CN106663737A - 太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施方案提供了太阳能电池，其包括阳极、设置成与阳极相对的阴极；以及设置在阳极和阴极之间并且包含具有钙钛矿结构的化合物的光活性层。在阳极和光活性层之间交替地设置有至少一个第一有机材料层和至少一个第二有机材料层。所述太阳能电池具有优异的电子运动，所述具有钙钛矿结构的化合物通过使缺陷部分如针孔最小化而具有高光电转换效率。

Description

太阳能电池
技术领域
本申请要求于2014年7月22日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0092764号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及太阳能电池。
背景技术
通常，太阳能电池是将太阳的光能转化为电能的装置。太阳能电池是使用作为无穷能量来源的太阳光来发电的装置，代表性的太阳能电池是已在日常生活中广泛使用的硅太阳能电池，并且近来已经对作为下一代太阳能电池的染料敏化太阳能电池进行了研究。染料敏化太阳能电池是光电化学太阳能电池，其具有比现有硅太阳能电池更高的效率和低得多的每单元制造成本，因此具有替代现有硅太阳能电池的可能性。
染料敏化太阳能电池由位于洛桑的瑞士国家高等技术研究所(EcolePolytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL)的Michael Gratzel等人的研究团队于1991年代表性地报道(参见美国专利第5,350,644号“光伏电池”)。在结构方面，染料敏化太阳能电池的两个电极之一为包括在其上形成有半导体层的透明导电基底的光电极，在所述半导体层上吸附有光敏染料，并且两个电极之间的空间填充有电解质。
下面，染料敏化太阳能电池的工作原理是基于当太阳能被吸收到吸附在电极的半导体层上的光敏染料中以产生光电子时，光电子通过半导体层传导，从而被转移到其中形成有透明电极的导电透明基底，并且已经失去电子并因此被氧化的染料通过包含于电解质中的氧化/还原对被还原。同时，通过外部电线到达作为相对电极的对电极的电子再次还原经氧化的电解质的氧化/还原对，以完成太阳能电池的工作过程。
同时，与现有太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池包括多个界面，例如半导体和染料之间的界面、半导体和电解质之间的界面、半导体和透明电极之间的界面，以及电解质和对电极之间的界面，并且理解和控制每个界面处的物理化学作用是染料敏化太阳能电池技术的实现关键。此外，染料敏化太阳能电池的能量转换效率与通过太阳能吸收产生的光电子的量成比例，并且为了产生大量的光电子，需要制造光电极，其包括可以增加被吸附的染料分子量的结构。
同时，根据用于染料敏化太阳能电池的电解质的特性，其可以分为液体电解质、凝胶型电解质和固体电解质。当通过使用液体电解质制造太阳能电池时，具有提高了能量转换效率的优点，而存在的缺点是，包含于液体电解质中的溶剂可能根据外部温度的增加或太阳能电池的密封状态而泄漏或挥发，从而降低太阳能电池的寿命。相反，当通过使用固体电解质制造太阳能电池时，不会发生电解质的泄漏或挥发问题，但是存在能量转换效率通常下降的缺点，从而在太阳能电池应用中导致困难。因此，需要开发新的电解质或者开发并应用可代替电解质的新材料以解决上述缺点。
通常，钌(Ru)金属络合物已广泛用作用于染料敏化太阳能电池的染料，但是钌金属络合物的缺点在于，钌金属络合物非常昂贵且难以纯化。此外，包含钌金属的有机染料吸附到半导体层上需要至少2小时至多至24小时的长吸附时间，因此缺点在于，增加了制造过程所花费的时间，并且存在仅当半导体层的厚度为至少约10μm时才获得高能量转化效率的局限性。因此，已经尝试使用除了钌金属络合物以外的染料，但是即使在这些情况下，当半导体层的厚度为约10μm时，也只获得了最大约3％的能量转化效率，因而存在当半导体层的厚度薄于10μm时未获得高能量化换效率的问题。
发明内容
技术问题
本说明书已经致力于提供一种太阳能电池。
技术方案
本说明书的一个示例性实施方案提供了一种太阳能电池，其包括：阳极；设置成面对所述阳极的阴极；以及设置在所述阳极和所述阴极之间的光活性层，所述光活性层包含具有钙钛矿结构的化合物，
其中至少一个第一有机材料层和至少一个第二有机材料层交替地设置在阳极和光活性层之间，所述第一有机材料层包含由以下化学式1表示的化合物，所述第二有机材料层包含HOMO能级为-5eV或更小的空穴传输材料。
[化学式1]
在化学式1中，
R1至R6各自独立地选自氢、卤素基团、腈基、硝基、磺酰基、亚砜基、磺酰胺基、磺酸酯基、三氟甲基、酯基、酰胺基、经取代或未经取代的直链或支链的C1至C12烷氧基、经取代或未经取代的直链或支链的C1至C12烷基、经取代或未经取代的直链或支链的C2至C12烯基、经取代或未经取代的芳香族或非芳香族杂环基、经取代或未经取代的芳基、经取代或未经取代的单芳基胺基或二芳基胺基以及经取代或未经取代的芳烷基胺基。
有益效果
根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池表现出优异的光电转化效率。
根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池由于包含由化学式1表示的化合物的有机材料层而具有优异的电子运动，因此表现出高效率。
根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池，其优点在于，由于光吸收而处于激发态的电子可以平稳地移动到电极。
根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池，当通过使用具有钙钛矿结构的化合物形成光活性层时，使诸如针孔的缺陷部分最小化并形成光活性，从而实现优异的性能。
根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池，从阳极注入的电子可以容易地与形成于光活性层中的空穴复合以实现高效率。
附图说明
图1和图2示出根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池的堆叠结构。
图3示出如实施例1中形成的光活性层根据波长的光吸收和根据实施例1制造的器件的外部照片。
图4示出了如实施例1中制造的光活性层的表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图5示出了根据实施例2-1制造的太阳能电池和根据比较例1制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。
图6示出了根据实施例2-2制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。
图7示出了实施例2-2中的太阳能电池的截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图8示出了根据实施例2-3制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。
图9示出了根据实施例2-4制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。
具体实施方式
在本说明书中当一个构件设置在另一个构件“上”时，这不仅包括一个构件与另一个构件相接触的情况，还包括在两个构件之间还存在另一个构件的情况。
在本说明书中当一个部件“包括”一个组成元件时，除非另有明确描述，否则这并不意味着排除了另一个组成元件，而是指还可以包括另一个组成元件。
下文中，将更详细地描述本说明书。
本说明书的一个示例性实施方案提供了一种太阳能电池，其包括：阳极；设置成面对阳极的阴极；以及设置在阳极和阴极之间的光活性层，所述光活性层包含具有钙钛矿结构的化合物，
其中至少一个第一有机材料层和至少一个第二有机材料层交替地设置在阳极和光活性层之间，所述第一有机材料层包含由以下化学式1表示的化合物，所述第二有机材料层包含HOMO能级为-5eV或更小的空穴传输材料。
[化学式1]
在化学式1中，
R1至R6各自独立地选自氢、卤素基团、腈基(-CN)、硝基(-NO2)、磺酰基(-SO2R)、亚砜基(-SOR)、磺酰胺基(-SO2NR2)、磺酸酯基(-SO3R)、三氟甲基(-CF3)、酯基(-COOR)、酰胺基(-CONHR或-CONRR′)、经取代或未经取代的直链或支链的C1至C12烷氧基、经取代或未经取代的直链或支链的C1至C12烷基、经取代或未经取代的直链或支链的C2至C12烯基、经取代或未经取代的芳香族或非芳香族杂环基、经取代或未经取代的芳基、经取代或未经取代的单芳基胺基或二芳基胺基，以及经取代或未经取代的芳烷基胺基，以及
R和R′选自经取代或未经取代的C1至C60烷基、经取代或未经取代的芳基，以及经取代或未经取代的5元至7元杂环基。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层可以通过使用由化学式1表示的材料形成。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层可以通过包含由化学式1表示的化合物作为主体材料来形成。此外，根据本说明书的一个示例性实施方案，除了由化学式1表示的化合物之外，第一有机材料层还可以包含另外的材料或杂质。
第一有机材料层可以用于将电子从阳极有效地转移到第二有机材料层。另外，第一有机材料层可以用于使构成光活性层的具有钙钛矿结构的化合物均匀地形成。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层中的任一者可以设置成直接与阳极相接触。具体地，设置成直接与阳极相接触的第一有机材料层可以是阳极缓冲层。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第二有机材料层可以通过使用HOMO能级为-5eV或更小的空穴传输材料来形成。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第二有机材料层可以通过包含空穴传输材料作为主体材料来形成。此外，根据本说明书的一个示例性实施方案，除了空穴传输材料之外，第二有机材料层还可以包含另外的材料或杂质。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第二有机材料层的HOMO能级可以为-5eV或更小。
第二有机材料层可以用于防止自光活性层产生的电子移动到第一有机材料层。具体地，当不设置第二有机材料层时，在光活性层中形成的电子移动到光活性层和第一有机材料层之间的界面，抑制光活性层中形成的空穴与从阳极注入的电子复合，从而降低太阳能电池的效率。也就是说，第二有机材料层可以用于阻挡光活性层中形成的电子中断正常的空穴提取路径。
当第二有机材料层的HOMO能级为-5eV或更小时，可以阻挡光活性层中形成的电子，并且可以允许从阳极注入的电子平稳地移动。
此外，第二有机材料层不妨碍第一有机材料层的作用，所述第一材料层可以使得具有钙钛矿结构的化合物能够均匀地形成。具体地，即使将第二有机材料层设置在第一有机材料层上，也可以均匀地形成具有钙钛矿结构的化合物。
根据本说明书的一个示例性实施方案，可以将任一个第二有机材料层设置成直接与光活性层相接触。
在本说明书中，术语“设置成直接与......相接触”是指将两个构件设置成物理上彼此相接触。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层和第二有机材料层可以依次设置在阳极和光活性层之间。具有上述结构的太阳能电池的一个实例示于图1中。具体地，图1示出了第一有机材料层410和第二有机材料层510依次设置在阳极100和光活性层300之间，并且阴极200设置在光活性层300上。根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池不限于图1中的堆叠结构，并且还可以包括另外的层如阴极缓冲层。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层、第二有机材料、第一有机材料层和第二有机材料可以依次设置在阳极和光活性层之间。具有上述结构的太阳能电池的一个实例示于图2中。具体地，图2示出了第一有机材料层410、第二有机材料层510、第一有机材料层420和第二有机材料层520依次设置在阳极100和光活性层300之间，并且阴极200设置在光活性层300上。根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池不限于图2中的堆叠结构，并且还可以包括另外的层如阴极缓冲层。
根据本说明书的一个示例性实施方案，由化学式1表示的化合物的LUMO能级与空穴传输材料的HOMO能级之差可以为0.5eV或更小。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，由化学式1表示的化合物的LUMO能级与空穴传输材料的HOMO能级之差可以为0.2eV或更小。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层的LUMO能级与第二有机材料层的HOMO能级之差可以为0.5eV或更小。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层的LUMO能级与第二有机材料层的HOMO能级之差可以为0.2eV或更小。
根据本说明书的一个示例性实施方案的太阳能电池，通过在第二有机材料层的空穴传输材料的HOMO处的能带弯曲形成内建电势，从而使得平稳地提取空穴。当由化学式1表示的化合物的LUMO能级与空穴传输材料的HOMO能级之差为0.5eV或更小时，平稳地提取空穴，从而有助于提高太阳能电池的性能。当由化学式1表示的化合物的LUMO能级与空穴传输材料的HOMO能级之差超过0.5eV时，存在的问题为，因为在第二有机材料层的空穴传输材料的HOMO处没有平稳地形成能带弯曲现象，因而不能平稳地提取空穴。
根据本说明书的一个示例性实施方案，所述至少一个第二有机材料层还可以包含功函数为4.5eV或更小的材料。
根据本说明书的一个示例性实施方案，功函数为4.5eV或更小的材料可以是金属卤化物。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，功函数为4.5eV或更小的材料可以是金属卤化物如CuI。
功函数为4.5eV或更小的材料可以在第二有机材料层中充当p型掺杂剂。具体地，当第二有机材料层中还包含功函数为4.5eV或更小的材料时，可以增加空穴密度，由此提高空穴迁移率。此外，当第二有机材料层中还包含功函数为4.5eV或更小的材料时，可以在第二有机材料层的空穴传输材料的HOMO处有效地产生能带弯曲现象。
根据本说明书的一个示例性实施方案，化学式1的R1至R6全部可以是腈基(-CN)。
另外，根据本说明书的一个示例性实施方案，由化学式1表示的化合物可以是以下化学式1-1至1-6中的任一者。
[化学式1-1]
[化学式1-2]
[化学式1-3]
[化学式1-4]
[化学式1-5]
[化学式1-6]
根据本说明书的一个示例性实施方案，HOMO能级为-5eV或更小的材料可以是由以下化学式A表示的化合物。
[化学式A]
在化学式A中，Ar1、Ar2和Ar3各自独立地为氢，或经取代或未经取代的烃基。在这种情况下，Ar1、Ar2和Ar3中的至少一者可以包含芳烃取代基，并且取代基可以彼此相同，并且可以由不同的取代基构成。在Ar1、Ar2和Ar3中，不是芳烃的那些可以是氢；直链、支链或环状的脂肪族烃；或者经取代或未经取代的包含N、O、S或Se的杂环基。
根据本说明书的一个示例性实施方案，HOMO能级为-5eV或更小的材料可以是以下化合物，但不限于此。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层的厚度可以为1nm至100nm。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层的厚度可以为5nm至50nm。更具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第一有机材料层的厚度可以为5nm至30nm。
当第一有机材料层的厚度为1nm或更大时，第一有机材料层可以在太阳能电池中工作。具体地，当第一有机材料层的厚度为5nm或更大时，形成了更合适的层，并且可以提高太阳能电池的性能。
根据本说明书的一个示例性实施方案，第二有机材料层的厚度可以为5nm至100nm。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第二有机材料层的厚度可以为5nm至50nm。更具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，第二有机材料层的厚度可以为5nm至20nm。
根据本说明书的一个示例性实施方案，还可以在阴极和光活性层之间设置一个或更多个电子传输层。
根据本说明书的一个示例性实施方案，在阴极和光活性层之间还可以包括包含金属化合物的金属化合物层。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，设置在阴极和光活性层之间的金属氧化物层可以包含TiO2和/或ZnO2。
根据本说明书的一个示例性实施方案，具有钙钛矿结构的化合物可以满足以下结构式1-1。
[结构式1-1]
A B(1-y)B′y X(3-Z)X′Z
A是经取代或未经取代的一价氮离子、经取代或未经取代的一价碳离子以及碱金属离子或碱土金属离子，B和B′各自独立地为过渡金属的阳离子，并且X和X′各自独立地为选自第XVI族和第XVII族的元素的阴离子，0≤y≤1，并且0≤z≤3。
根据本说明书的一个示例性实施方案，过渡金属的阳离子可以是源自Pb、Sn、Ti、Nb、Zr或Ce的阳离子。
根据本说明书的一个示例性实施方案，A可以是由以下化学式2-1表示的一价离子。
[化学式2-1]
[A′pA″(1-p)]+
A′和A″各自独立地为Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Be2+、Ca2+、Sr2+或Ba2+，并且0≤p≤1。
根据本说明书的一个示例性实施方案，A可以是由以下化学式2-2表示的一价离子。
[化学式2-2]
在化学式2-2中，
R11为经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、经取代或未经取代的具有3至20个碳原子的环烷基，或者经取代或未经取代的具有6至20个碳原子的芳基，以及
R12至R14各自独立地为氢、经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、经取代或未经取代的具有3至20个碳原子的环烷基，或者经取代或未经取代的具有6至20个碳原子的芳基。
根据本说明书的一个示例性实施方案，A可以是由以下化学式2-3表示的一价离子。
[化学式2-3]
在化学式2-3中，
R15和R16为经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、经取代或未经取代的具有3至20个碳原子的环烷基、经取代或未经取代的具有6至20个碳原子的芳基，或NR′R″，以及
R′和R″各自独立地为氢、经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基，或者经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷氧基。
根据本说明书的一个示例性实施方案，具有钙钛矿结构的化合物满足以下结构式2-1至2-6中的任一者：
[结构式2-1]
CH3NH3PbX(3-Z)X′Z
[结构式2-2]
HC(NH2)2PbX(3-Z)X′Z
[结构式2-3]
CH3NH3SnX(3-Z)X′Z
[结构式2-4]
HC(NH2)2SnX(3-Z)X′Z
[结构式2-5]
CH3NH3PbySn(1-y)X(3-Z)X′Z
[结构式2-6]
HC(NH2)2PbySn(1-y)X(3-Z)X′Z
在结构式2-1至2-6中，X和X′各自独立地为卤素离子，y为0至1的实数，z为0至3的实数。
根据本说明书的一个示例性实施方案，光活性层还可以包含金属氧化物。
根据本说明书的一个示例性实施方案，所述太阳能电池还包括基底，并且可以在所述基底上设置所述阳极或所述阴极。
根据本说明书的一个示例性实施方案，太阳能电池可以是具有正常结构的太阳能电池，其中基底上设置有阳极，并且面对所述阳极设置有阴极。具体地，在具有正常结构的太阳能电池的情况下，阳极可以是导电氧化物如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。此外，在具有正常结构的太阳能电池的情况下，阴极可以是包含选自以下的一者或更多者的金属电极：银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、钨(W)、铜(Cu)、钼(Mo)、金(Au)、镍(Ni)和钯(Pd)。
另外，根据本说明书的一个示例性实施方案，太阳能电池可以是具有倒置结构的太阳能电池，其中基底上设置有阴极，面对所述阴极设置有阳极。具体地，在具有倒置结构的太阳能电池的情况下，阴极可以是导电氧化物如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。此外，在具有倒置结构的太阳能电池的情况下，阳极可以是包含选自以下的一者或更多者的金属电极：银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、钨(W)、铜(Cu)、钼(Mo)、金(Au)、镍(Ni)和钯(Pd)。
正常结构和倒置结构可以具有与一般有机太阳能电池中的正常结构和倒置结构相同的含义。
根据本说明书的一个示例性实施方案，正常结构或倒置结构可以根据设置在基底上的电极的功函数和设置成面对所述电极的金属电极的功函数来确定。具体地，当通过后处理过程等控制功函数时，导电氧化物层如ITO可以是阳极或阴极。
根据本说明书的一个示例性实施方案，太阳能电池在阳极和阴极之间还可以包括选自以下的一个或更多个层：空穴注入层、空穴传输层、电子阻挡层、电子传输层和电子注入层。
根据本说明书的一个示例性实施方案，太阳能电池可以通过使用沉积法来制造。具体地，根据本说明书的一个示例性实施方案，存在的优点为，太阳能电池可以通过一种方法容易地制造，因为设置在基底上的全部各层可以通过使用沉积法来形成。
本发明的实施方式
下文中，将参照用于具体描述本说明书的实施例详细描述本说明书。然而，根据本说明书的实施例可以以多种形式进行修改，并且应解释为本说明书的范围不限于下述实施例。提供本说明书的实施例是为了向本领域普通技术人员更完整地描述本说明书。
实施例1
清洗涂覆有ITO的玻璃基底，然后用UV-O3处理30分钟，以制备其上形成有ITO的基底。然后，通过沉积法在ITO上依次形成由通过化学式1-1表示的化合物构成的第一有机材料层(30nm)和由N，N′-二(1-萘基)-N，N′-二苯基-(1，1′-联苯基)-4，4′-二胺(NPB)构成的第二有机材料层(20nm)。
然后，将PbI2的沉积速率固定为0.1nm/秒，缓慢升高CH3NH3I(MAI，甲基碘化铵)的温度(至130℃)，然后在7×10-5托至1×10-4托的腔室气氛下进行沉积，从而形成由具有钙钛矿结构的化合物构成的光活性层，基于PbI2厚度传感器其厚度为160nm。
图3示出如实施例1中形成的光活性层根据波长的光吸收和根据实施例1制造的器件的外部照片。具体地，图3比较了仅由PbI2形成的光活性层和由具有钙钛矿结构的化合物构成的光活性层的光吸收度。
根据图3，可以确认如实施例1中制造的光活性层具有优异的光吸收度。也就是说，可以看出，即使通过沉积法在有机材料层上形成具有钙钛矿结构的化合物，也显示出优异的光吸收能力。
此外，图4示出了如实施例1中制造的光活性层的表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。根据图4，可以看出，即使通过沉积法在有机材料层上形成具有钙钛矿结构的化合物，该化合物也均匀地形成，而没有缺陷区域如针孔。
[实施例2-1]
清洗涂覆有ITO的玻璃基底，然后用UV-O3处理30分钟，以制备其上形成有ITO的基底。然后，通过沉积法在ITO上依次形成由通过化学式1-1表示的化合物构成的第一有机材料层(30nm)和由N，N′-二(1-萘基)-N，N′-二苯基-(1，1′-联苯基)-4，4′-二胺(NPB)构成的第二有机材料层(20nm)。
然后，将PbI2的沉积速率固定为0.1nm/秒，缓慢升高CH3NH3I(MAI，甲基碘化铵)的温度(至130℃)，然后在7×10-5托至1×10-4托的腔室气氛下进行沉积，以形成由具有钙钛矿结构的化合物构成的光活性层，基于PbI2厚度传感器其厚度为160nm。
此外，通过在光活性层上沉积C60(90nm)、浴铜灵(BCP)(8nm)和Al(100nm)来制造具有正常结构的太阳能电池。
[比较例1]
具有正常结构的太阳能电池以与实施例2-1相同的方法制造，不同之处在于，不形成第二有机材料层。
图5示出了根据实施例2-1制造的太阳能电池和根据比较例1制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。在图5中，使用其上穿有直径为5mm的圆形孔的盖板限制光入射的面积，然后测试太阳能电池的性能。
根据图5的结果，可以看出，其中未设置有第二有机材料层的比较例1的太阳能电池的性能明显劣化，并且可以确认，第二有机材料层用于通过阻挡光活性层中形成的电子的移动来平稳地使太阳能电池复合。
[实施例2-2]
太阳能电池以与实施例2-1相同的方式制造，不同之处在于，形成由具有钙钛矿结构的化合物构成的光活性层以具有390nm的厚度。
对于根据实施例2-2的太阳能电池的性能，最大开路电压为1.05V，最大短路电流为19.3mA/cm2，填充因子(FF)为70％，并且最大能量转化效率(PCE)为14.1％。
图6示出了根据实施例2-2制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。在图6中，使用其上穿有直径为5mm的圆形孔的盖板限制光入射的面积，然后测试太阳能电池的性能。
图7示出了实施例2-2中的太阳能电池的截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。根据图7可以确认，形成光活性层的具有钙钛矿结构的化合物的晶体均匀地形成而没有短路区域。在图7中，附图标记101表示由化学式1-1表示的化合物。
[实施例2-3]
具有正常结构的太阳能电池以与实施例2-1相同的方式制造，不同之处在于，在ITO上依次沉积第一有机材料层、第二有机材料层、第一有机材料层和第二有机材料层。
图8示出了根据实施例2-3制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。在图8中，使用其上穿有直径为5mm的圆形孔的盖板限制光入射的面积，然后测试太阳能电池的性能。
对于根据实施例2-3的太阳能电池的性能，最大开路电压为1.06V，最大短路电流为21.5mA/cm2，填充因子(FF)为59.5％，并且最大能量转化效率(PCE)为13.4％。
[实施例2-4]
清洗涂覆有ITO的玻璃基底，以制备其上形成有ITO的基底(不进行UV-O3处理)。然后，在ITO上沉积包含20重量％的n型掺杂剂的C60(10nm)和C60(20nm)，将PbI2的沉积速率固定为0.1nm/秒，缓慢升高CH3NH3I(MAI，甲基碘化铵)的温度(至130℃)，然后在7×10-5托至1×10-4托的腔室气氛下进行沉积，以形成由具有钙钛矿结构的化合物构成的光活性层，基于PbI2厚度传感器其厚度为160nm。
具有倒置结构的太阳能电池通过以下步骤制造：在光活性层上沉积由N，N′-二(1-萘基)-N，N′-二苯基-(1，1′-联苯基)-4，4′-二胺(NPB)构成的第二有机材料层(20nm)和由通过化学式1-1表示的化合物构成的第一有机材料层(30nm)，然后在其上沉积Al(100nm)。
图9示出了根据实施例2-4制造的太阳能电池的电压-电流密度的测量结果。在图9中，使用其上穿有直径为5mm的圆形孔的盖板限制光入射的面积，然后测试太阳能电池的性能。
对于根据实施例2-4的太阳能电池的性能，最大开路电压为1.03V，最大短路电流为17.4mA/cm2，填充因子(FF)为62％，并且最大能量转化效率(PCE)为11.1％。
<附图标记>
100：阳极
200：阴极
300：光活性层
410、420：第一有机材料层
510、520：第二有机材料层

Claims (16)

1.一种太阳能电池，包括：
阳极；
设置成面对所述阳极的阴极；以及
设置在所述阳极和所述阴极之间的光活性层，所述光活性层包含具有钙钛矿结构的化合物，
其中在所述阳极和所述光活性层之间交替地设置有至少一个第一有机材料层和至少一个第二有机材料层，
所述第一有机材料层包含由以下化学式1表示的化合物，以及
所述第二有机材料层包含HOMO能级为-5eV或更小的空穴传输材料：
[化学式1]
在化学式1中，
R1至R6各自独立地选自氢、卤素基团、腈基、硝基、磺酰基、亚砜基、磺酰胺基、磺酸酯基、三氟甲基、酯基、酰胺基、经取代或未经取代的直链或支链的C1至C12烷氧基、经取代或未经取代的直链或支链的C1至C12烷基、经取代或未经取代的直链或支链的C2至C12烯基、经取代或未经取代的芳香族或非芳香族杂环基、经取代或未经取代的芳基、经取代或未经取代的单芳基胺基或二芳基胺基，以及经取代或未经取代的芳烷基胺基。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一有机材料层中的任一者被设置成直接与所述阳极相接触。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第二有机材料层中的任一者被设置成直接与所述光活性层相接触。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一有机材料层和所述第二有机材料层依次设置在所述阳极和所述光活性层之间。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一有机材料层、所述第二有机材料层、所述第一有机材料层以及所述第二有机材料层依次设置在所述阳极和所述光活性层之间。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中由化学式1表示的所述化合物的LUMO能级与所述空穴传输材料的HOMO能级之差为0.5eV或更小。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述至少一个第二有机材料层还包含功函数为4.5eV或更小的材料。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一有机材料层的厚度为1nm至100nm。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第二有机材料层的厚度为5nm至100nm。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述具有钙钛矿结构的化合物满足以下结构式1-1：
[结构式1-1]
AB(1-y)B′yX(3-Z)X′Z
A是经取代或未经取代的一价氮离子、经取代或未经取代的一价碳离子、以及碱金属离子或碱土金属离子，
B和B′各自独立地为过渡金属的阳离子，以及
X和X′各自独立地为选自第XVI族和第XVII族的元素的阴离子，0≤y≤1，并且0≤z≤3。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中A是由以下化学式2-1表示的一价离子：
[化学式2-1]
[A′pA″(1-p)]+
A′和A″各自独立地为Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Be2+、Ca2+、Sr2+或Ba2+，并且0≤p≤1。
12.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中A是由以下化学式2-2表示的一价离子：
[化学式2-2]
在化学式2-2中，
R11为经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、经取代或未经取代的具有3至20个碳原子的环烷基，或者经取代或未经取代的具有6至20个碳原子的芳基，以及
R12至R14各自独立地为氢、经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、经取代或未经取代的具有3至20个碳原子的环烷基、或者经取代或未经取代的具有6至20个碳原子的芳基。
13.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中A是由以下化学式2-3表示的一价离子：
[化学式2-3]
在化学式2-3中，
R15和R16为经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、经取代或未经取代的具有3至20个碳原子的环烷基、经取代或未经取代的具有6至20个碳原子的芳基、或者NR′R″，以及
R′和R″各自独立地为氢、经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷基、或者经取代或未经取代的具有1至20个碳原子的烷氧基。
14.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述具有钙钛矿结构的化合物满足以下化学式2-1至2-6中的任一者：
[结构式2-1]
CH3NH3PbX(3-Z)X′Z
[结构式2-2]
HC(NH2)2PbX(3-Z)X′Z
[结构式2-3]
CH3NH3SnX(3-Z)X′Z
[结构式2-4]
HC(NH2)2SnX(3-Z)X′Z
[结构式2-5]
CH3NH3PbySn(1-y)X(3-Z)X′Z
[结构式2-6]
HC(NH2)2PbySn(1-y)X(3-Z)X′Z
在化学式2-1至2-6中，
X和X′各自独立地为卤素离子，y为0至1的实数，z为0至3的实数。
15.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述光活性层还包含金属化合物。
16.根据权利要求1所述的太阳能电池，还包括：
基底，
其中在所述基底上设置有所述阳极或所述阴极。
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