基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池制造技术

本发明专利技术公开了一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，主要解决钙钛矿太阳能电池对红外光谱利用不充分和稳定性差的问题。其自上而下依次包括透明导电衬底(1)、电子传输层(3)全无机钙钛矿吸收层(4)、空穴传输层(5)和顶部电极(6)。其特征在于，透明导电衬底(1)与电子传输层(3)之间设有稀土元素掺杂四氟钇钠层(2)，所述稀土元素掺杂四氟钇钠采用掺杂镱、铒或掺杂镱、铥的四氟钇钠等中的任意一种。本发明专利技术增强了对红外光谱的吸收能力，且与全无机钙钛矿吸收带隙更加匹配，同时由于采用了全无机钙钛矿吸收层，避免了引入易分解的有机钙钛矿，提升了电池的稳定性，可用于为室外工作设备提供电能。

【技术实现步骤摘要】
基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池
本专利技术属于半导体器件
，更进一步涉及一种太阳能电池，可用于为室外工作设备提供电能。
技术介绍
能源问题是人们面临的严峻问题之一，因此以单晶硅电池为主的光电转换器件一直是人们关注的重点。但是单晶硅价格昂贵，工艺较为复杂，发展几十年来其光电转换效率仍然没有较大突破。近年来，由于钙钛矿材料具有较小的激子结合能，较高的消光系数以及合适的带隙，能有效吸收紫外到近红外光谱范围内的光子，吸引了众多研究人员的注意。以钙钛矿材料作为吸收层的钙钛矿太阳能电池具有以下典型结构：透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层以及顶部电极。这种电池在受到太阳光的照射时，其中的钙钛矿吸收层能吸收利用太阳光中的光子，在内部产生电子空穴对。产生的电子或空穴通过电子传输层或空穴传输层被传导至对应电极，从而进入外部电路。根据钙钛矿吸收层材料组分包括有机钙钛矿材料、有机无机杂化钙钛矿以及全无机钙钛矿材料。传统含有机钙钛矿组分的电池虽然能得到较高的效率，但是其中的有机钙钛矿组分在长期工作过程中由于接触水分，氧气或光照等不利外界因素会发生分解，严重降低电池的效率，稳定性难以保证。而采用全无机钙钛矿材料作为电池吸收层能有效避免电池稳定性的损失。此外，为了避免全无机钙钛矿材料由于其较大的带隙不能对近红外光谱有效利用，引入稀土元素掺杂四氟钇钠材料以拓展电池在近红外光谱的吸收。该材料受到波长长，能量低的光激发时能发射出波长短，能量高的光子，能将红外光转换成钙钛矿吸收层能有效吸收的可见光，从而提高电池的转换效率。西安建筑科技大学在其申请的专利文献“核壳结构上转换材料的制备及其在钙钛矿太阳能电池中的应用”(申请号：201510741653.X申请公开号：CN105428541A)中公开了一种制备具有核壳结构上转换材料的钙钛矿太阳能电池的方法。该方法采用氟掺杂氧化铟锡FTO作为透明导电衬底，采用旋涂法制备氧化钛TiO2致密层及高温烧结制备氧化钛TiO2介孔层作为电子传输层，采用二氧化硅包覆掺杂镱和铒的四氟钇钠NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2作为上转换纳米颗粒，采用一步旋涂法制备钙钛矿吸收层，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴材料作为空穴传输层，采用蒸镀法制备金属电极。但是该方法采用的有机钙钛矿组分材料容易受外界水分氧气光照等因素影响而分解，造成电池稳定性不佳。同时该方法采用高温烧结方法制备氧化钛TiO2介孔层，限制了透明导电衬底的多样性，不利于低温柔性及大面积电子器件的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有的不足，提出一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，以提高钙钛矿太阳能电池的光谱利用效率和稳定性。同时避免高温工艺的引入，有利于未来低温柔性及大面积电子器件的制备。本专利技术的技术方案是这样实现的：1.一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，自上而下依次包括透明导电衬底、电子传输层、全无机钙钛矿吸收层、空穴传输层和顶部电极，其特征在于：所述透明导电衬底与所述电子传输层之间设有稀土元素掺杂四氟钇钠层，以提高红外光到可见光的转换能力，拓展钙钛矿太阳能电池对红外光谱的吸收，且与全无机钙钛矿吸收层的带隙更加匹配；所述全无机钙钛矿吸收层，采用由阳离子A、阳离子B，阴离子X和阴离子Y组成的钙钛矿ABXmY3-m，其中，A为铯Cs，B为铅Pb，X、Y为氯Cl、溴Br或碘I中的一种或几种，m为1-3。进一步，所述稀土元素掺杂四氟钇钠包括掺杂镱、铒或掺杂镱、铥的四氟钇钠中的任意一种。进一步，所述透明导电衬底采用氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料。进一步，所述电子传输层的厚度为15-100nm，其采用氧化锡或氧化锌中的任意一种；所述全无机钙钛矿吸收层的厚度为100-500nm。进一步，所述透明导电衬底采用氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料；所述电子传输层的厚度为15-100nm，且采用氧化锡或氧化锌中的任意一种；所述全无机钙钛矿吸收层的厚度为100-500nm；所述顶部电极采用金、银、碳电极中的任意一种。进一步，所述空穴传输层的厚度为50-500nm，其采用：2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴；三苯胺衍生物；聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐；聚3-己基噻吩；聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]；硫氰酸亚铜CuSCN；氧化镍NiO；氧化亚铜Cu2O这八种材料中的任意一种。2.一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下：1)对透明导电衬底依次进行清洗和紫外臭氧的表面预处理；2)配制稀土元素掺杂四氟钇钠前驱体溶液，采用旋涂法以3500-4000rpm的转速将该溶液旋涂于预处理后的透明导电衬底上30s-45s，得到稀土元素掺杂四氟钇钠层；3)配制电子传输层前驱体溶液，采用旋涂法以2000-4000rpm的转速将该溶液旋涂于稀土元素掺杂四氟钇钠层上30s-45s，并对旋涂后的样件进行退火处理，得到电子传输层；4)配制全无机钙钛矿前驱体溶液，采用旋涂法以2000-4000rpm的转速将该溶液旋涂于电子传输层上30s-45s，并对旋涂后的样件进行退火处理，得到全无机钙钛矿吸收层；5)配制空穴传输层前驱体溶液，采用旋涂法以3000-5000rpm的转速将该溶液旋涂于制备好的全无机钙钛矿吸收层上30s-45s，得到空穴传输层；6)使用真空镀膜仪将顶部电极蒸镀在空穴传输层上，或使用丝网印刷设备在空穴传输层上印刷碳电极，完成全无机钙钛矿太阳能电池的制备。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：第一，本专利技术由于增设了稀土元素掺杂四氟钇钠层，提高了近红外光谱利用率，提高了全无机钙钛矿吸收层的光谱匹配，提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换能力。第二，本专利技术由于采用全无机钙钛矿吸收层，避免了有机钙钛矿组分造成电池性能不稳定，提高了钙钛矿太阳能电池在长期工作条件下的寿命。第三，本专利技术由于避免了氧化钛电子传输层的使用，可避免引入高温工艺，对于低温柔性及大面积电子器件的制备有应用前景。附图说明图1为本专利技术中全无机钙钛矿太阳能电池的结构图。图2为本专利技术中全无机钙钛矿太阳能电池的制备流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步详细说明。参照图1，本专利技术全无机钙钛矿太阳能电池的结构，包括透明导电衬底1、稀土元素掺杂四氟钇钠层2、电子传输层3、全无机钙钛矿吸收层4、空穴传输层5和顶部电极6。其中：所述透明导电衬底1采用厚度为200-900nm的氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料；所述稀土元素掺杂四氟钇钠层2位于透明导电衬底1上，其厚度为20-80nm，采用掺杂镱、铒或镱、铥的四氟钇钠中的任意一种。所述电子传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，自上而下依次包括透明导电衬底(1)、电子传输层(3)、全无机钙钛矿吸收层(4)、空穴传输层(5)和顶部电极(6)，其特征在于：/n所述透明导电衬底(1)与所述电子传输层(3)之间设有稀土元素掺杂四氟钇钠层(2)，以提高红外光到可见光的转换能力，拓展钙钛矿太阳能电池对红外光谱的吸收，且与全无机钙钛矿吸光层的带隙更加匹配；/n所述全无机钙钛矿吸收层(4)采用由阳离子A、阳离子B，阴离子X和阴离子Y组成的钙钛矿ABX

【技术特征摘要】
1.一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池，自上而下依次包括透明导电衬底(1)、电子传输层(3)、全无机钙钛矿吸收层(4)、空穴传输层(5)和顶部电极(6)，其特征在于：
所述透明导电衬底(1)与所述电子传输层(3)之间设有稀土元素掺杂四氟钇钠层(2)，以提高红外光到可见光的转换能力，拓展钙钛矿太阳能电池对红外光谱的吸收，且与全无机钙钛矿吸光层的带隙更加匹配；
所述全无机钙钛矿吸收层(4)采用由阳离子A、阳离子B，阴离子X和阴离子Y组成的钙钛矿ABXmY3-m，其中，A为铯Cs，B为铅Pb，X、Y为氯Cl、溴Br或碘I中的一种或几种，m为1-3。


2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述稀土元素掺杂四氟钇钠包括掺杂镱、铒或掺杂镱、铥的四氟钇钠中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：
所述透明导电衬底(1)采用氧化铟锡ITO或氟掺杂氧化锡FTO材料；
所述电子传输层(3)的厚度为15-100nm，且采用氧化锡或氧化锌中的任意一种；
所述全无机钙钛矿吸收层(4)的厚度为100-500nm；
所述顶部电极(6)采用金、银、碳电极中的任意一种。


4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层(5)的厚度为50-500nm，其采用以下八种材料中的任意一种：
2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴材料；
三苯胺衍生物；
聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐材料；
聚3-己基噻吩材料；
聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]材料；
硫氰酸亚铜CuSCN；
氧化镍NiO；
氧化亚铜Cu2O。


5.一种基于稀土元素掺杂四氟钇钠层的全无机钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下：
1)对透明导电衬底依次进行清洗和紫外臭氧的表面预处理；
2)配制稀土元素掺杂四氟钇钠前驱体溶液，采用旋涂法以3500-4000rpm的转速将该溶液旋涂于预处理后的透明导电衬底上30s-45s，得到稀土元素掺杂四氟钇钠层；
3)配制电子传输层前驱体溶液，采用旋涂法以2000-4000rpm的转速将该溶液旋涂于稀土元素掺杂四氟钇钠层上30s-45s，并对旋涂后的样件进行退火处理，得到电子传输层；
4)配制全无机钙钛矿前驱体溶液，采用旋涂法以2000-4000rpm的转速将该溶液旋涂于电子传输层上30s-45s，并对旋涂后的样件进行退火处理，得到全无机钙钛矿吸收层；
5)配制空穴传输层前驱体溶液，采用旋涂法以3...

【专利技术属性】
技术研发人员：林珍华，常晶晶，王庆瑞，苏杰，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61