[发明专利]基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明公开了一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，主要解决钙钛矿太阳能电池对红外光谱利用不充分和稳定性差的问题。其自上而下依次包括透明导电衬底(1)、电子传输层(3)全无机钙钛矿吸收层(4)、空穴传输层(5)和顶部电极(6)。其特征在于，透明导电衬底(1)与电子传输层(3)之间设有稀土元素掺杂四氟钇钠层(2)，所述稀土元素掺杂四氟钇钠采用掺杂镱、铒或掺杂镱、铥的四氟钇钠等中的任意一种。本发明增强了对红外光谱的吸收能力，且与全无机钙钛矿吸收带隙更加匹配，同时由于采用了全无机钙钛矿吸收层，避免了引入易分解的有机钙钛矿，提升了电池的稳定性，可用于为室外工作设备提供电能。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，更进一步涉及一种太阳能电池，可用于为室外工作设备提供电能。

背景技术

能源问题是人们面临的严峻问题之一，因此以单晶硅电池为主的光电转换器件一直是人们关注的重点。但是单晶硅价格昂贵，工艺较为复杂，发展几十年来其光电转换效率仍然没有较大突破。近年来，由于钙钛矿材料具有较小的激子结合能，较高的消光系数以及合适的带隙，能有效吸收紫外到近红外光谱范围内的光子，吸引了众多研究人员的注意。

以钙钛矿材料作为吸收层的钙钛矿太阳能电池具有以下典型结构：透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层以及顶部电极。这种电池在受到太阳光的照射时，其中的钙钛矿吸收层能吸收利用太阳光中的光子，在内部产生电子空穴对。产生的电子或空穴通过电子传输层或空穴传输层被传导至对应电极，从而进入外部电路。根据钙钛矿吸收层材料组分包括有机钙钛矿材料、有机无机杂化钙钛矿以及全无机钙钛矿材料。传统含有机钙钛矿组分的电池虽然能得到较高的效率，但是其中的有机钙钛矿组分在长期工作过程中由于接触水分，氧气或光照等不利外界因素会发生分解，严重降低电池的效率，稳定性难以保证。而采用全无机钙钛矿材料作为电池吸收层能有效避免电池稳定性的损失。

此外，为了避免全无机钙钛矿材料由于其较大的带隙不能对近红外光谱有效利用，引入稀土元素掺杂四氟钇钠材料以拓展电池在近红外光谱的吸收。该材料受到波长长，能量低的光激发时能发射出波长短，能量高的光子，能将红外光转换成钙钛矿吸收层能有效吸收的可见光，从而提高电池的转换效率。

西安建筑科技大学在其申请的专利文献“核壳结构上转换材料的制备及其在钙钛矿太阳能电池中的应用”(申请号：201510741653.X申请公开号：CN105428541A)中公开了一种制备具有核壳结构上转换材料的钙钛矿太阳能电池的方法。该方法采用氟掺杂氧化铟锡FTO作为透明导电衬底，采用旋涂法制备氧化钛TiO₂致密层及高温烧结制备氧化钛TiO₂介孔层作为电子传输层，采用二氧化硅包覆掺杂镱和铒的四氟钇钠NaYF₄：Yb³⁺，Er³⁺@SiO₂作为上转换纳米颗粒，采用一步旋涂法制备钙钛矿吸收层，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴材料作为空穴传输层，采用蒸镀法制备金属电极。但是该方法采用的有机钙钛矿组分材料容易受外界水分氧气光照等因素影响而分解，造成电池稳定性不佳。同时该方法采用高温烧结方法制备氧化钛TiO₂介孔层，限制了透明导电衬底的多样性，不利于低温柔性及大面积电子器件的制备。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有的不足，提出一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，以提高钙钛矿太阳能电池的光谱利用效率和稳定性。同时避免高温工艺的引入，有利于未来低温柔性及大面积电子器件的制备。

本发明的技术方案是这样实现的：

1.一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，自上而下依次包括透明导电衬底、电子传输层、全无机钙钛矿吸收层、空穴传输层和顶部电极，其特征在于：