[发明专利]一种钙钛矿太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳电池及其制备方法。

背景技术

能源是人类社会发展进步的驱动力，是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。随着传统化石类能源的大量消耗，环境污染日趋严重，全球能源危机也日益凸显。太阳电池直接将太阳能转变成电能，是解决全球能源危机以及降低环境污染的重要方法之一。目前硅基太阳电池技术最为成熟、应用最为广泛，但硅基太阳电池原材料纯度、结晶性要求高，工艺复杂、制备成本较高，因此开发低成本、制备工艺简单的新型太阳电池是太阳电池大规模应用的前提。

ABX₃钙钛矿材料由于具有其特有的晶体结构，表现出很高的载流子迁移率，电子与空穴等载流子寿命长、扩散长度大。同时钙钛矿晶体能带位置合适，与无机半导体材料组合时能够有效实现电子或空穴的注入，电荷分离效率高。目前基于ABX₃钙钛矿材料的太阳电池的发展非常迅速。2012年，采用全溶液法制备的钙钛矿太阳电池取得了9.7％的光电转换效率。通过制备工艺的优化，目前这类器件的能量转换效率已经超过17％。

专利CN103855307A公开了一种钙钛矿太阳电池及其制备方法。所述钙钛矿电池具有空穴传输层、钙钛矿吸光层以及电子传输层，形成的电池具有较高的能量转换效率。该专利文献指出空穴传输层可以为有机物或金属氧化物。当使用有机材料时，由于这些有机材料价格较为昂贵，不仅增加了应用成本，同时由于这些有机材料难以长久的保持其性质，这也对电池器件后续的封装工艺和器件应用的长期稳定提出了挑战；而当使用金属氧化物时，由于该太阳电池器件对空穴传输层薄膜的质量、膜厚等要求较为严格(如薄膜内的杂质、缺陷以及针孔会严重影响太阳能电池的光电转换效率；薄膜厚度一般控制在几十到一两百纳米之间，厚度大了太阳能电池的效率则会快速降低)，通常需要在高真空条件下采用MBE、CVD或PVD方法合成以严格控制薄膜的质量与厚度，高质量无机金属氧化物薄膜的形成对生长设备及生长条件的要求十分严格，也进一步加剧了该太阳能电池的制备成本，而该专利文件也未给出使用金属氧化物薄膜作为空穴传输层的具体实施例。而另一方面，在钙钛矿太阳能电池中空穴传输层为介孔结构的仍未见报道。

为了解决有机钙钛矿太阳电池高成本和使用要求严苛、金属氧化物薄膜钙钛矿太阳电池制备困难的难题，在保证钙钛矿太阳电池能量转化效率的前提下，探索新型钙钛矿太阳电池结构和制备方法以简化制备过程、降低成本具有重大意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提高一种制备简单、应用便利、能量转换效率较高的钙钛矿太阳电池，旨在解决钙钛矿太阳电池制备、应用成本高的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种钙钛矿太阳电池，其自下而上依次包括透明电极、介孔p-i-n结构框架和对电极，其中所述的介孔p-i-n结构框架由n型半导体层、绝缘层、p型半导体层依次层叠构成，所述n型半导体层、所述绝缘层和所述p型半导体层均包含介孔，所述n型半导体层、所述绝缘层和所述p型半导体层的介孔内均填充有钙钛矿材料。

作为本发明的进一步优选，在所述透明电极与介孔p-i-n结构框架之间设置有用于阻挡电子或空穴致密层。

作为本发明的进一步优选，所述的n型半导体层为无机材料，包括TiO₂、SnO₂、ZnO、Zn₂SnO₄、Nb₂O₅、WO₃、BaTiO₃、SrTiO₃中的至少一种，考虑到材料制备工艺的成熟稳定性，更优选地为TiO₂、ZnO。

作为本发明的进一步优选，所述的绝缘层为无机材料，包括ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂、SiC、Si₃N₄、Ca₃(PO₄)₂中的至少一种，考虑到材料制备工艺的成熟稳定性，更优选地为ZrO₂、Al₂O₃。