器件的开路电压和填充系数得到了明显的改善。

背景技术

有机-无机杂化铅卤钙钛矿作为一类新型半导体材料，兼有吸收系数大、带隙可调、载流子扩散长度长、迁移率高、缺陷密度低等诸多优异的光、电学性质。同时，可采用低温溶液法实现其薄膜的大通量、高速制备。这使得有机-无机杂化铅卤钙钛矿基光电器件具有性能优异、成本低廉等突出的潜在优势，近年来已成为光电器件研发领域的热点和重点。其中，钙钛矿太阳能电池等光伏器件是研究者关注较早且较多的器件。

然而，目前性能较优的钙钛矿太阳能电池等光伏器件均面临可靠性差这一普遍问题，特别是在高温、高湿或者持续光照等工况条件下。其一方面是因为有机-无机杂化铅卤钙钛矿包含有易挥发、亲水性的有机阳离子组份，使得它们在高温、高湿或者持续光照条件易于分解而退化。另一方面，大多数钙钛矿光伏器件包含有机的电荷传输层和金属电极，前者自身就有稳定性差的问题。加之，器件金属电极中的原子倾向于扩散至有机-无机杂化铅卤钙钛矿薄膜/电荷传输层界面，与薄膜中的卤素发生化学反应，进一步加剧了器件的衰退。碳电极CsPbI_3-xBr_x无机钙钛矿光伏器件，其完全避免了使用稳定性较差的有机-无机杂化铅卤钙钛矿材料、有机电荷传输材料以及金属电极，因而成为克服钙钛矿光伏器件所面临的可靠性问题的重要途径之一。另外，由于采用了廉价的碳电极取代了金属电极和有机电荷传输层，器件的制造成本得到了进一步的降低。其中CsPbIBr₂具有平衡的带隙和相稳定性，因此CsPbIBr₂太阳能电池备受关注。但是由于其经典的FTO/TiO₂/CsPbIBr₂/Carbon结构中，TiO₂电子传输层的制备条件苛刻，需要500℃的高温环境，此外TiO₂电子传输层与CsPbIBr₂光活性层的导带底之间由于能带的不对准，因而存在较大的能量差，TiO₂电子传输层中的电子会轻易反向转移到TiO₂/CsPbIBr₂异质结的界面，最终通过界面的深层缺陷或者针孔复合从而导致大的V_oc损失，因此探究一种用于替换TiO₂电子传输层的器件与方法成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明是在FTO/TiO₂/CsPbIBr₂/Carbon结构基础上进行了改进，使用PEIE修饰层取代了工艺复杂的TiO₂电子传输层。提供一种器件结构为FTO/PEIE/CsPbIBr₂/Carbon的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明制备的太阳能电池钝化了缺陷，提升了载流子的复合阻抗，降低了暗电流，极大地抑制了光生载流子间的复合，同时器件的开路电压和填充系数得到了明显的改善。降低了制备成本，克服了器件结构中的能带不对准，同时在无传输层的情况下保留了传统器件的光电转换效率。