[发明专利]一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。所述柔性钙钛矿太阳能电池为单结电池或叠层电池，在负载有底电极的柔性衬底上沉积有载流子传输层1、有机半导体分子桥接层和钙钛矿吸光层1，通过在氧化物载流子传输层1与钙钛矿吸光层1之间插入一层具有与氧化物相同导电类型的有机半导体分子桥接层，利用有机半导体分子桥接层的应力缓冲作用，即吸收并均化弯曲过程中氧化物传输层和钙钛矿吸光层1之间的弯曲应力，减少应力集中释放带来的器件破坏，从而显著提高柔性钙钛矿单结和叠层太阳能电池的弯曲耐折度。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

相比于传统刚性的太阳能电池，柔性太阳能电池由于其轻质、可弯曲和可穿戴等特点而有望在多种军用和国民经济关键领域实现应用，如航天航空、无人机、军用飞行器、消费电子、电动汽车以及建筑。柔性太阳能电池能很好地与卷对卷生产工艺兼容而实现电池的高通量生产，进而极大地降低太阳能电池的生产成本。此外，轻质的特点有利于太阳能电池的存储、运输和安装，从而进一步降低电池系统的成本。目前，已经有许多种类的柔性太阳能电池被相继开发。其中，柔性钙钛矿太阳能电池由于具有转化效率高、原材料成本低廉、制备工艺简单等突出优点而被广泛研究。得益于钙钛矿材料的高光学吸收系数、高载流子扩散长度和高缺陷容忍度，在过去11年间，刚性单结钙钛矿太阳能电池的效率从3.8%迅速提升到了25.5%。与此同时，柔性单结钙钛矿太阳能电池的效率也迅速从2.62%提升到了21.7%，展现出了巨大的潜力。然而，柔性钙钛矿太阳能电池的效率相比于刚性钙钛矿太阳能电池仍有较大的差距，这不利于其实际应用的开发。

目前高效率的单结柔性钙钛矿太阳能电池主要基于氧化铟锡（ITO）透明导电柔性衬底，在钙钛矿薄膜与透明电极之间主要采用氧化物作为载流子传输层。然而，由于ITO、氧化物传输层和钙钛矿薄膜的柔韧性并不够好，因此这一类柔性钙钛矿太阳能电池虽然效率较高，但在一定曲率半径下（如R=15 mm）反复弯曲后的性能稳定性（弯曲耐折度）却不够理想，通常弯曲几千次就会出现明显的性能下降，严重影响了这一类高性能柔性钙钛矿太阳能电池的实际应用。因此，如何同时获得高效率且高弯曲耐折度的柔性钙钛矿太阳能电池成为了一大挑战。

发明内容

针对上述柔性钙钛矿太阳能电池弯曲耐折度和光电转化效率不足的问题，本发明在氧化物载流子传输层1上锚定了一层有机半导体分子层，使其同时起到应力缓冲层和界面钝化层的作用，从而显著提高柔性钙钛矿单结和叠层电池的弯曲耐折度和光电转化效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性钙钛矿太阳能电池，为单结电池或叠层电池，其中：

所述单结电池由下至上依次包括：柔性衬底、底电极、载流子传输层1、有机半导体分子桥接层、钙钛矿吸光层1、载流子传输层2和顶电极；

所述叠层电池由下至上依次包括：柔性衬底、底电极、载流子传输层1、有机半导体分子桥接层、钙钛矿吸光层1、载流子传输层2、隧穿复合层、载流子传输层3、钙钛矿吸光层2、载流子传输层4和顶电极；

所述载流子传输层1由p型无机半导体氧化物或n型无机半导体氧化物制成；

所述有机半导体分子桥接层由一种或多种可以锚定在氧化物表面的p型有机半导体分子或n型有机半导体分子制成；所述有机半导体分子一端连接有可以锚定在氧化物表面的锚定官能团，包括但不限于硅烷基团、羧酸基团和磷酸基团等，而另一端连接有咔唑基团及其各种衍生物。

在本发明中，所述有机半导体分子锚定在氧化物表面是指有机半导体分子利用其一端的锚定官能团通过与氧化物表面发生一定的相互作用（包括但不限于形成共价键、配位键、氢键等）而结合到氧化物的表面，其中硅烷基团、羧酸基团和磷酸基团三种不同锚定官能团在氧化物表面的锚定机理可参考文献Adv. Energy Mater. 2020, 2002989。