[发明专利]一种以钛酸钡作为电子传输材料的钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种以钛酸钡作为电子传输材料的钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，其特征在于，所述太阳能电池的结构从下至上依次为：透明导电衬底1、钛酸钡薄膜2、钙钛矿薄膜3、噻吩桥连的咔唑‑蒽共聚物4、金属电极5。本发明的优点在于：一方面，钛酸钡可以吸收紫外光并产生大量电子空穴对，在增加电子空穴对数量的同时还可以有效保护钙钛矿被紫外光分解；另一方面，噻吩桥连的咔唑‑蒽共聚物与钙钛矿能级匹配，热稳定性高且空穴迁移率大。因此，本发明极大地提高了钙钛矿太阳能电池的光电转化效率，并增强了电池的稳定性。

技术领域

本发明属新能源领域，具体涉及一种以钛酸钡作为电子传输材料的钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

现如今，生产生活中使用的燃料基本还是不可再生能源。在全球社会经济高速发展的大背景下，生产对化石燃料的需求量也急速增加，这不仅造成了各类化石燃料的储量频频告急，同时给自然带来了毁灭性的伤害。为了在保护环境的同时继续保持经济的高速发展，寻找一种大储量、清洁而且无污染的可再生新能源成为亟待解决的重大问题。太阳能就是众多可再生能源中的一种，因为其储量大、便捷且能量大的特点吸引了众多科学家的关注。利用太阳能发电成为太阳能利用中最重要的方式，太阳能电池就是重要的光电转换器件。硅太阳能电池的制作工艺最为成熟，已经推广到工厂大规模生产并广泛运用到社会生活当中。但是硅本身成本较高，而且硅系列太阳能电池在转换效率方面很难有重大的突破。寻找更廉价且更有发展潜力的材料成为首要任务。

近年来，以钙钛矿(CH₃NH₃PbX₃，X=Br，I)为主要成分的薄膜太阳能电池取得了快速的发展，但同时也存在着使用寿命太短、光电转换效率不够高的问题。在稳定性方面，钙钛矿是一种极易水解且在紫外光照射下光解并释放出有毒物质的不稳定材料。为了提高钙钛矿的稳定性，在很多已发表的成果中提到了钙钛矿掺杂或特殊处理钙钛矿或特殊涂层等方式。本发明选用钛酸钡作为太阳能电池的窗口层，钛酸钡的禁带宽度为3.3eV，其本身有一定光催化分解水的能力和良好的化学稳定性，并且具有高介电常数。最突出的特点是钛酸钡在紫外光的照射下，能产生大量的电子空穴对。不仅如此，有实验证明，在紫外光范围内存在一个很强的吸收带，并且在400-900nm可见-近红外区几乎没有吸收峰，表明钛酸钡具有较好的紫外光选择吸收特性。这一特点保证钙钛矿太阳能电池原有效率的同时，既提高了光电转换效率，又延长钙钛矿太阳能电池的使用寿命。并且对比二氧化钛的强抗紫外线能力，二氧化钛主要是高折光性和高光活性，而钛酸钡主要是对紫外线的吸收，有效提高了对光的利用效率。

在反式钙钛矿太阳能电池中, 聚3, 4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为最常用的空穴传输层(HTL)材料之一, 但是该材料存在着能级与钙钛矿能级不匹配，导电各向异性，其酸性易破坏临近功能层等缺点。为了进一步提高转换效率，本发明选用噻吩桥连的咔唑-蒽共聚物(PCBZANT)作为空穴传输层，该聚合物的能级与钙钛矿能级匹配，而且该材料热稳定性高（分解温度大于400℃），空穴迁移率大（大于5000cm²V^-1s^-1）。除了在原有HTL材料的缺点方面有很大改善外，该聚合物能避免钙钛矿在紫外光下的分解，能促进钙钛矿材料对波长为500-600nm范围内的太阳光的吸收。

发明内容