CN117156874A - 钙钛矿电池、用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种钙钛矿电池、用电装置；钙钛矿电池包括依次层叠设置的第一电极层、第一载流子传输层、钙钛矿吸收复合层、第二载流子传输层和第二电极层；钙钛矿吸收复合层包括至少两层钙钛矿薄层；相邻两层钙钛矿薄层分别为第一钙钛矿薄层和第二钙钛矿薄层，第一钙钛矿薄层的导带高于第二钙钛矿薄层的导带，第一钙钛矿薄层的价带高于第二钙钛矿薄层的价带，第一钙钛矿薄层的价带低于第二钙钛矿薄层的导带，使得相邻两层钙钛矿薄层之间形成二型能带分布，调控和优化钙钛矿电池的光谱响应范围，提高太阳光能量的利用率。
Description
技术领域
本申请涉及电池领域，具体涉及一种钙钛矿电池、用电装置。
背景技术
由钙钛矿材料所制备的电池，由于生产过程简单、成本低、转换效率高，而成为光伏产业和科研机构的研究热点。
随着技术的发展，单结钙钛矿电池的能量转化效率不断创造新的记录，最高达到了25.7％。但是单一钙钛矿组分只能对特定波长范围内的光谱进行吸收，太阳能光谱吸收利用率低，导致能量利用率低下。
发明内容
本申请提供的钙钛矿电池、用电装置，以提高太阳能的能量利用率。
为了解决上述技术问题，本申请提供的第一个技术方案为：提供一种钙钛矿电池，包括：依次层叠设置的第一电极层、第一载流子传输层、钙钛矿吸收复合层、第二载流子传输层和第二电极层；所述钙钛矿吸收复合层包括至少两层钙钛矿薄层；相邻两层钙钛矿薄层分别为第一钙钛矿薄层和第二钙钛矿薄层，所述第一钙钛矿薄层的导带高于所述第二钙钛矿薄层的导带，所述第一钙钛矿薄层的价带高于所述第二钙钛矿薄层的价带，所述第一钙钛矿薄层的价带低于所述第二钙钛矿薄层的导带。
在一实施方式中，所述第一载流子传输层为电子传输层，所述第二载流子传输层为空穴传输层；沿着所述第一载流子传输层指向所述第二载流子传输层的方向，所述钙钛矿薄层的导带逐渐增大，所述钙钛矿薄层的价带逐渐增大。
在一实施方式中，所述钙钛矿薄层的材料包括无机钙钛矿、有机-无机杂化钙钛矿、多元体系有机-无机杂化钙钛矿中的一种；
优选地，不同的所述钙钛矿薄层的材料不同。
在一实施方式中，所述钙钛矿薄层的材料包括无机钙钛矿；所述无机钙钛矿包括CsPbI3、CsPbI2Br、CsPbIBr2、CsPbBr3、CsSnI3中的至少一种。
在一实施方式中，所述钙钛矿薄层的材料包括有机-无机杂化钙钛矿；所述有机-无机杂化钙钛矿包括FAPbI3、MAPbI3、FAPbBr3、MAPbBr3中的至少一种。
在一实施方式中，所述钙钛矿薄层的材料包括多元体系有机-无机杂化钙钛矿；所述多元体系有机-无机杂化钙钛矿包括Cs0.05FA0.9MA0.05Pb(I0.95Br0.05)3、Cs0.05FA0.95PbI3中的至少一种。
在一实施方式中，所述钙钛矿吸收复合层还包括缓冲层，所述缓冲层设于相邻两层所述钙钛矿薄层之间。
在一实施方式中，所述缓冲层的材料为绝缘介电材料；
优选地，所述缓冲层的材料包括Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx，HfO2中的至少一种。
在一实施方式中，所述钙钛矿薄层的厚度为250nm-350nm；和/或所述缓冲层的厚度为1nm-10nm；
优选地，所述钙钛矿吸收复合层的厚度为600nm-700nm。
为了解决上述技术问题，本申请提供的第二个技术方案为：提供一种用电装置，包括上述任一项所述的钙钛矿电池。
本申请的有益效果：区别于现有技术，本申请公开了一种钙钛矿电池、用电装置；钙钛矿电池包括依次层叠设置的第一电极层、第一载流子传输层、钙钛矿吸收复合层、第二载流子传输层和第二电极层；钙钛矿吸收复合层包括至少两层钙钛矿薄层；相邻两层钙钛矿薄层分别为第一钙钛矿薄层和第二钙钛矿薄层，第一钙钛矿薄层的导带高于第二钙钛矿薄层的导带，第一钙钛矿薄层的价带高于第二钙钛矿薄层的价带，第一钙钛矿薄层的价带低于第二钙钛矿薄层的导带，使得相邻两层钙钛矿薄层之间形成二型能带分布，调控和优化钙钛矿电池的光谱响应范围，提高太阳光能量的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请第一实施例提供的钙钛矿电池的结构示意图；
图2是图1所述的钙钛矿电池的相邻两层钙钛矿薄层之间的能带分布示意图；
图3是图1所示的钙钛矿电池的工作原理示意图，图4是部分钙钛矿材料的能带分布图；
图4是部分钙钛矿材料的能带分布图；
图5是本申请第二实施例提供的钙钛矿电池的结构示意图；
图6是图5所示的钙钛矿电池的工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果所述特定姿态发生改变时，则所述方向性指示也相应地随之改变。本申请实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现所述短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合附图和实施例对本申请进行详细的说明。
请参阅图1-图4，图1是本申请第一实施例提供的钙钛矿电池的结构示意图，图2是图1所述的钙钛矿电池的相邻两层钙钛矿薄层之间的能带分布示意图，图3是图1所示的钙钛矿电池的工作原理示意图，图4是部分钙钛矿材料的能带分布图。
钙钛矿电池包括依次层叠设置的第一电极层11、第一载流子传输层12、钙钛矿吸收复合层13、第二载流子传输层14和第二电极层15。钙钛矿吸收复合层13包括至少两层钙钛矿薄层131。相邻的两层钙钛矿薄层131之间形成二型能带分布(Type-II能带分布)；具体地，相邻的两层钙钛矿薄层131分布为第一钙钛矿薄层131a和第二钙钛矿薄层131b，第一钙钛矿薄层131a的导带(Conduction Band，CB)高于第二钙钛矿薄层131b的导带，第一钙钛矿薄层131a的价带(Valence Band，VB)高于第二钙钛矿薄层131b的价带，第一钙钛矿薄层的价带低于第二钙钛矿薄层的导带。需要说明的是，本实施例中，相邻两层钙钛矿薄层131之间没有其他膜层，相邻两层钙钛矿薄层131接触。
在一实施方式中，第一载流子传输层12为电子传输层，第二载流子传输层14为空穴传输层，第一电极层11为阴极层，第二电极层15为阳极层。可选的，第二载流子传输层14(即，空穴传输层)的材料包括NiOx；第二载流子传输层14的材料不限于NiOx，例如还可以是MeOTAD等。可选的，第一载流子传输层12(即，电子传输层)的材料包括SnO2；第一载流子传输层12的材料不限于SnO2，例如还可以是TiO2、ZnO、ZnS等。可选的，第一电极层11为阴极层，阴极层的材料包括ITO、FTO中的至少一种；阴极层的材料并不限于ITO，例如还可以是AZO等。可选的，第二电极层15为阳极层，阳极层的材料包括ITO，Ag、Al、Au中的至少一种；阳极层的材料并不限于上述材料，例如还可以是Mg、Zn等。
下面以第一载流子传输层12为电子传输层，第二载流子传输层14为空穴传输层，第一电极层11为阴极层，第二电极层15为阳极层为例，对钙钛矿电池进行详细介绍。
钙钛矿电池的工作原理为：光照条件下，钙钛矿吸收复合层13吸收光子，电子从价带跃迁到导带，随后以极快的速度注入到第一载流子传输层12，对应空穴被传输至第二载流子传输层14；然后电子和空穴分别被第一电极层11和第二电极层15收集，接上负载后，钙钛矿电池便可对外做功。具体地，包括：(1)光子吸收过程：受到太阳光辐射时，钙钛矿吸收复合层13吸收光子产生受库仑力作用束缚的电子-空穴对，即激子；(2)激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处，会在整个晶体内运动(即，在钙钛矿吸收复合层13内运动)，激子的扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩散到钙钛矿吸收复合层13与其他膜层的界面处；(3)激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿吸收复合层13与第一载流子传输层12、第二载流子传输层14的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，进而成为自由载流子；(4)载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过第一载流子传输层12向第一电极层11传输，自由空穴通过第二载流子传输层14向第二电极层15传输；(5)电荷收集过程：自由电子通过第一载流子传输层12后被第一电极层11收集，自由空穴通过第二载流子传输层14后被第二电极层15收集，第一电极层11与第二电极层15之间形成电势差，钙钛矿电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。
在本实施例中，沿着第一载流子传输层12指向第二载流子传输层14的方向，多层钙钛矿薄层131的导带逐渐增大，多层钙钛矿薄层131的价带逐渐增大。也就是说，具有较高导带的钙钛矿薄层131靠近第二载流子传输层14，具有较低价带的钙钛矿薄层131靠近第一载流子传输层12，以实现自由电子向第一载流子传输层12传输，空穴向第二载流子传输层14传输。
通过将钙钛矿吸收复合层13设置为多层钙钛矿薄层131结构，且相邻的两层钙钛矿薄层131之间符合Type-II能带分布，避免单一钙钛矿组分对太阳能光谱的局部窄吸收和低的能量转化效率，调控和优化钙钛矿吸收复合层13光谱响应范围，可以吸收不同太阳光光谱波长区间的光子，提升钙钛矿电池整体光谱吸收效率和能量转化效率，提高了太阳光能量的利用率。
将相邻的两层钙钛矿薄层131之间设计为符合Type-II能带分布，两层钙钛矿薄层131分别吸收光子并产生激子，激子在第一钙钛矿薄层131a与第二钙钛矿薄层131b界面处、第一钙钛矿薄层131a与第二载流子传输层14界面处、第二钙钛矿薄层131b与第一载流子传输层12界面处解离形成自由载流子，第一钙钛矿薄层131a的自由电子向第二钙钛矿薄层131b传输，第二钙钛矿薄层131b的自由电子向第一载流子传输层12传输，进而被第一电极层11收集；第二钙钛矿薄层131b的空穴向第一钙钛矿薄层131a传输，第一钙钛矿薄层131a的空穴向第二载流子传输层14传输，进而被第二电极层15收集，提高了自由载流子的分离效率，提升了钙钛矿光伏器件的功率转换效率，进而提升了器件性能。
在一实施方式中，钙钛矿吸收复合层13仅包括第一钙钛矿薄层131a和第二钙钛矿薄层131b。可选的，第一钙钛矿薄层131a的材料与第二钙钛矿薄层131b的材料相同，通过对第一钙钛矿薄层131a的材料或第二钙钛矿薄层131b的材料进行处理，以使第一钙钛矿薄层131a与第二钙钛矿薄层131b之间形成Type-II能带分布。可选的，第一钙钛矿薄层131a的材料与第二钙钛矿薄层131b的材料不同，能够使第一钙钛矿薄层131a与第二钙钛矿薄层131b之间形成Type-II能带分布即可。
在一实施方式中，不同的钙钛矿薄层131的材料不同。通过对每层钙钛矿薄层131的材料进行设计，使得钙钛矿吸收复合层13中相邻的钙钛矿薄层131之间形成Type-II能带分布。
在一实施方式中，每层钙钛矿薄层131的材料包括无机钙钛矿、有机-无机杂化钙钛矿、多元体系有机-无机杂化钙钛矿中的一种。可选的，钙钛矿薄层131的材料包括无机钙钛矿时，无机钙钛矿包括CsPbI3、CsPbI2Br、CsPbIBr2、CsPbBr3、CsSnI3中的至少一种。可选的，钙钛矿薄层131的材料包括有机-无机杂化钙钛矿；有机-无机杂化钙钛矿包括FAPbI3、MAPbI3、FAPbBr3、MAPbBr3中的至少一种。可选的，钙钛矿薄层131的材料包括多元体系有机-无机杂化钙钛矿；多元体系有机-无机杂化钙钛矿包括Cs0.05FA0.9MA0.05Pb(I0.95Br0.05)3、Cs0.05FA0.95PbI3中的至少一种。请参阅图4，图4中给出了几种钙钛矿材料的能带分布图，其中EC表示导带，EV表示价带。需要说明的是，每层钙钛矿薄层131的材料包括但不限于上述提供的材料，只需使相邻的两层钙钛矿薄层131之间形成Type-II能带分布即可。
在一实施方式中，沿着第一载流子传输层12指向第二载流子传输层14的方向，第二钙钛矿薄层131b的能带高于第一载流子传输层12的能带，第二载流子传输层14的能带高于第一钙钛矿薄层131a的能带；其中，能带包括价带和导带。
在一实施方式中，钙钛矿吸收复合层13的厚度为600nm-700nm。钙钛矿吸收复合层13的厚度在上述范围内能够达到较高的转换效率。钙钛矿吸收复合层13的厚度越大，有利于减少光的透过，从而增加对光吸收率，从而增大短路电流；但随着厚度的增加，电子传输路径也会增加，也就会导致电子在传输过程中被复合的几率增加，从而导致开路电压减小。
在一实施方式中，每层钙钛矿薄层131的厚度为250nm-350nm。需要说明的是，每层钙钛矿薄层131的厚度可以相同可以不同，多层钙钛矿薄层131配合形成的钙钛矿吸收复合层13的厚度满足600nm-700nm即可。
现以钙钛矿吸收复合层13仅包括第一钙钛矿薄层131a和第二钙钛矿薄层131b为例，钙钛矿电池的形成工艺流程为：获取衬底(可选的，衬底为刚性衬底；示例，衬底为玻璃衬底)；在衬底的表面形成导电薄膜，导电薄膜形成第二电极层15；在导电薄膜的表面采用涂布或物理沉积的方式形成第二载流子传输层14；采用物理气相沉积(PVD)或溶液涂布的方式在第二载流子传输层14表面沉积形成250nm-350nm的第一钙钛矿薄层131a；采用物理气相沉积(PVD)或溶液涂布的方式在第一钙钛矿薄层131a表面沉积形成250nm-350nm的第二钙钛矿薄层131b；采用涂布或物理沉积在第二钙钛矿薄层131b的表面形成第一载流子传输层12；最后在第一载流子传输层12的表面采用沉积的方式形成第一电极层11。
需要说明的是，本申请实施例提供的钙钛矿电池即适用于正式结构，也适用于反式结构。上述介绍的钙钛矿电池的形成工艺流程为从第一电极层11指向第二电极层15的方向制备，也可以从第二电极层15指向第一电极层11的方向制备，适应性改变工艺和材料即可。
请参阅图5和图6，图5是本申请第二实施例提供的钙钛矿电池的结构示意图，图6是图5所示的钙钛矿电池的工作原理示意图。
本申请第二实施例提供的钙钛矿电池的结构与本申请第一实施例提供的钙钛矿电池的结构基本相同，不同之处在于：第二实施例提供的钙钛矿电池的钙钛矿吸收复合层13还包括缓冲层132，缓冲层132设于相邻两层钙钛矿薄层131之间。相同部分可参见上述内容，不再赘述。
通过在相邻两层钙钛矿薄层131之间设置缓冲层132，防止相邻两层钙钛矿薄层131之间互混，降低钙钛矿薄层131表面的缺陷密度，提升器件稳定性。需要说明的是，在沉积形成钙钛矿薄层131的过程中，钙钛矿薄层131的表面可能会存在带电子的离子，形成缺陷；带电子的离子会影响载流子的传输，不利于功率转换效率。
缓冲层132的材料为绝缘介电材料，以使缓冲层132具有优异的的电子隧穿特性，能够保证相邻两层钙钛矿薄层131之间的电子、空穴传输不受影响，以及不影响多层钙钛矿薄层131吸光。
在一实施方式中，缓冲层132的材料包括Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx，HfO2中的至少一种。通过选用上述材料，可以采用物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或分子束外延(MBE)工艺直接在钙钛矿薄层131表面沉积形成缓冲层132，不需要转移，利于简化钙钛矿电池的形成工艺。
在一实施方式中，缓冲层132的厚度为1nm-10nm。缓冲层132的厚度小于1nm，不能完全覆盖住钙钛矿薄层131，达不到防止相邻两层钙钛矿薄层131之间互混，降低钙钛矿薄层131表面的缺陷密度的效果。缓冲层132的厚度大于10nm，会影响载流子传输。
在一实施方式中，缓冲层132的能带高于第二钙钛矿薄层131b的能带，第一钙钛矿薄层131a的能带高于缓冲层132的能带；其中，能带包括价带和导带。
现以钙钛矿吸收复合层13仅包括第一钙钛矿薄层131a和第二钙钛矿薄层131b为例，钙钛矿电池的形成工艺流程为：获取衬底(可选的，衬底为刚性衬底；示例，衬底为玻璃衬底)；在衬底的表面形成导电薄膜，导电薄膜形成第二电极层15；在导电薄膜的表面采用涂布或物理沉积的方式形成第二载流子传输层14；采用物理气相沉积(PVD)或溶液涂布的方式在第二载流子传输层14表面沉积形成250nm-350nm的第一钙钛矿薄层131a；采用物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)或分子束外延(MBE)工艺的方式在第一钙钛矿薄层131a的表面沉积形成1nm-10nm的缓冲层132；采用物理气相沉积(PVD)或溶液涂布的方式在缓冲层132表面沉积形成250nm-350nm的第二钙钛矿薄层131b；采用涂布或物理沉积在第二钙钛矿薄层131b的表面形成第一载流子传输层12；最后在第一载流子传输层12的表面采用沉积的方式形成第一电极层11。
本申请实施例还提供了一种用电装置，用电装置包括上述实施例介绍的钙钛矿电池。
以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种钙钛矿电池，其特征在于，包括：依次层叠设置的第一电极层、第一载流子传输层、钙钛矿吸收复合层、第二载流子传输层和第二电极层；所述钙钛矿吸收复合层包括至少两层钙钛矿薄层；
相邻两层钙钛矿薄层分别为第一钙钛矿薄层和第二钙钛矿薄层，所述第一钙钛矿薄层的导带高于所述第二钙钛矿薄层的导带，所述第一钙钛矿薄层的价带高于所述第二钙钛矿薄层的价带，所述第一钙钛矿薄层的价带低于所述第二钙钛矿薄层的导带。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述第一载流子传输层为电子传输层，所述第二载流子传输层为空穴传输层；沿着所述第一载流子传输层指向所述第二载流子传输层的方向，所述钙钛矿薄层的导带逐渐增大，所述钙钛矿薄层的价带逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿薄层的材料包括无机钙钛矿、有机-无机杂化钙钛矿、多元体系有机-无机杂化钙钛矿中的一种；
优选地，不同的所述钙钛矿薄层的材料不同。
4.根据权利要求3所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿薄层的材料包括无机钙钛矿；所述无机钙钛矿包括CsPbI3、CsPbI2Br、CsPbIBr2、CsPbBr3、CsSnI3中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿薄层的材料包括有机-无机杂化钙钛矿；所述有机-无机杂化钙钛矿包括FAPbI3、MAPbI3、FAPbBr3、MAPbBr3中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿薄层的材料包括多元体系有机-无机杂化钙钛矿；所述多元体系有机-无机杂化钙钛矿包括Cs0.05FA0.9MA0.05Pb(I0.95Br0.05)3、Cs0.05FA0.95PbI3中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿吸收复合层还包括缓冲层，所述缓冲层设于相邻两层所述钙钛矿薄层之间。
8.根据权利要求7所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述缓冲层的材料为绝缘介电材料；
优选地，所述缓冲层的材料包括Al2O3、SiO2、a-Si:H、SiNx，HfO2中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿薄层的厚度为250nm-350nm；和/或所述缓冲层的厚度为1nm-10nm；
优选地，所述钙钛矿吸收复合层的厚度为600nm-700nm。
10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的钙钛矿电池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311100590.0A CN117156874A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 钙钛矿电池、用电装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311100590.0A CN117156874A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 钙钛矿电池、用电装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117156874A true CN117156874A (zh) | 2023-12-01 |
Family
ID=88886151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311100590.0A Pending CN117156874A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 钙钛矿电池、用电装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117156874A (zh) |
-
2023
- 2023-08-29 CN CN202311100590.0A patent/CN117156874A/zh active Pending
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