[发明专利]一种背入射p-i-n结构钙钛矿太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种背入射p‑i‑n钙钛矿太阳电池及其制备方法，利用垂直生长于FTO衬基上的氧化铜纳米棒阵列作为钙钛矿太阳电池的空穴传输层，并制成以FTO为阴极和透明复合电极（V₂O₅/Ag/V₂O₅）为阳极的背入射钙钛矿太阳电池。发现氧化铜纳米棒阵列构筑的背入射p‑i‑n钙钛矿太阳电池的短路电流密度为23.98 mA/cm²，效率为17.46%；与氧化铜纳米薄膜空穴传输层制备的钙钛矿电池相比，氧化铜纳米阵列空穴传输层制备的钙钛矿电池的短路电流密度和效率大幅度提升，短路电流密度提高了约1.4倍，效率增加了约1.7倍。

技术领域

本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，确切地说是一种钙钛矿太阳电池结构及其制备方法。

背景技术

基于有机甲基胺与无机碘化铅合成的杂化钙钛矿结构材料(CH₃NH₃PbI₃)制备的太阳电池因其较高的光电转换效率(最高效率目前已经超过22％)、较低的成本及易于制备等优势获得了广泛关注【Nature,2019,567,511】。目前，高性能的钙钛矿太阳电池大多采用TiO₂介孔层/钙钛矿层/空穴传输层构筑的n-i-p型器件结构。TiO₂需要高温制备而Spiro-OMeTAD中的掺杂剂会降低电池稳定性【Science,2017,358,739；Advanced Energy Materials,2018,8,1701883】。之后，人们采用PEDOT:PSS/钙钛矿层/PC₆₁BM构筑的p-i-n型电池器件，工艺相对简单，而且薄膜退火温度较低以及J-V迟滞效应较小逐渐引起了广泛的兴趣。这种器件结构的光电转换效率略低与n-i-p结构器件，目前PEDOT:PSS/钙钛矿层/PC₆₁BM结构器件效率已经超过18％【EnergyEnvironmentalScience,2015,8,1602】。空穴传输层的主要作用是收集并传输从钙钛矿薄膜层注入的光生空穴，从而实现电子-空穴的有效分离，是钙钛矿太阳电池的重要组成部分，然而，这种p-i-n器件结构中通常使用的PEDOT:PSS有机空穴传输层并不是很理想，因为其电子阻挡性能力并非完美而且其功函数相对较低(-5.0eV)，从而导致开路电压通常在0.95-1.0V之间；另一方面，PEDOT:PSS具有酸性，很容易腐蚀导电玻璃电极，不利于空穴的收集，也降低了器件的稳定性【Nanoscale,2016,8,11403；】。所以寻找更好的空穴传输材料代替有机PEDOT:PSS材料是钙钛矿太阳电池的重要研究方向之一。

对比传统的有机空穴传输层，p型半导体氧化铜材料具有来源丰富、成本低廉、空气稳定、制备工艺简单等特点；更重要的是，氧化铜的价带能级和CH₃NH₃PbI₃的能级非常匹配，可以实现空穴的有效注入与传输，从而被成功用于钙钛矿太阳电池的空穴传输层【Journal of Materials Chemistry A,2017,5,20381】。但是不难发现，目前在钙钛矿太阳电池的研究中，作为空穴传输层的氧化铜全都是平面薄膜结构，这种结构极大的限制了钙钛矿与氧化铜的活性接触面积。

例如现有专利CN111463349A，该专利公开了一种提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方法，然而该专利使用的是氧化铜薄膜(氧化铜与钙钛矿的接触面积较小)，并且其为底部入射结构。底部入射时，由于氧化铜本身对可见光有吸收，从而影响了钙钛矿薄膜对光子的获取，顶部入射结构就避免了这样的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种钙钛矿太阳电池电池及其制备方法，用于解决现有p-i-n钙钛矿太阳电池空穴传输层与钙钛矿的接触面积有限，从而造成钙钛矿太阳电池中的光生空穴收集损失的问题。

本发明解决所述技术问题的技术方案为：

一种背入射p-i-n结构钙钛矿太阳电池，依次包括阴极、氧化铜阵列、钙钛矿光吸收层、电子传输层和阳极。