[发明专利]一种电子传输层材料及钙钛矿太阳电池

说明书

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，涉及一种电子传输层材料及利用该材料制备的钙钛矿太阳电池。

背景技术

随着人口的快速增长和工业化程度的不断发展，环境污染和能源危机等问题变得越来越严重，研发利用以太阳能为代表的可再生能源成为当务之急。发展趋于成熟的无机硅、砷化镓、碲化镉等基于无机材料的太阳电池已经在市场上占据主导地位，然而由于其加工过程中面临重金属污染和稀有元素等问题，且价格昂贵，不易大面积生产及制造柔性器件，在追求低成本和绿色环保的现代工业中，其大规模应用受到了限制。近年来，人们一直努力探索诸如染料敏化太阳电池、量子点太阳电池和有机太阳电池等更低成本、更高效率的新型太阳电池技术，并在这几方面取得不错的进展，部分已进入产业化阶段。然而染料敏化太阳电池制备过程中需要高温处理氧化钛，且有封装等问题，制备工艺较为复杂。有机太阳电池材料生产成本高，目前来说转换效率相对较低，难以工业化批量生产。

基于溶液加工的有机-无机杂化钙钛矿类太阳电池最近在国际上倍受关注，该类钙钛矿材料具备吸收强，迁移率高，载流子寿命长，可调控带隙以及可采用多种方式加工等优点。2009年，Tsutomu Miyasaka研究组首次将钙钛矿结构的有机-无机杂化材料作为光活性层制备染料敏化太阳电池。其效率达到了3.81％(J.Am.Chem.Soc.2009,131,6050)。在短短几年内，实验室小面积器件的功率转换效率已经从3.81％提高到20％，成为最有潜力的太阳电池技术。

在之前报道的钙钛矿太阳电池的电子传输层材料中，主要采用的氧化钛及富勒烯衍生物PCBM等，但氧化钛材料多数需要高温加工，而富勒烯衍生物合成工艺复杂，提纯困难，均不适合工业化大规模生产。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种电子传输层材料，及利用该材料制备的钙钛矿太阳电池。通过新的电子传输层取代PCBM或者TiO₂等，极大的提高了太阳电池的开路电压及器件性能。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种钙钛矿太阳电池，包括阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和阴极，如图8所示，所述的光活性层的材料为可溶液加工的具有钙钛矿结构的有机-无机杂化电池材料，所述电子传输层具有如下结构：

其中，n为1～10000的自然数，B为强极性基团，A1和A2为相同或者不同的芳环衍生物或者含有碳碳双键、碳氮键的共轭单元，M为A2与B之间的连接单元，M为具有1～20个碳原子的烷基，或烷基上一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基中的一种以上官能团取代，氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子或上述官能团取代。

所述电子传输层中的强极性基团为胺基、季铵盐基团、磷酸根、磷酸酯基、磺酸根、羧基和羟基中的一种或两种以上。

所述电子传输层中的单元A1及A2为如下所示结构的一种或两种以上：

其中n为1～10000的自然数，R为具有1～20个碳原子的烷基，或烷基上一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基或酯基中的一种以上官能团取代，氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子或上述官能团取代。

所述的光活性层为化合物Ⅰ和化合物Ⅱ摩尔比为1:1～10:1的共混物，化合物Ⅰ为含卤素的有机盐或无机盐，化合物Ⅱ为含卤素的金属无机盐。