[发明专利]一种以掺杂铯的二氧化锡薄膜为电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种以掺杂铯的二氧化锡薄膜为电子传输层的钙钛矿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、电子传输层2、钙钛矿吸光层3、碳化硅‑二氧化硅纳米聚合物层4和金属电极5。本发明的优点在于：一是以掺杂铯的二氧化锡薄膜为电子传输层具有更致密的表面和宽的能隙，能更有效地抑制载流子的复合，增加钙钛矿太阳电池的短路电流和开路电压；二是碳化硅‑二氧化硅纳米聚合物能有效提高载流子的利用率，钝化钙钛矿吸光层的表面缺陷，减少反射光损失，增加光吸收和光电流，提升太阳能电池的光电转换效率。

技术领域

本发明属新能源领域，具体涉及一种以掺杂铯的二氧化锡薄膜为电子传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着科技的进步，人们生活水平的不断提高，人类对能源的需求急剧增加，因而，太阳能的利用越来越被重视，寻找高效稳定的太阳能电池已成为科研工作者的奋斗目标。而钙钛矿太阳能电池由于其优异的光伏特性和巨大的商业价值被广泛关注，但不足的是，钙钛矿太阳能电池的稳定性较差一直是制约其广泛应用的技术瓶颈。影响其稳定性的，不仅是由于钙钛矿材料本身所具有的不稳定性，也包括常用的空穴传输材料易受周围离子运动的影响，在空气中不够稳定等原因。而且通常使用的空穴传输材料价格昂贵、实验操作过程重复性较差。

有研究表明，钙钛矿太阳能电池在光照条件下，其钙钛矿薄膜能够吸收光子产生电子-空穴对，并且钙钛矿薄膜本身具有良好的电子和空穴的传输能力，这为无空穴传输层钙钛矿太阳能电池提供了理论依据。然而，若没有空穴传输层，钙钛矿薄膜直接与金属电极接触，存在界面缺陷，使载流子复合严重，并且，还存在势垒高，耗尽层宽等问题，大大降低了钙钛矿太阳能电池的效率。为了解决这个问题，目前使用较多的阻隔层主要有氧化铝，氧化锆等金属氧化物，这些氧化物的引入能够降低界面复合以及阻挡电子向金属电极的扩散。而本专利采用碳化硅-二氧化硅纳米聚合物不仅能够降低界面复合，阻挡电子向金属电极扩散，还可以钝化钙钛矿吸光层的表面缺陷，提高光生载流子的利用率，减少反射光的损失，增加光的吸收，并且，由于碳化硅与晶体硅的带隙相差较小，因此，碳化硅-二氧化硅纳米聚合物的引入能进一步提高光电流和太阳能电池的光电转换效率。

此外，电子传输层材料改进的研究对提高器件的光电转换效率也具有重要意义。钙钛矿太阳能电池中电子传输层通常选用传统的电子传输层材料二氧化钛（TiO₂），然而，相比二氧化钛而言，二氧化锡（SnO₂）具有更宽的光学带隙（3.8eV），电子迁移率更大，能级与钙钛矿更匹配，并且在低温条件下即可制备。研究发现，通过在二氧化锡中掺杂铯（Cs）元素能够显著提高二氧化锡薄膜内载流子的传输和收集能力，增加钙钛矿太阳能电池的短路电流。不仅如此，掺杂铯之后，还改善了二氧化锡的费米能级，进而提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压。研究表明，掺杂铯的二氧化锡相比掺杂其他元素，如锌等，具有更致密的表面，能产生更大的载流子浓度和传输速率，还可提高二氧化锡的禁带宽度，有效抑制光生载流子的复合反应。此外，也有报道，在二氧化锡薄膜中掺杂稀土元素，如镧等，虽然可显著提高被掺杂主体的稳定性，但实验过程复杂，实验所需温度较高，制备时间较长。而本专利在二氧化锡薄膜中掺杂铯元素实验易实现，所需温度低，制备过程简单，并且能够节约成本。

发明内容