一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池及其制备方法。所述集成太阳电池，其自下而上依次包括透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、有机物共混层、任选地空穴阻挡层以及金属电极。本发明专利技术通过将钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池制备成集成电池，弥补了钙钛矿太阳电池光吸收范围较窄和窄带隙体异质结太阳电池在可见光区吸收较弱的缺点，提高了太阳光的利用范围，提高了能量转化效率。这种集成电池有与并联电池类似的特点，转化效率可突破单结太阳电池能量转换效率的理论极限，有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳电池领域，尤其涉及一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池及其制备方法。
技术介绍
近年来，能源危机越来越严重。寻找新型的替代能源是人类亟待解决的问题。太阳电池作为解决能源问题的重要途径，一直都是研究热点。太阳电池经过60多年的发展，已经有很多不同的类型。主要包硅基太阳电池、薄膜太阳电池(如砷化镓、碲化镉和铜铟镓硒)和以染料敏化、量子点、体异质结太阳电池为代表的三代太阳电池。单晶/多晶硅太阳电池虽然得到了广泛应用，但生产成本高，其他类型的太阳能电池因原材料稀少、有毒、效率低、稳定性差等缺点在实际应用中受到限制，寻找新型的太阳能电池仍是目前研究的热点。CH3NH3MI3-xBx型钙钛矿材料从2009年首次应用在太阳电池中至今不到5年时间能量转换效率从3.8％增加到了19.3％，效率已经接近硅基太阳电池，生产成本却远低于硅基太阳电池，所以钙钛矿太阳电池成为最有希望得到大规模应用的太阳电池。但随着研究的深入，钙钛矿太阳电池效率已经接近理论效率极限，因为单结太阳电池效率受吸光材料本身带隙的限制。目前效率最高的钙钛矿吸光材料主要有CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3-xClx，两者带隙均在1.5eV以上，这意味着只能吸收波长小于800nm的太阳光，所以限制了能量转换效率的提高。人们对通过改变钙钛矿吸光材料化学组分以获得更高效率进行了大量研究，但并没有取得很好的效果。体异质结太阳电池的吸光材料主要是聚合物和小分子，两者相对钙钛矿吸光材料有着带隙容易通过改变化学成分和分子结构调节。带隙窄的有机材料可以吸收更宽范围的太阳光，但对波长短的光吸收却不如钙钛矿材料。如果能将窄带隙有机材料与钙钛矿材料结合，可能获得更高的能量转换效率。由于改变钙钛矿吸光材料化学组分没有取得很好的效果，提高钙钛矿太阳电池效率的重要途径就是开发新型器件结构，开发可以拓宽钙钛矿太阳电池光吸收范围的新型器件结构，对提高钙钛矿太阳电池效率，进而实现产业化，有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对钙钛矿太阳电池光吸收范围窄的问题，提出一种拓宽钙钛矿太阳电池光吸收范围的新型器件结构，通过将钙钛矿太阳电池与窄带隙体异质结太阳电池集成，可以将钙钛矿太阳电池光吸收范围从800nm拓宽到950nm以上，提高电池短路电流和能量转换效率。这种新型器件结构有着并联电池的特点，能量转换效率不受单结太阳电池理论效率极限的限制。另外本专利技术还提供了制备这种集成电池的方法，所述方法简单易行，有很好的应用前景。为了达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述集成太阳电池自下而上依次包括透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、有机物共混层、任选地空穴阻挡层以及金属电极，其中，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜。即，一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其自下而上依次包括透明电极、在透明电极上形成的空穴传输层、在空穴传输层上形成的钙钛矿吸光层、在钙钛矿吸光层上形成的有机物共混层、在有机物共混层上形成的空穴阻挡层以及在空穴阻挡层上形成的金属电极，其中，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜；或者，一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其自下而上依次包括透明电极、在透明电极上形成的空穴传输层、在空穴传输层上形成的钙钛矿吸光层、在钙钛矿吸光层上形成的有机物共混层、在有机物共混层上形成的金属电极，其中，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜。优选地，所述钙钛矿吸光层的厚度为100～500nm，例如140nm、180nm、220nm、260nm、300nm、340nm、380nm、420nm或460nm。所述钙钛矿吸光层产生的有益效果为：吸收波长较短的太阳光，可以使电池有比较高的能量转换效率。所述有机物共混层的厚度为30～200nm，例如40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm或180nm。有机物共混层中给体材料和受体材料的比例(质量比)为1:0.5～1:6，例如1:0.5、1:0.8、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:4、1:5、1:6。所述有机物共混层产生的有益效果为：吸收波长较长的太阳光，弥补钙钛矿材料光吸收范围窄的缺点，提高能量转换效率。所述空穴阻挡层的厚度为0～20nm。所述空穴阻挡层产生的有益效果为：高效传输电子的同时阻挡空穴，减少电子和空穴的复合，提高电池性能。金属电极的厚度为70～390nm。所述金属电极产生的有益效果为，在节约原料的同时，保证电极的导电性，使电池有较高的能量转换效率。根据本专利技术的集成太阳电池，所述透明电极包括氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(FTO)覆盖的玻璃基底、铝掺杂氧化锌(AZO)覆盖的玻璃基底或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethyleneterephthalate)柔性基底中的任意一种。根据本专利技术的集成太阳电池，所述空穴传输层的材料包括PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸)、氧化石墨烯、金属氧化物NiOx或VOx中的任意一种或者至少两种的混合物，x＝1～3，例如2，优选PEDOT:PSS、氧化石墨烯或氧化镍NiOx中的任意一种或者至少两种的混合物，x＝1～3，例如2。根据本专利技术的集成太阳电池，所述钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3MI3-xBx，其中x＝0～3，M选自Pb或Sn，B选自I、Cl或Br，优选CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx或CH3NH3PbI2Br中的任意一种或者至少两种的混合物。示例性的钙钛矿吸光层的材料为：CH3NH3PbI3-xBrx，CH3NH3SnI3-xBrx，CH3NH3PbI3-xClx，CH3NH3SnI3-xClx。根据本专利技术的集成太阳电池，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜。所述给体材料是应用于体异质结太阳电池的光学带隙小于1.5eV的共轭聚合物或/和小分子，优选PDPP3T(Poly[{2,5-bis(2-hexyldecyl)-2,3,5,6-tetrahydro-3,6-dioxopyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl}-alt-{[2,2':5',2″-terthiophene]-5,5″-diyl}])、PMDPP3T(poly[[2,5-bis(2-hexyldecyl-2,3,5,6-tetrahydro-3,6-dioxopyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl]-alt-[3′,3″-dimethyl-2,2′:5′,2″-terthiophene]-5,5″-diyl])、PDPPBTT(聚并二噻吩吡咯并吡咯二酮-噻吩)或PDTP-DFBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述集成太阳电池自下而上依次包括透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、有机物共混层、任选地空穴阻挡层以及金属电极，其中，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述集成太阳电池自下而上依次包括透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、有机物共混层、任选地空穴阻挡层以及金属电极，其中，所述有机物共混层是指体异质结太阳电池给体材料和受体材料的混合膜；所述有机物共混层中给体材料和受体材料的质量比为1:0.5～1:6。2.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层的厚度为100～500nm。3.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述有机物共混层的厚度为30～200nm。4.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述空穴阻挡层的厚度为0～20nm。5.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述金属电极的厚度为70～390nm。6.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述透明电极包括氧化铟锡、氟掺杂氧化锡覆盖的玻璃基底、铝掺杂氧化锌覆盖的玻璃基底或PET柔性基底中的任意一种。7.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层的材料包括PEDOT:PSS、氧化石墨烯、金属氧化物NiOx或VOx中的任意一种或者至少两种的混合物，x＝1～3。8.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层的材料包括PEDOT:PSS、氧化石墨烯或氧化镍NiOx中的任意一种或者至少两种的混合物，x＝1～3。9.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3MI3-xBx，其中x＝0～3，M选自Pb或Sn，B选自I、Cl或Br。10.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层的材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-xClx或CH3NH3PbI2Br中的任意一种或者至少两种的混合物。11.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述给体材料是应用于体异质结太阳电池的光学带隙小于1.5eV的共轭聚合物或/和小分子。12.如权利要求1所述的基于钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池的集成太阳电池，其特征在于，所述给体材料选自PDPP3T、PMDPP3T、PDPPBTT或PDTP...

【专利技术属性】
技术研发人员：左传天，丁黎明，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11