金属有机的钙钛矿太阳能电池、串联太阳能电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种金属有机的钙钛矿太阳能电池，尤其是具有铅金属有机的或锡金属有机的光子吸收剂层的太阳能电池，以及涉及一种用于其的制造方法。本发明专利技术首次公开了一种金属有机的太阳能电池，所述金属有机的太阳能电池包括吸收剂层，所述吸收剂层包含以钙钛矿晶格结晶的化合物，所述太阳能电池具有无锂的空穴导体层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属有机的钙钛矿太阳能电池、串联太阳能电池及其制造方法
本专利技术涉及一种金属有机的钙钛矿太阳能电池，尤其是具有含铅或锡的金属有机的光子吸收剂层的太阳能电池，及其制造方法。
技术介绍
例如从EP2498315A2中已知有机的太阳能电池，也称为塑料太阳能电池，所述有机的太阳能电池与无机太阳能电池相反能够在柔性的基板和薄膜上构建。自从展示了具有在百分比范围内的效率的第一有机的太阳能电池以来，有机材料就被密集地用于不同的电子和光电子器件。有机的太阳能电池由一系列薄层构成，所述薄层通常在1nm至100μm之间。适宜的吸收剂层的带隙例如为至少1eV。在此，也已经存在关于对于邻接吸收剂层的载流子传输层如空穴导体层和电子传输层而言适宜的掺杂剂的各种不同的研究。对此例如参见EP2443680、DE102011003192、DE102012209520、DE102014210412和DE102015121844。有机的太阳能电池已经成为各种不同的研究的主题，因为通过涂覆有机的太阳能电池使高层建筑的整个玻璃幕墙能够用于发电的前景在世界范围内非常有吸引力。作为吸收剂层的材料，已知的塑料太阳能电池具有与小分子例如富勒烯组合的共轭聚合物(烃聚合物)，以进行电荷分离。从WO2014/020499中还已知一种金属有机的钙钛矿太阳能电池的构造，其中一个或多个有机-无机(在此也称为“金属有机的”)钙钛矿层设置在两个接触层例如电极之间，所述钙钛矿层与所述接触层电接触，优选电化学接触。如上所述，通过使用金属有机的吸收剂层而不是纯的有机吸收剂层，对于金属有机的太阳能电池的层序列产生新的挑战。在WO2014/020499中还以如下为出发点，通过金属有机的吸收剂层，弃用如在有机的太阳能电池中设置在吸收剂层和电极之间设置的空穴传输层。然而，这已被证实是不利的，使得在此期间金属有机的太阳能电池也借助于金属有机的材料的吸收剂层来实现，所述金属有机的材料以钙钛矿晶格结晶以借助至少一个邻接的空穴传输层更快地运走通过光子照射而分离的载流子。因此，从EP2898553A1中已知一种金属有机的“p-i-n型(倒置平面结构)”的太阳能电池，其层序列至少包括以下层：透明电极；位于其上的空穴传输材料；然后是具有以三维钙钛矿晶格结晶的金属有机的吸收剂材料ABX3的吸收剂层；然后是电子传输层；和反电极。本申请的在此作为引言的内容就此并入本申请的公开内容中，因为这些和其它在此作为引言提及的文献被假定为在本
中工作的本领域技术人员所积累的专业知识的一部分。可在此处所描述的太阳能电池中使用的空穴传输层例如由“2,2’7,7’-四-(N,N-二-对-甲氧基苯胺)9,9’-螺二芴”或简称为“SpiroOMeTad”构成，其具有非常高(例如30摩尔％或更高)的浓度的含锂离子的弱掺杂剂。然而，在金属有机的太阳能电池中使用这样高的掺杂浓度的锂带来下述缺点：所述层是强烈吸湿的并且仅具有低的稳定性。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，代替或者补充已知的含锂的p型掺杂剂，提供替选的p型掺杂剂，所述替选的p型掺杂剂在空穴导体层和整个金属有机的太阳能电池中的稳定性更高。所述目的通过本专利技术的主题来实现，如其在说明书、附图和权利要求书中所公开的那样。与此相应地，本专利技术的主题是一种金属有机的太阳能电池，其具有：至少两个接触层；和在层堆叠中分别邻接于所述接触层的半导体层与居中地设置的吸收剂层，所述吸收剂层由以三维钙钛矿晶格结晶的金属有机的材料构成，其中所述吸收剂层在金属有机的化合物中包含铅和/或锡作为中心原子并且包含卤化物作为阴离子，其特征在于，在吸收剂层和阳极之间的至少一个半导体层是空穴传导层，所述空穴传导层包括含锌和/或铋的掺杂剂。此外，本专利技术的主题是一种串联太阳能电池，其包括两个金属有机的太阳能电池或至少一个在空穴导体层中具有含锌和/或铋的掺杂剂的金属有机的太阳能电池。最后，本专利技术的主题是一种用于制造形成串联太阳能电池的层堆叠的方法，其中存在包括两个太阳能电池的层堆叠，其中下部和上部的太阳能电池通过制造彼此跟随的层来制造，其特征在于，所述太阳能电池中的至少一个是金属有机的太阳能电池，如作为本专利技术的主题的金属有机的太阳能电池。在本文中所谓的络合物称为金属有机的化合物。例如，以钙钛矿晶格结晶的化合物CH3NH3PbI3是这种化合物的最典型的实例。在晶格中能够识别到单位晶胞，其中铅作为所谓的中心原子居中地位于立方体中，其中有机配体，例如CH3NH3，形成立方体即正六面体的八个角。然后，阴离子，例如即卤化物阴离子，如碘化物分别居中地位于正六面体的面中。如果许多这种晶胞在晶格中彼此邻接，那么产生化学计量的CH3NH3PbI3的总式。关于串联太阳能电池已被证明为有利的是，在所述串联太阳能电池中，两个太阳能电池关于其吸收频谱彼此配合，使得吸收最大的辐射频谱。在此尤其有利的是，所述串联太阳能电池由两个金属有机的太阳能电池形成，例如通过如下方式形成：这两个太阳能电池在形成吸收剂层的材料的组成方面有所不同。除此之外，如作为本专利技术的主题的金属有机的太阳能电池与c-Si太阳能电池的组合也被证明为是有利的。c-Si太阳能电池是在吸收剂层中包含晶体硅的太阳能电池。在此，所述金属有机的太阳能电池优选位于上方，更靠近太阳。尤其地，c-Si太阳能电池例如用作为如作为本专利技术的主题的用于构建金属有机的太阳能电池的基板。形成金属有机的太阳能电池或具有金属有机的太阳能电池的串联太阳能电池的层体的各个层能够在湿法化学法中例如通过旋涂制造，但是例如不一定借助溶剂。替选地，经由化学或物理气相沉积进行制造是可行的。本专利技术的一般认知是，与如下期望相反，在邻接由铅和/或锡络合物构成的钙钛矿吸收剂层的SpiroOMeTad空穴导体层中掺杂锌和/或铋化合物被预期是不稳定，用于稳定的空穴导体层的稳定掺杂剂可由锌盐和/或铋盐与(例如)超强酸制备。除了锌和/或铋阳离子之外，所述掺杂剂还有利地包含超强酸的阴离子。所述空穴导体层在此包括至少一种基质和掺杂剂，在此后者基于锌和/或铋。但是，添加常规的添加剂也一并包括在本专利技术的范围内。适合于金属有机的钙钛矿太阳能电池的空穴传输层的基质材料例如是有机导体，例如“2,2’7,7’-四-(N,N-二-对-甲氧基苯胺)9,9’-螺二芴”或“SpiroOMeTad”。通过测量能够显示出，在SpiroOMeTad层中的低浓度的，例如0.05mol％至10mol％，尤其是0.1mol％至7mol％，以及优选甚至仅0.1mol％至2mol％的含有锌和/或铋的掺杂剂足以在太阳能电池的空穴导体层中产生必要的电流密度。在以湿法化学的方式，即从溶液中沉积空穴导体层时，尤其经由在沉积之前在溶液中的例如超强酸盐的质量份额和基质材料的质量份额来设定掺杂浓度。在完成沉积的空穴导体层中的p型掺杂剂的体积浓度能够偏离该浓度。通过将锌盐和/或铋盐，例如超强酸的根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属有机的太阳能电池，所述金属有机的太阳能电池具有：至少两个接触层；和在层堆叠中分别邻接于所述接触层的半导体层与居中地设置的吸收剂层，所述吸收剂层由以三维钙钛矿晶格结晶的金属有机的材料构成，其中所述吸收剂层在金属有机的化合物中包含铅作为中心原子并且包含卤化物作为阴离子，其特征在于，在所述吸收剂层和所述阳极之间的至少一个所述半导体层是空穴传导层，所述空穴传导层包括含锌的掺杂剂。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180724 DE 102018212305.51.一种金属有机的太阳能电池，所述金属有机的太阳能电池具有：至少两个接触层；和在层堆叠中分别邻接于所述接触层的半导体层与居中地设置的吸收剂层，所述吸收剂层由以三维钙钛矿晶格结晶的金属有机的材料构成，其中所述吸收剂层在金属有机的化合物中包含铅作为中心原子并且包含卤化物作为阴离子，其特征在于，在所述吸收剂层和所述阳极之间的至少一个所述半导体层是空穴传导层，所述空穴传导层包括含锌的掺杂剂。


2.一种金属有机的太阳能电池，所述金属有机的太阳能电池具有：至少两个接触层；和在层堆叠中分别邻接于所述接触层的半导体层与居中地设置的吸收剂层，所述吸收剂层由以三维钙钛矿晶格结晶的金属有机的材料构成，其中所述吸收剂层在金属有机的化合物中包含锡作为中心原子并且包含卤化物作为阴离子，其特征在于，在所述吸收剂层和所述阳极之间的至少一个所述半导体层是空穴传导层，所述空穴传导层包括含铋的掺杂剂。


3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其中在所述掺杂剂中所述锌化合物或铋化合物是超强酸的盐。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池包括在吸收剂层和半导体层之间的扩散阻挡层。


5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中所述扩散阻挡层具有小于150nm的层厚度。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池，在空穴导体层的基质材料中包含一种或多种化合物，所述化合物选自下述化合物：
SpiroOMeTad，即2,2’,7,7’-四-(N,N-二-对-甲氧基苯胺)9,9’-螺二芴，
PEDOT，即聚(3,4乙二氧基噻吩)，
PVK，即聚(9-乙烯基咔唑)，
PTPD，即聚(N.N_双(4-丁基苯基)-N,N-双(苯基)-联苯胺)，
P3HT，即聚(3-己基噻吩)，
PANI，即聚苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞奇金·埃金，马克西米利安·弗莱舍，迈克尔·格拉特塞尔，金惠善，徐智勇，埃尔弗里德·西蒙，沙伊·穆罕默德·扎克鲁丁，
申请(专利权)人：西门子能源全球有限两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE