[发明专利]一种稀土离子掺杂的新型钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明公开了一种稀土离子掺杂的新型钙钛矿太阳能电池，属于新型光伏太阳能电池领域。所述钙钛矿太阳能电池器件结构由上而下依次为对电极（Au）、空穴传输层（Spiro‑OMeTAD）、钙钛矿光吸收层（Cs2AgBiBr6）、电子传输层（SnO2）及透明导电玻璃衬底（ITO）；所述的稀土离子为铈和镱等，在原有的在传统的FTO/SnO2/Cs2AgBiBr6/Spiro‑OMeTAD/Au器件结构基础上，通过在Cs2AgBiBr6钙钛矿光吸收层中掺入稀土，可以降低禁带宽度，拓宽光谱吸收范围，进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，有效改善器件的高温稳定性，扩展应用范围。

技术领域

本发明技术方案一种稀土离子掺杂的新型钙钛矿太阳能电池，属于新型光伏太阳能电池领域。

背景技术

随着化石燃料的燃烧使得环境污染加剧和不可再生资源的减少，开发可再生新型能源替代传统化石燃料成为当前全球能源环境领域研究热点。可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等，它们在自然界中可循环再生，对于社会和环境的可持续发展必不可少。太阳能是所有能源中分布最广泛的，太阳能转换成电能，可有效缓解能源危机；同时太阳能清洁、高效和成本低，其将成为未来能源领域的研究重点，将太阳能转换成电能将成为今后研究的关键。

自Kojima等人首次报道混合有机-无机卤化铅钙钛矿薄膜的光伏性能以来，在过去十年中光伏领域发生了重大变革，最初甲基铵碘化铅(MAPbI₃)的光电转换效率(PCE)为3.81％；目前，通过在器件结构、界面工程和添加剂工程等方面进行完善，获得的大面积叠层钙钛矿型太阳能电池(PSCs)的PCE达到了25.6％。效率的显着提高归因于其出色的光物理特性(例如大吸收系数、长扩散长度和高载流子迁移率)和溶液易于加工等性能。虽然钙钛矿太阳能电池已经取得了显著成效，但由于有毒、对热、氧、湿度、电场和热应力敏感外以及光照稳定性差等问题，PSCs仍远未实现商业化或实际应用。有机-无机杂化卤化铅钙钛矿由于铅的存在而有毒性，Pb2+易溶于水，能形成对环境严重污染的有毒溶液，对人类和环境生态系统有害。第四主族元素锡(Sn)和锗(Ge)可用来代替Pb。然而，通过这种方法制备的器件光电转换效率低于基于含铅的器件。另外，由于Sn和Ge的5s和4s轨道是高能的，所以它们很容易被氧化，从正二价态氧化为正四价态，这使得它们在长期稳定的PSCs中的应用前景较差。

通过使用一价和三价阳离子代替两个Pb²⁺阳离子在保持原有钙钛矿晶体结构的同时制备无铅钙钛矿光吸收层的双钙钛矿。无铅双钙钛矿的先驱化合物是Cs₂AgBiBr₆，据计算其光谱极限最大效率低于8％。Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿作为PSCs活性层为其它双钙钛矿的形成提供了可能性，例如Cs₂InSbCl₆、Cs₂AgInBr₆和Rb₂AgInBr₆。双钙钛矿为在B位使用不同的金属阳离子提供了更多的替代选择，可能具有更高的PCE和合适的带隙。

发明内容

本发明针对钙钛矿太阳能电池在空气中放置长时稳定性差、钙钛矿光吸收层分解速率快而不能转换为商业化应用问题。

本发明在传统的ITO/SnO₂/稀土掺杂Cs₂AgBiBr₆/spiro-OMeTAD/Au器件结构基础上，通过在Cs₂AgBiBr₆钙钛矿光吸收层中掺入稀土离子(Ce³⁺、Nd³⁺、Eu³⁺、Yb³⁺、Sm³⁺和Tb³⁺等)，降低禁带宽度，拓宽光谱吸收范围，进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，有效改善器件的高温稳定性，扩展其应用范围。