有机金属卤化物钙钛矿异质结太阳能电池及其制造
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固态太阳能电池、涉及异质结、并涉及制备太阳能电池的方法。
[0002]作为本发明的基础的抟术背景和问题
[0003] 由于其可调的带隙和其高的光学吸收横截面，量子点（QD)已经吸引大量的关注。 h很多研宄项目试图将QD整合到太阳能电池装置中，包括纳米晶体（NC)-聚合物杂化太阳 能电池、NC-肖特基（Schottky)太阳能电池、NC-敏化的二氧化钛（Ti02)太阳能电池、和NC 杂化双层太阳能电池。4_12最近，调查集中于QD异质结太阳能电池，通过将作为薄的间隔物 层的氧化物NC〇102或ZnO)放置在QD与FT0之间，使用那些异质结结构观察到5-6 %的效 率。&21此外，已经证实具有相同结构的串联的QD太阳能电池。22在类似的基于QD的太阳 能电池结构中还证实多激子产生（MEG)效应。23该异质结QD太阳能电池示出有前景的光 伏性能，然而其仍然必须面对阻止其实现较高的效率的若干问题例如：稳定性、低开路电压 和重新组合（recombination)的问题。
[0004] 本发明解决包含液体电解质的装置的缺点，例如由在长期密封中特别是在温度循 环测试中的困难引起的溶剂蒸发和水渗透到太阳能电池内的问题。
[0005] 本发明还解决包含有机空穴导体材料的装置的缺点，例如用这样的空穴导体观察 到的不完全的孔填充。特别地，例如，空穴导体倾向于不均等地穿透使用多孔半导体阳极的 敏化太阳能电池的中孔膜（mesoporousfilm)。此外，本发明解决空穴导体的氧化问题。空 穴导体的氧化可以引起稳定性问题并且没有一致性。此外，本发明解决用现有技术中使用 的导体观察到的低空穴迀移率（holemobility)的问题，与液体电解质相比，所述空穴迀移 率是低的。
[0006] 本发明寻求提供可以使用容易获得的低成本材料、使用基于工业上已知的制造步 骤的短的制造程序以高效的方式快速制备的高效太阳能电池。
[0007] 本发明解决用某些敏化太阳能电池观察到的稳定性问题。
[0008] 发明概沐
[0009] 显著地，本发明提供新颖的固态太阳能电池。该太阳能电池与先前已知的太阳能 电池不同，特别地由于其简单结构而不同。通常，新颖的太阳能电池包含容易获得的材料并 可以以经济的方式制造。新颖的太阳能电池可以避免与使用电解质或空穴传输材料相关的 缺点。
[0010] 在一个方面，本发明提供包含导电支撑体层和表面增加的支架结构的固态太阳能 电池，其中一个或更多个有机-无机钙钛矿层设置在所述支架结构上或在设置在所述支架 结构上的任选的保护层上，且其中对电极和/或金属层设置为与所述钙钛矿层电接触。
[0011] 在一个方面，本发明提供包含导电支撑体层和纳米结构的支架层的固态太阳能电 池，其中一个或更多个有机-无机钙钛矿层设置在所述支架层上或在设置在所述支架结构 上的任选的保护层上，且其中对电极和/或金属层设置为与所述钙钛矿层电接触。
[0012] 在一个方面，本发明提供包含导电支撑体层的固态异质结，表面增加的支架结构 设置在所述导电支撑体层上，其中有机-无机钙钛矿层设置在所述支架结构上或在设置在 所述支架结构上的任选的保护层上。
[0013] 在另外的方面，本发明提供包含本发明的异质结的太阳能电池。
[0014] 在一个方面，本发明提供制备固态太阳能电池的方法，所述方法包括以下的步 骤：
[0015] -设置导电支撑体层，表面增加的支架结构设置在所述导电支撑体层上；
[0016] -在所述支架结构上或在可以设置在所述支架结构上的保护层上应用一个或更多 个有机-无机钙钛矿层；以及，
[0017]-应用对电极。
[0018] 在一个方面，本发明提供制备固态太阳能电池的方法，所述方法包括以下的步 骤：
[0019] -设置导电支撑体层，表面增加的纳米结构的支架层设置在所述导电支撑体层 上；
[0020] -在所述支架结构上或在可以任选地设置在所述支架结构上的保护层上应用一个 或更多个有机-无机钙钛矿层；以及，
[0021] _应用对电极。
[0022] 在一个方面，本发明提供制备异质结的方法，所述方法包括在纳米结构的支架层 上应用一个或更多个有机-无机钙钛矿层的步骤。
[0023] 本发明的另外的方面和优选的实施方案在下文中和在所附权利要求中界定。根 据下文给出的优选的实施方案的描述，本发明的另外的特征和优点对技术人员将变得明显 的。
[0024] 附图简沐
[0025] 图1示意性地代表根据本发明的实施方案的太阳能电池的装置结构⑷和根据本 发明的实施方案的基于〇1 3册^^13/1102异质结的太阳能电池的能级图（B)。
[0026] 图2 :A是示出根据本发明的实施方案在下文的实施例中制备的有机铅卤化物钙 钛矿异质结太阳能电池的横截面的通过电子显微镜获得的图像；B1示出在玻璃上（下方的 且红色的曲线）和在中孔Ti02膜上（上方的且蓝色的曲线）的CH3NH3Pblj^X射线衍射 (XRD)图谱。
[0027] 图3示出碘化铅钙钛矿/Ti02异质结太阳能电池在0.1阳光光照和1阳光光照下 的J-V特性（A)和第一装置的IPCE光谱（B)。
[0028] 图4示出碘化铅钙钛矿/Ti02异质结太阳能电池在1阳光光照下的J-V特性（A) 和优化的装置的IPCE光谱（B)。
[0029] 图5示意性地示出根据本发明的实施方案使用的有机-无机钙钛矿结构和在这些 结构中可以出现的可能的能级图A或能级图B。
[0030] 优诜实施方案的详沐
[0031] 本发明提供异质结、太阳能电池和制造异质结和太阳能电池的方法。本发明的异 质结可以用于太阳能电池、特别地用于本发明的太阳能电池。在下文中，更详细地描述包含 这样的异质结的太阳能电池及其制造方法。
[0032] 根据实施方案，本发明的太阳能电池优选地包含导电支撑体层，表面增加的支架 结构优选地设置在所述导电支撑体层上，其中有机-无机钙钛矿层优选地设置在所述支架 结构上，且其中对电极和/或金属层设置为与所述钙钛矿层电接触。根据实施方案，导电支 撑体层、支架结构、钙钛矿层和对电极以从本发明的太阳能电池的一侧到另一侧的这样的 顺序存在。如在本说明书中其他地方中所公开，保护层和/或空穴传输层可以或可以不存 在于例如在上文的层之间的适当的位置。
[0033] 本发明的太阳能电池优选地包含导电支撑体层。优选地，导电支撑体层是大体上 透明的。"透明"意指对可见光的至少一部分透明、优选地对可见光的主要部分透明。优选 地，导电支撑体层对可见光的全部波长或类型是大体上透明的。此外，例如，导电支撑体层 可以对非可见光比如UV和IR辐射是透明的。
[0034] 根据实施方案，导电支撑体层提供本发明的太阳能电池的支撑体层。优选地，太阳 能电池建造在所述支撑体层上。根据另一个实施方案，在对电极的侧面上设置太阳能电池 的支撑体。在这种情况下，导电支撑体层（在图1中的编号1)不一定提供对装置的支撑， 但可以仅是集电体（currentcollector)或包含集电体，例如金属箔。
[0035] 导电支撑体层优选地起着集电体的作用和/或包含集电体，所述集电体收集从太 阳能电池获得的电流。
[0036] 例如，导电支撑体层可以包含优选地被涂覆在透明基底例如塑料或玻璃上的选自 以下的材料：铟掺杂的氧化锡（IT0)、氟掺杂的氧化锡（FT0)、Zn0-Ga203、Zn0_Al203、氧化锡、 锑掺杂的氧化锡（ATO)、SrGeO#P氧化锌。在这种情况下，塑料或玻璃提供层的支撑结构且 引用的导电材料提供导电性。通常，此类支撑体层分别被称为导电玻璃和导电塑料（其因 此是根据本发明的优选的导电支撑体层）。根据实施方案，导电支撑体层包含可以选自导电 玻璃和导电塑料的导电透明层。
[0037] 例如，还可以通过诸如钛箔或锌箔的导电金属箔提供集电体。不透明的导电材料 可以被用作集电体，特别是在不暴露于待被装置捕获的光的装置的侧面上。例如，此类金属 箔已经被用于柔性装置，例如由SeigoIto等，Chem.Commun. 2006, 4004-4006公开的那些。
[0038] 根据本发明的实施方案，表面增加的支架结构设置在所述导电支撑结构上或在可 以设置在所述支架结构上的保护层上。
[0039] 根据本发明的太阳能电池和异质结的实施方案，表面增加的支架结构是纳米结构 的和/或纳米多孔的。因此，优选地，支架结构以纳米尺度结构化。与导电支撑体的表面相 比，所述支架结构的结构增加有效表面。
[0040] 可以从选自多种不同材料的任何一种或组合制造支架材料。根据实施方案，本发 明的太阳能电池和/或异质结的表面增加的支架结构包含选自由以下组成的组的材料、基 本上由选自由以下组成的组的材料组成或由选自由以下组成的组的材料制成：半导体材 料、导电材料、非导电材料和前述材料中的两种或更多种的组合。
[0041] 根据实施方案，所述支架结构由金属氧化物制成和/或包含金属氧化物。例如， 支架结构的材料选自例如半导体材料，比如Si、Ti02、Sn02、Fe