基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及太阳能电池技术领域，公开了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池及其制备方法，包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅‑二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。与现有技术相比，本发明专利技术中基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的慢光效应较强，对入射光的捕获效率较高，载流子的输运效率较高。

【技术实现步骤摘要】
基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
，特别涉及一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着全球能源危机日益加剧，太阳能因具有资源丰富、分布广泛、环保等优点，已成为可再生清洁能源领域的研究热点。钙钛矿太阳能电池(PSCs)拥有光电转换效率高、成本低、工艺简单等特点，作为一种最有发展前景的光伏发电技术之一，受到了广泛关注。通常PSCs拥有三种典型的结构，分别是正式介孔结构(导电玻璃(FTO)/电子传输层/介孔层/钙钛矿光吸收层/空穴传输层/金属电极)、正式平面结构(FTO/电子传输层/钙钛矿光吸收层/空穴传输层/金属电极)及反式平面结构(FTO/空穴传输层/钙钛矿光吸收层/电子传输层/金属电极)。研究人员对器件结构中的各组成部分及其界面都进行了大量深入探究，例如：开发新型无机空穴传输材料、钙钛矿光吸收层材料、电子传输材料及金属电极材料，优化空穴传输层/光吸收层与电子传输层/光吸收层界面。特别是钙钛矿光吸收层作为器件结构中最关键的组成部分，其晶体结构、形貌及光学性能对器件效率均起着至关重要的作用。为了进一步提高器件效率，研究人员采用带隙工程与界面工程探究了钙钛矿光吸收层能带隙及其界面匹配性对器件光电性能的影响，初步阐述了其内在的作用机制。尤其是在反式PSCs中，采用带隙工程有利于获得高度结晶的钙钛矿光吸收层；采用界面工程能够有效优化出光电性能更加优异的电池器件。由此可见，反式平面结构更加有利于构建出器件效率高、迟滞效应小、稳定性好的PSCs。但是，如何获得光电性能优异、廉价的PSCs仍然是学术与工业界面临的难题。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池及其制备方法，这种太阳能电池的慢光效应较强，对入射光的捕获效率较高，载流子的输运效率较高。技术方案：本专利技术提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。进一步地，所述三维钙钛矿吸光层为填充有三维钙钛矿类吸光半导体材料的二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结。该异质结的构筑有利于提高钙钛矿吸光层对入射光的捕获效率，通过调控其界面及厚度，能够优化出高效率的钙钛矿太阳能电池；基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层利用其光子带隙、慢光效应提高器件的量子效率，且利用三维有序大孔结构提高了载流子的传输效率，从而提高器件的光电转换效率。优选地，所述三维钙钛矿类吸光半导体材料为具有ABX3型晶体结构的半导体材料，其中，所述A为阳离子，所述B为金属阳离子，所述X为卤素阴离子。优选地，所述阳离子为以下任意一种或其组合：甲胺阳离子(MA+，CH3NH3+)、甲脒阳离子(FA+，CH(NH2)2+)、铯离子(Cs+)；所述金属阳离子为以下任意一种或其组合：Pb2+、Sn2+；所述卤素阴离子为以下任意一种或其组合：I-、Br-、Cl-。优选地，所述空穴传输层为氧化镍、氧化铜或氧化钴。优选地，所述空穴阻挡层为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉(BCP)。优选地，所述金属电极为银电极或金电极。优选地，所述透明导电衬底为氟掺杂氧化锡导电玻璃（FTO）。本专利技术还提供了一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的制备方法，包含以下步骤：S1：在透明导电衬底上制备空穴传输层；S2：配制二氧化硅前驱体溶液和二氧化钛前驱体溶液；S3：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与所述二氧化硅前驱体溶液配置成组装溶液甲，以所述透明导电衬底为基片，采用恒温垂直沉积法在所述空穴传输层上沉积聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体；S4：以聚苯乙烯小球为构筑基元，与所述二氧化钛前驱体溶液配置成组装溶液乙，以所述透明导电衬底基片，采用恒温垂直沉积法在所述聚苯乙烯-二氧化硅胶体晶体上引入二氧化钛，得聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结；S5：去除所述聚苯乙烯-二氧化硅-二氧化钛胶体晶体异质结中的聚苯乙烯小球，得三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结；S6：以所述透明导电衬底为基片，采用两步法在所述三维有序大孔二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结内填充钙钛矿类吸光半导体材料，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层；S7：在所述三维钙钛矿吸光层上依次真空蒸镀空穴阻挡层和金属电极。进一步地，在所述S6中，所述两步法具体包括以下步骤：首先，配制ABX3型晶体结构的半导体材料中的阳离子（A）溶液、金属阳离子（B）溶液：以异丙醇(IPA)为溶剂配制浓度为30~40mg/mL的阳离子（A）溶液，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂配制浓度为0.6~1.2mol/L的金属阳离子（B）溶液；其次，在空气环境下，依次在所述二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结上旋涂所述金属阳离子（B）溶液和所述阳离子（A）溶液：在空气环境下，将二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结基片置于旋涂仪中在75~95℃下进行热处理，随后在其表面上旋涂处于70~80℃温度下的金属阳离子（B）溶液，接着将附着有二甲基亚砜(DMSO)的结晶皿盖住基片，在70~80℃温度下持续8~12分钟，而后在基片上旋涂阳离子（A）溶液；最后，经热处理得所述三维钙钛矿吸光层：将附着有DMF的结晶皿盖住基片，在80~110℃温度下持续0.9~1.2小时，得基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层。有益效果：本专利技术中的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的结构为导电玻璃/空穴传输层/基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层/空穴阻挡层/金属电极，其特点有：1)利用基于二氧化钛光子晶体的三维钙钛矿吸光层的光子带隙提高了器件在长波长600-800nm范围内的量子效率；2)利用基于二氧化硅光子晶体的三维钙钛矿吸光层的光子带隙与钙钛矿材料能带隙的匹配性，增强了慢光效应，提高了器件对入射光的捕获效率；3)基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层具有独特的电学性能：一方面，基于二氧化硅光子晶体的三维钙钛矿吸光层可以将空穴传输层与基于二氧化钛光子晶体的三维钙钛矿吸光层隔开，避免二氧化钛中的电子与空穴传输层中的空穴发生复合；另一方面，电子能够经二氧化钛传输到空穴阻挡层，进而经空穴阻挡层进入金属电极，同时，空穴阻挡层能够阻挡空穴进入金属电极，避免电子和空穴在金属电极处发生复合；可见基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层的上述独特电学性能有助于提高载流子的输运效率；4)利用基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层的有序大孔结构能够有效提高载流子的输运效率；5)基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池器件表现出一定的色彩，增强了美观。6)由本专利技术中基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池能够有效制备出大面积的电池器件，与正式三维钙钛矿太阳能电池相比，具有光电转换效率高、迟滞效应小、稳定性好等优势。附图说明图1为基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池的结构示意图；图2为基于光子晶体异质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅‑二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括透明导电衬底和依次层叠于该透明导电衬底上的空穴传输层、基于二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结的三维钙钛矿吸光层、空穴阻挡层和金属电极。2.根据权利要求1所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述三维钙钛矿吸光层为填充有三维钙钛矿类吸光半导体材料的二氧化硅-二氧化钛光子晶体异质结。3.根据权利要求2所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述三维钙钛矿类吸光半导体材料为具有ABX3型晶体结构的半导体材料，其中，所述A为阳离子，所述B为金属阳离子，所述X为卤素阴离子。4.根据权利要求3所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述阳离子为以下任意一种或其组合：甲胺阳离子、甲脒阳离子、铯离子；所述金属阳离子为以下任意一种或其组合：Pb2+、Sn2+；所述卤素阴离子为以下任意一种或其组合：I-、Br-、Cl-。5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为氧化镍、氧化铜或氧化钴。6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光子晶体异质结的反式三维钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴阻挡层为2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉。7.根据权利要求1至4中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋青松，张宇林，季仁东，居永峰，杨潇，蒋邦明，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32