钙钛矿基薄膜太阳电池制造技术

本实用新型专利技术公开了一种钙钛矿基薄膜太阳电池。包括：透明衬底；在透明衬底上形成的导电层；在导电层上形成的半导体材料的致密层；在致密层上形成的多孔支架层；在多孔支架层的内部空隙中填充的具有钙钛矿结构的半导体吸光层；在多孔支架层上形成的空穴传输层；在空穴传输层上形成的对电极；空穴传输层为能够进行空穴传输的导电聚合物复合材料。本实用新型专利技术采用导电聚合物复合材料作为钙钛矿基薄膜太阳电池的空穴传输层，与传统的仅含聚合物空穴传输层的钙钛矿基薄膜太阳电池相比，提高了空穴传输层的空穴迁移能力，提升了电池的转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及钙钛矿基太阳电池
，尤其是涉及一种钙钛矿基薄膜太阳电池。
技术介绍
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为光伏电池。其发电利用了特定半导体材料的光伏效应，具体而言，光与半导体的相互作用产生光生载流子，光生电子-空穴对再通过半导体内部形成的内建电场分别到达两极，产生电势。当与外电路相连时，就能源源不断地产生电流。这种半导体光电器件应该满足以下两个条件：1)入射光的能量应大于半导体禁带宽度，并且半导体材料对入射光有足够大的吸收系数；2)半导体有光伏结构，必须能形成内建电场。太阳能电池转换效率是太阳能电池最关键的技术指标，而电池效率的高低取决于电池材料的特性和整个系统的构架。目前硅基太阳电池技术是最为成熟、应用最广的光伏技术。但是，随着硅基太阳电池技术的日渐成熟，其缺陷也日益明显，一是转化率受限制，二是制作成本高。因此，人们开始把目光转向低成本的太阳电池材料与技术。新型薄膜太阳电池由于其低廉的成本和简单的制备工艺越来越受到人们的重视。提高薄膜太阳电池效率的关键之一在于寻求低成本、吸光范围宽、高吸收系数的吸光材料。具有钙钛矿型层状结构的有机-无机铅半导体材料作为一种廉价、高吸收系数的吸光材料，受到关注。近两年来基于钙钛矿薄膜太阳能电池的发展非常迅速。钙钛矿太阳能电池是目前较为新颖的一类太阳能电池，主要是利用类似ABX3(A＝CH3NH3+等；B＝Pb2+，Sn2+等；X＝Cl-，I-等)具有钙钛矿结构的光伏材料来实现光电转换，该类电池制作工艺简单、原材料来源广泛、造价低廉。钙钛矿基薄膜太阳电池的一般结构为：致密层、支架层、吸光层、空穴传输层和对电极。其中，吸光层由具有钙钛矿结构的材料形成。钙钛矿太阳能电池将光能转换成电能可以分为三个主要过程：1)吸光层吸收一定能量的光子并产生电子空穴对(激子)；2)激子扩散至材料界面处时发生电荷分离；3)电子沿电子传输材料经电极进入外电路，空穴沿空穴传输材料经电极进入外电路，通过负载完成光能向电能的转换。基于不同种类的支架层，此类电池又分为两种：一种是基于钙钛矿对纳晶多孔宽禁带半导体薄膜(如TiO2，ZnO，SnO2)敏化的薄膜电池，另一种是以多孔绝缘材料薄膜(如Al2O3，ZrO2，SiO2等)为支架层的本体异质结薄膜电池。这两种结构的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率均已超过15％。目前，无论哪一种结构，空穴传输层对于获得高效率都是非常必要的。一般用于空穴传输材料包括小分子空穴传输材料(如spiro-OMeTAD)，聚合物空穴传输材料(P3HT)和无机空穴传输材料(如CuI、CuSCN)。其中，聚合物空穴传输材料稳定性好，但是空穴迁移率偏低，如果能够对其改性提高空穴传输性能，对于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性非常重要。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种钙钛矿基薄膜太阳电池，采用分散有石墨炔的聚合物制作空穴传输层，提高了用于空穴传输的聚合物的空穴迁移能力，提升了电池的性能。为了实现上述目的，本技术提供了一种钙钛矿基薄膜太阳电池，包括：透明衬底；在透明衬底上形成的导电层；在导电层上形成的半导体材料的致密层；在致密层上形成的多孔支架层；在多孔支架层的内部空隙中填充的具有钙钛矿结构的半导体吸光层；在多孔支架层上形成的空穴传输层；以及在空穴传输层上形成的对电极；空穴传输层为能够进行空穴传输的石墨炔-聚合物复合材料。进一步地，钙钛矿基薄膜太阳电池还包括形成在多孔支架层和空穴传输层之间的加盖层。进一步地，石墨炔具有大π共轭结构。进一步地，石墨炔为1,3-二炔键将苯环连接在一起组成的结构。进一步地，石墨炔为纳米片状、纳米带状、纳米颗粒状、纳米线状或纳米管状结构。进一步地，当石墨炔为纳米颗粒状时，纳米颗粒状的石墨炔的粒径为30～300nm。进一步地，纳米颗粒状的石墨炔的粒径为30～100nm。进一步地，空穴传输层的厚度为10～500nm。进一步地，空穴传输层的厚度为50～300nm。应用本技术的技术方案，专利技术人将石墨炔分散到能够进行空穴传输的聚合物材料中，形成聚合物-石墨炔复合材料，并将复合材料作为钙钛矿基薄膜太阳电池的空穴传输层。在钙钛矿基薄膜太阳电池中，用于吸收层的钙钛矿材料通过吸收太阳光产生激子并分离为电子和空穴，电子通过半导体材料的致密层(一般为二氧化钛)收集，并由导电层导出至外电路；空穴通过空穴传输层(一般采用P3HT)收集并由电极导出。由于聚合物材料中分散有石墨炔，聚合物与石墨炔产生π-π作用，其最高占据能级(HOMO)降低，能与钙钛矿材料的价带位置更好地匹配，大大提高了空穴传输层的迁移能力，进而提升了电池的性能。采用分散有石墨炔的聚合物作为钙钛矿基薄膜太阳电池制备空穴传输层，与仅含聚合物空穴传输层的传统钙钛矿基薄膜太阳电池相比，提高了空穴传输层的空穴迁移能力，提升了电池的转换效率。同时，该制备方法只是在现有的制备空穴传输层的基础上添加石墨炔，不需要考虑由于石墨炔的分散掺杂而额外增加其它特殊溶剂和特殊仪器设备，也不会因石墨炔的掺杂而需要高温处理，只需室温干燥即可得到符合条件且厚度可调的空穴传输层。本技术所提供的制作过程简单，易于操作，可将石墨炔分散到多种用于空穴传输的聚合物材料中，匹配性广，拓展了用于钙钛矿基薄膜太阳电池的空穴传输材料的应用范围。根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1为本技术所采用的石墨炔的几何结构示意图；以及图2为本技术一种典型实施例的钙钛矿基薄膜太阳电池的结构示意图。具体实施方式在钙钛矿基薄膜太阳电池中，虽然用于空穴传输的聚合物材料稳定性好，但其空穴迁移率偏低，使得太阳电池的转化效率偏低，而目前用于提高聚合物材料空穴传输性能的方法很少，主要是通过设计新型的聚合物分子结构来获得，其制备工艺复杂，且大大增加了成本。因此，为了使得钙钛矿基薄膜太阳电池在保持其稳定性的前提下，提高其转化效率，本技术提出了一种钙钛矿基薄膜太阳电池，包括空穴传输层60。该空穴传输层为能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙钛矿基薄膜太阳电池，其特征在于，包括：透明衬底(10)；在所述透明衬底(10)上形成的导电层(20)；在所述导电层(20)上形成的半导体材料的致密层(30)；在所述致密层(30)上形成的多孔支架层(40)；在所述多孔支架层(40)的内部空隙中填充的具有钙钛矿结构的半导体吸光层(41)；在所述多孔支架层(40)上形成的空穴传输层(60)，其中，所述空穴传输层(60)为能够进行空穴传输的石墨炔‑聚合物复合材料；以及在所述空穴传输层(60)上形成的对电极(70)。

【技术特征摘要】
2014.09.12 CN 201410465640X1.一种钙钛矿基薄膜太阳电池，其特征在于，包括：
透明衬底(10)；
在所述透明衬底(10)上形成的导电层(20)；
在所述导电层(20)上形成的半导体材料的致密层(30)；
在所述致密层(30)上形成的多孔支架层(40)；
在所述多孔支架层(40)的内部空隙中填充的具有钙钛矿结构的半导体吸
光层(41)；
在所述多孔支架层(40)上形成的空穴传输层(60)，其中，所述空穴传
输层(60)为能够进行空穴传输的石墨炔-聚合物复合材料；以及
在所述空穴传输层(60)上形成的对电极(70)。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿基薄膜太阳电池，其特征在于，还包括形
成在所述多孔支架层(40)和所述空穴传输层(60)之间的加盖层(70)。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿基薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆波，李冬梅，肖俊彦，罗艳红，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11