[发明专利]一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括基底，基底的表面从下至上依次设有透明导电层、致密电子传输层、介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极；各层之间紧密贴合，形成稳定的介孔骨架结构；介孔电子传输层、介孔阻挡层和碳电极中填充有钙钛矿晶体。采用无机胶体纳米晶作为粘接剂制备碳电极，胶体纳米晶表面含有大量残余羟基，可实现高电导碳电极的制备；纳米晶具有外观尺寸形状，有利于维持碳电极的高孔隙度。采用低温真空渗透技术将钙钛矿晶体活性层填充在介孔骨架当中。所制备的器件的光电转换效率达到14％，且具有优异的稳定性。本发明进一步降低了介孔碳基钙钛矿太阳能电池的生产成本，有利于产业化。

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体涉及一种低温介孔碳基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳光能储量大，分布范围广，是一种可靠的可再生清洁能源。太阳能电池将光能直接转化为电能，是一种理想的太阳能利用方式。有机-无机铅卤化物钙钛矿太阳能电池(简称钙钛矿太阳能电池，PSCs)是一种新型薄膜太阳能电池，自2009年提出以来便受到了国内外的广泛关注。经过近7年发展，其光电转换效率已超过20％(AM1.5G，100mW/cm²，下同)，达到经认证的25.2％[Best Reaserch-Cells Efficiencies,National RenewableEnergy Laboratory,2017,https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html,Accesseddate:23October 2019.]，接近晶硅光伏技术的水平。然而该效率通常依靠金属电极，由于有机-无机铅卤化物钙钛矿对金属的腐蚀作用，使得器件稳定性较差。碳电极具有优异的导电性和抗腐蚀性，采用碳电极制备的介孔结构钙钛矿太阳能电池具有稳定性高、制备成本低廉的优点。然而，常见的介孔结构器件需采用高温工艺(>400℃)。2014年，Mei等人将5-氨基戊酸碘盐掺入钙钛矿前驱体溶液中，改善钙钛矿的填充情况，提高钙钛矿的结晶，将介孔碳基钙钛矿太阳能电池的效率提升至12.84％，但是其二氧化钛薄膜、二氧化锆薄膜和碳膜均在高温(＞400℃)的条件下制得[Mei,A.Y.,et al.,A hole-conductor-free,fullyprintable mesoscopic perovskite solar cell with high stability.Science,2014.345(6194):p.295-298.]。2017年，Rong等人将氯化铵作为添加剂掺入到钙钛矿前驱体中，利用水分辅助钙钛矿结晶，钝化晶界，使介孔碳基钙钛矿太阳能电池达到了15.6％的光电转换效率，同样的，器件的制备仍采用的是高温工艺(＞400℃)[Rong,Y.,et al.,Synergy of ammonium chloride and moisture on perovskite crystallization forefficient printable mesoscopic solar cells.Nat Commun,2017.8:p.14555.]。高温制备过程增加了制备成本，延长了制备周期，不利于大规模化生产，同时也不利于器件柔性化。因此，亟需开发一种低温制备介孔碳基钙钛矿太阳能电池的方法。

研究发现，在传统高温碳基介孔结构钙钛矿太阳能电池制备过程中，碳电极材料中采用聚合物高分子作为粘接剂。为获得较高导电性以及较高的孔隙率，需要在高温下(400℃左右)进行热处理，以除去聚合物高分子材料。这增加了器件制备能耗，延长了生产周期，也增加了生产成本。作为技术改进方案，韩宏伟等在专利“一种新型基于碳电极全固态可印刷钙钛矿太阳能电池(CN 107146847B)”中提出将碳电极分成“高温碳电极”和“低温碳电极”两部分来制备。但是该方案并不能从根本上解决低温化的难题。为此，本发明提出采用无机胶体纳米晶作为粘接剂在低温(150℃)条件下制备高电导介孔碳电极，配合低温真空渗透技术在多孔骨架中填充吸光活性层，最终实现在低温条件下制备高效率的碳基介孔结构钙钛矿太阳能电池。

发明内容