CN209675334U - 防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，包括依次叠层设置的玻璃基底、透明导电电极层，空穴传输层、钙钛矿光敏层、电子传输层、金属电极层；在所述空穴传输层与钙钛矿光敏层之间还设置有防止反向电子传输层，所述防止反向电子传输层能够将钙钛矿光敏层中产生的空穴拉向钙钛矿光敏层与空穴传输层的界面，并且排斥钙钛矿光敏层中产生的电子向空穴传输层传输。本实用新型提供的电池结构能更有效的降低空穴电子复合，同时又不影响光电流的损失，所以使用本实用新型的方法能更有效的提高钙钛矿太阳能电池的效率。

Description

防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构

技术领域

本实用新型涉及一种钙钛矿太阳能电池结构，特别涉及一种防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，属于光伏器件技术领域。

背景技术

近几年来，钙钛矿太阳能电池在实验室的研究当中，技术越来越成熟，电池的效率也越来越高，目前其效率达到了23.7％的(实际有效面积为0.09cm²)，已经达到了商业化应用的要求。现在，越来越多的科研工作者转向实业去推动钙钛矿太阳能电池的产业化应用，在提高钙钛矿太阳能电池的效率的历程中，防止空穴电子的复合一直是研究者关注的重点及难点。

钙钛矿太阳能电池目前是光伏行业技术推进及革新的热点，在实验室中，此电池的光电转换效率已经达到过了23.7％，且此电池与晶硅电池的叠层电池效率已经超过30％，远远超过晶硅与晶硅的叠层电池的效率。除此之外，钙钛矿太阳能电池还有很多其他独特的优势，比如柔性半透明的特点，这对于以后钙钛矿太阳能电池的应用场景及其他产品开发带了更多的可能性。

空穴电子的复合直接导致电池的光伏参数：开路电压(Voc)，短路电流(Jsc)以及填充因子(FF)的明显下降，特别是对填充因子的影响很大，最终导致钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)的降低。所以，如何能够降低钙钛矿太阳能电池中空穴电子的复合是提高钙钛矿太阳能电池的效率的有效方法。在钙钛矿反置器件中，大部分研究者都是采用在空穴传输层材料上旋涂一层高分子绝缘层材料以实现降低空穴电子复合的目的，虽然此方法能够阻挡一部分电子在空穴传输层界面处的复合，但无法降低载流子在传输过程中的空穴电子的复合，所以对钙钛矿太阳能电池的器件的效率提升及对钙钛矿太阳能电池及组件的填充因子的贡献相对较少。

钙钛矿太阳能电池反置结构从上到下依次为：载体玻璃、透明导电薄膜电极，空穴传输层、钙钛矿光敏层、电子传输层、金属电极。然而在钙钛矿太阳能电池中，当钙钛矿光敏层在光照下产生激子，激子分离产生载流子，而在激子分离过程中以及载流子的分离传输的过程中，都会有大量的载流子(即空穴和电子)复合，从而导致钙钛矿太阳能电池的光伏参数变低，效率变差，所以如何能有效的抑制钙钛矿太阳能电池中空穴电子的复合是一个很重要的需要攻克的难题，而在现有的技术中，更多的科研工作者只是采用一些高分子绝缘材料来阻挡电子向空穴传输层转移进而减少空穴电子在空穴传输层界面处的复合，但是这种方法对于降低空穴电子复合的效率很低，所以寻找其他新的方法来更有效的降低空穴电子在传输过程中的复合就显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中钙钛矿太阳能电池中空穴电子复合的问题，主要提供一种更有效的方式防止空穴电子的复合，从而提高钙钛矿太阳能电池的光伏参数，进而提高钙钛矿太阳能电池及组件的效率及稳定性。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，包括依次叠层设置的玻璃基底、透明导电电极层，空穴传输层、钙钛矿光敏层、电子传输层、金属电极层；在所述空穴传输层与钙钛矿光敏层之间还设置有防止反向电子传输层，所述防止反向电子传输层能够将钙钛矿光敏层中产生的空穴拉向钙钛矿光敏层与空穴传输层的界面，并且排斥钙钛矿光敏层中产生的电子向空穴传输层传输。

进一步的，所述防止反向电子传输层包括主要由n型低温金属氧化物形成的n型低温金属氧化物层。

进一步的，所述n型低温金属氧化物分布在所述空穴传输层的表面。

进一步的，部分所述n型低温金属氧化物分布在空穴传输层晶体之间的缝隙界面处。

进一步的，所述n型低温金属氧化物包括n型低温金属氧化物颗粒，所述n型低温金属氧化物颗粒的平均粒径为10-30nm。

进一步的，所述n型低温金属氧化物包括n型低温氧化钛、n型低温氧化锡、n型低温氧化锌和n型低温氧化铈中的任意一种或两种以上的组合。

进一步的，所述空穴传输层的材质包括金属氧化物，所述金属氧化物包括氧化镍、氧化钨、氧化铜、氧化亚铜中的任意一种或两种以上组合，但不限于此。

优选的，所述空穴传输层的厚度为20-100nm。

进一步的，所述电子传输层的材质包括PCBM。

优选的，所述电子传输层的厚度为40-100nm。

进一步的，所述的钙钛矿太阳能电池结构为反置结构。

与现有技术相比，本实用新型提供的电池结果能更有效的降低空穴电子复合，同时又不影响光电流的损失，所以使用本实用新型的方法能更有效的提高钙钛矿太阳能电池的效率；并且本实用新型所需的n型低温金属氧化物的浓度很低，工艺处理需要的温度较低，时间较短，材料所需的浓度较少，从而大大降低了制备高效钙钛矿太阳能电池及组件的工艺和成本，并有效的提高了钙钛矿太阳能电池及组件的稳定性和寿命。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施案例中一种防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构的结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施案例中的钙钛矿太阳能电池结构中空穴传输层和防止反向电子传输层的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限定本实用新型，本文所使用的术语“及/或”包含一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池，包括载体玻璃(即前述玻璃基底，下同)、设置在所述载体玻璃上的透明导电薄膜电极(即前述透明导电电极，下同)、金属电极，以及位于所述透明导电薄膜玻璃电极与所述金属电极之间的电池主体结构；所述电池主体结构包括钙钛矿光敏层、位于所述钙钛矿光敏层一侧的空穴传输层、在空穴传输层之上的防止反向电子传输层以及位于所述钙钛矿光敏层另一侧的电子传输层。

其中，所述的防止反向电子传输层的材质包括n型低温氧化钛(也可以是其他n型低温金属氧化物，例如n型温氧化锡、n型低温氧化锌和n型低温氧化铈等)，由于低温金属氧化物的纳米颗粒相对较小(平均颗粒粒径在10-30nm之间)，能够很好的涂覆在空穴传输层(氧化镍)的晶体缝隙处，从而减少界面缺陷。此外，由于防止反向电子传输层的n型材料的特性，能够有效的将钙钛矿光敏层产生的空穴拉向空穴传输层同时抑制电子向空穴传输层传输进而有效减少空穴电子在传输过程以及在空穴传输层与钙钛矿光敏层界面处的复合。

具体的，n型低温氧化钛直接涂覆在空穴传输层之上，n型低温氧化钛在空穴传输层(NiOx)的晶体与晶体缝隙交界处。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

参见图1，一种防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构100，包括载体玻璃140、设置在载体玻璃140上的透明导电薄膜电极120、金属电极130、以及位于透明导电薄膜电极120与金属电极130之间的电池主体结构110。其中，电池主体结构110包括钙钛矿光敏层111、位于钙钛矿光敏层111一侧的空穴传输层112、涂覆在空穴传输层112之上的n型低温氧化钛114以及位于钙钛矿光敏层111另一侧的电子传输层113。

其中，载体玻璃140的主要作用是作为透明导电薄膜电极120的载体，载体玻璃140可以选用任一导电玻璃中用的基体玻璃，载体玻璃140的厚度为1.1mm～2.5mm，这样既可以保证足够的机械承载力，又可以减少载体玻璃对光的吸收，以使更多的光进入电池主体结构110中，从而增加电池对光的吸收利用率。

其中，透明导电薄膜电极120与金属电极130的主要作用都是将光生电流导出。

在本实施例中，透明导电薄膜电极120为FTO电极，也即掺氟氧化锡电极，这样可使透明导电薄膜电极120对紫外光的吸收增强，进一步减少紫外光进入电子传输层；另外，FTO电极还具有电阻率低，化学性能稳定的优点；当然，可以理解的是，透明导电薄膜电极并不局限于FTO电极，还可以是掺锡氧化铟(ITO)、掺钛氧化铟(ITiO)电极、掺铈氧化铟(ICO)电极、掺钨氧化铟(IWO)电极、掺铝氧化锌(AZO)电极或掺硼氧化锌(BZO)电极。

在本实施例中，金属电极130为银(Ag)电极，当然，可以理解的是，金属电极130并不局限于银(Ag)电极，还可以是其他金属制成的电极，例如金(Au)电极、铝(Al)电极。

具体的，钙钛矿光敏层111为钙钛矿太阳能电池100的核心层，在该层光生激子，激子分离形成载流子，载流子向空穴电子传输层传输，钙钛矿光敏层111的材质和结构可以采用本领域技术人员所公知的材质和结构，在此不再赘述。

具体的，空穴传输层112的主要作用是传输空穴，同时还可以起到阻挡电子的作用；空穴传输层112的厚度为20～100nm，这样既可以保证成膜质量，减少空穴传输层112的缺陷；又可以确保内部的串联电阻较低，有利于短路电流提高。在本实施例中，空穴传输层的材质为氧化镍，空穴传输层直接真空沉积在透明导电薄膜电极120(FTO)之上。

具体的，n型低温氧化钛114的主要作用是：把钙钛矿光敏层中产生的空穴拉向钙钛矿光敏层/空穴传输层界面，并且排斥钙钛矿光敏层中产生的电子向空穴传输层传输，从而有效的减少载流子传输过程中以及空穴电子在界面处的复合，从而提高了钙钛矿太阳能电池的光伏参数，进而有效的提高了钙钛矿太阳能电池及组件的效率。

其中，电子传输层113的主要作用是传输电子，同时还可以阻挡空穴，从而减少空穴电子的复合，起到选择性传输电子的作用。优选地，电子传输层的厚度为40～100nm。这样既可以保障成膜质量，减少电子传出时的缺陷，又可以确保内部的串联电阻较低，有利于短路电流提升。在本实施例中，电子传输层的材质为PCBM，电子传输层直接涂覆在钙钛矿光敏层之上。

在本实施例中，防止反向电子传输层的n型低温氧化钛的平均粒径在10～30nm之间，这样能够保证纳米颗粒很好的分散且减少与空穴传输层的界面缺陷。

在本实施例中，n型低温氧化钛114是直接涂覆在空穴传输层112之上的，且不成膜，只是散落在NiOx晶体的晶界处，从而改善NiOx与PVSK的接触，减少缺陷，降低空穴电子复合的几率，提高器件效率；具体的，将n型低温氧化钛纳米颗粒分散在乙醇、异丙醇、正丁醇等溶剂里，形成浓度为0.1～1mg/mL的n型低温氧化钛分散液，然后将n型低温氧化钛分散液涂覆在空穴传输层112上，并于80℃～120℃加热5～15min，形成防止反向电子传输层。

本实用新型的发明人发现：采用这种n型低温金属氧化物作为防止反向电子传输层能够将钙钛矿光敏层中产生的空穴拉向空穴传输层并且抑制电子向空穴传输层传输进而有效的降低空穴电子在传输过程中以及在界面处复合的可能性，从而有效的提高了钙钛矿太阳能电池的光伏参数，特别是对填充因子(FF)有了更明显的提升，进而有效的提高了钙钛矿太阳能电池的效率。同时由于n型低温金属氧化物作为防止反向电子传输层的制备工艺简单，制备成本低，使得制备高效钙钛矿太阳能电池的成本大大降低，工艺相对简单；同时由于其材料的特性进而使得钙钛矿太阳能电池的稳定性和寿命也有一定的提升，本实用新型更有利于钙钛矿太阳能电池产业化发展。

实施例1

一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

1)在干净的透明基底玻璃上蒸镀FTO透明电极，然后在FTO透明电极上通过等离子沉积(RPD)真空溅射20nm的NiOx，得到空穴传输层；

2)在NiOx上以3000r的速度旋涂n型低温氧化钛的分散液(0.5mg/mL的n型低温氧化钛的异丙醇溶液)15s，在100℃下退火10min，得到防止反向电子传输层；

3)在涂覆了防止反向电子传输层的NiOx上旋涂1.5M的钙钛矿溶液，在100℃下退火15min，形成钙钛矿光敏层；

4)将20mg/mL的PCBM的氯苯溶液以3000r的转速旋涂在钙钛矿光敏层上，在100℃下退火10min，得到电子传输层；

5)在电子传输层上气相沉积金属Ag电极，得到钙钛矿太阳能电池，记作C。

对比例1

一种钙钛矿太阳能电池采用上述的制备方法，其与实施例中的方法基本一致，区别在于不制作n型低温氧化钛防止反向电子传输层。对比例1获得的钙钛矿太阳能电池记作A。

对比例2

一种钙钛矿太阳能电池采用上述的制备方法，其与实施例中的方法基本一致，区别在将n型低温氧化钛防止反向电子传输层用高分子绝缘材料代替，高分子绝缘层采用氯苯溶解的聚乙烯亚胺(PEI)0.5mg/mL的溶液以3000r的转速旋涂制备的。对比例2获得的钙钛矿太阳能电池记作B。

将实施例和对比例中的钙钛矿太阳能电池A、B、C采用模拟光源系统进行性能测试，相关性能测试结果如下表1。

表1 A、B钙钛矿太阳能电池的光伏性能测试结果

电池	Voc(V)	Jsc(mA/cm<sup>2</sup>)	FF(％)	PCE(％)
					A	0.98	19.89	63.39	12.36
B	0.98	18.87	70.34	13.01
					C	1.01	19.49	76.71	15.10

对比例2采用在空穴传输层材料上旋涂一层高分子绝缘层材料以实现降低空穴电子复合的目的，虽然此方法能够阻挡一部分电子在空穴传输层界面处的复合，但无法降低载流子在传输过程中的空穴电子的复合，所以对钙钛矿太阳能电池的器件的效率提升及对钙钛矿太阳能电池及组件的填充因子的贡献相对较少。

从表1可以看出，在钙钛矿太阳能电池的空穴传输层上涂覆了n型低温氧化钛的电池C，比未涂覆的电池A以及涂覆高分子绝缘层的电池B的开路电压(Voc)以及填充因子(FF)有了很大的提升，特别是填充因子提升很多，且对短路电流(Jsc)没有负面影响，进而使得钙钛矿太阳能电池的效率相比于未涂覆的钙钛矿太阳能电池A提升了22％。

本实用新型采用n型低温金属氧化物作为防止反向电子传输层涂覆在空穴传输层上，能够有效的将钙钛矿光敏层产生的空穴拉向空穴传输层并且阻止产生的电子向空穴传输层传输，从而降低了钙钛矿光敏层产生的载流子在传输过程中以及在界面处的复合，相比于在空穴传输层及钙钛矿传输层之间插入一层缓冲层而言，本实用新型提供的电池能更有效的降低空穴电子复合，同时又不影响光电流的损失，所以使用本实用新型的方法能更有效的提高钙钛矿太阳能电池的效率；并且本实用新型所需的n型低温金属氧化物的浓度很低，工艺处理需要的温度较低，时间较短，材料所需的浓度较少，从而大大降低了制备高效钙钛矿太阳能电池及组件的工艺和成本，并有效的提高了钙钛矿太阳能电池及组件的稳定性和寿命。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，包括依次叠层设置的玻璃基底、透明导电电极层，空穴传输层、钙钛矿光敏层、电子传输层、金属电极层；其特征在于：在所述空穴传输层与钙钛矿光敏层之间还设置有防止反向电子传输层，所述防止反向电子传输层能够将钙钛矿光敏层中产生的空穴拉向钙钛矿光敏层与空穴传输层的界面，并且排斥钙钛矿光敏层中产生的电子向空穴传输层传输。

2.根据权利要求1所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述防止反向电子传输层包括主要由n型低温金属氧化物形成的n型低温金属氧化物层。

3.根据权利要求2所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述n型低温金属氧化物分布在所述空穴传输层的表面。

4.根据权利要求3所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：部分所述n型低温金属氧化物分布在空穴传输层晶体之间的缝隙界面处。

5.根据权利要求2所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述n型低温金属氧化物包括n型低温金属氧化物颗粒，所述n型低温金属氧化物颗粒的平均粒径为10-30nm。

6.根据权利要求2所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述n型低温金属氧化物包括n型低温氧化钛、n型低温氧化锡、n型低温氧化锌和n型低温氧化铈中的任意一种或两种以上的组合。

7.根据权利要求1所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述空穴传输层的材质包括金属氧化物，所述金属氧化物包括氧化镍、氧化钨、氧化铜、氧化亚铜中的任意一种或两种以上组合；和/或，所述空穴传输层的厚度为20-100nm。

8.根据权利要求1所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述电子传输层的材质包括PCBM；和/或，所述电子传输层的厚度为40-100nm。

9.根据权利要求1所述的防止反向电子传输的钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述的钙钛矿太阳能电池结构为反置结构。