电子传输层、电子传输材料的制备方法和应用

本申请属于光电材料，尤其涉及一种电子传输层、电子传输材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、钙钛矿半导体材料由于具有优异的光电学特性，包括高的光吸收系数、低的激子结合能、高的载流子迁移率和可调的禁带宽度等，而被广泛应用在光伏电池领域并获得了较大成功。钙钛矿太阳电池经过短短十年的发展，光电转换效率已从3.8％迅速增长至25.7％，与商业化的单晶硅太阳电池，铜铟镓硒、碲化镉薄膜电池等相媲美。钙钛矿太阳电池的高光电转换效率(pce)，以及低成本、加工工艺简单等优势，使其成为最具潜力的第三代光伏技术。钙钛矿太阳电池的结构类似一种三明治结构，其中，钙钛矿吸光层被夹在电子/空穴传输层之间，分别对应电子/空穴的提取和传输。钙钛矿太阳电池效率能得以不断地发展，离不开电荷传输层的更新演变。因此，发展与钙钛矿能级水平相匹配、高导电性、稳定性优异的电荷传输层材料，是获得高效、稳定的钙钛矿太阳电池的关键。

2、电子传输层作为高效率钙钛矿太阳电池器件结构中的重要组成之一，得到了广泛研究。目前已报道的电子传输层材料主要包括：氧化锡(sno2)、氧化钛(tiox)、氧化锌(zno)、以及其他n型有机半导体等。以上这些单一、有限的电子传输层材料，其能级水平固定，因此，只有在与该电子传输层能级匹配的钙钛矿太阳电池中，才会充分发挥出器件的性能。但是，钙钛矿体系的组分种类非常丰富、带隙在1.3～2.2ev内连续可调，这导致了有限的电子传输层材料无法充分满足能级水平如此丰富的钙钛矿太阳电池的需求，因此，开发能带结构可调谐的新型电子传输层材料非常必要。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种电子传输材料的制备方法，以及一种电子传输层，一种钙钛矿光伏器件，旨在一定程度上解决现有电子传输材料无法满足多能级水平的钙钛矿太阳能电池的匹配需求的问题。

2、为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

3、第一方面，本申请提供一种电子传输材料的制备方法，包括以下步骤：

4、制备电子传输材料的前驱体溶液；

5、将金属卤化物与所述前驱体溶液进行混合处理，退火处理，得到金属卤化物杂化的电子传输材料；其中，所述金属卤化物中金属元素选自铅、钙、铁、钴、镍、铜中的至少一种。

6、第二方面，本申请提供一种电子传输层，所述电子传输材料的制备包括步骤：

7、制备电子传输材料的前驱体溶液；

8、将金属卤化物与所述前驱体溶液进行混合处理，沉积在衬底表面，退火处理，得到金属卤化物杂化的电子传输层；其中，所述金属卤化物中金属元素选自铅、钙、铁、钴、镍、铜中的至少一种。

9、第三方面，本申请提供一种钙钛矿光伏器件，所述钙钛矿光伏器件的电子传输层中包括上述的电子传输材料，或者所述钙钛矿光伏器件的电子传输层采用上述的电子传输层。

10、本申请第一方面提供的电子传输材料的制备方法，制备电子传输材料的前驱体溶液，将金属卤化物与所述前驱体溶液进行混合处理后，使金属卤化物与前驱体形成混合的络合物，再进行退火处理，在退火过程中同时析出电子传输材料的晶粒和金属卤化物晶粒。掺杂的金属卤化物具有宽禁带、低介电常数、高化学稳定性和高激子结合能以及优良的光学、电学特性，有利于提高电子传输材料的电化学性能。金属卤化物掺杂使得电子传输材料退火形成结晶的过程中趋向于异质成核，相对于同质成核，可显著降低了电子传输材料晶粒的尺寸；有利于增强电子传输材料的量子效应，增大电子传输材料的带隙，降低电子传输材料的导带。而通过调整金属卤化物的掺杂量可调控金属卤化物对电子传输材料晶粒尺寸的影响，从而实现对电子传输材料能带结构的灵活调控，使电子传输材料满足不同体系钙钛矿器件中能级匹配需求，减少器件由于能级失配引起的非辐射复合，降低能量损失，提高器件的开路电压。另外，通过掺杂金属卤化物对电子传输材料晶粒尺寸的调整，有利于降低电子传输材料的成膜粗糙度，提高膜层亲水性，当其应用到钙钛矿器件中，形成的表面粗糙度低且亲水性高的电子传输层，有利于诱导钙钛矿均质成核，获得晶粒尺寸更大、晶界更少的高质量钙钛矿薄膜，有利于降低钙钛矿中的缺陷态密度，减少缺陷引起的非辐射复合，从而提高器件的性能。本申请制备方法，工艺简单、组分含量可控，电子传输材料的带隙及导带位置连续可调。

11、本申请第二方面提供的电子传输层，其制备包括步骤，制备电子传输材料的前驱体溶液，将金属卤化物与所述前驱体溶液进行混合处理后，使金属卤化物与前驱体形成混合的络合物，沉积在衬底表面，再进行退火处理，在退火过程中金属卤化物掺杂使得电子传输材料趋向于异质成核的结晶方式，可显著降低电子传输材料晶粒的尺寸，增强电子传输材料的量子效应，增大电子传输材料的带隙，降低电子传输材料的导带。且小粒径的电子传输材料有利于降低金属卤化物杂化的电子传输层的表面粗糙度，提高电子传输层的表面亲水性，当其应用到钙钛矿器件中，有利于诱导钙钛矿均质成核，获得晶粒尺寸更大、晶界更少的高质量钙钛矿薄膜，从而提高器件的电化学性能。另外，通过调整金属卤化物的掺杂量可调控对电子传输材料晶粒尺寸的影响，从而实现对电子传输层能带结构、表面粗糙度、亲水性的灵活调控，使电子传输层满足不同体系钙钛矿器件的应用需求，减少器件由于能级失配引起的非辐射复合，降低能量损失，降低钙钛矿中的缺陷态密度，减少缺陷引起的非辐射复合，从而提高器件的开路电压和光电转换效率。

12、本申请第三方面提供的钙钛矿光伏器件的电子传输层中，由于包含有上述电子传输材料或者电子传输层，不但其能级可与钙钛矿活性层灵活匹配，而且提高了电子传输层的表面平整度，降低了粗糙度，增加了亲水性，有利于促进钙钛矿均质成核，有利于获得晶粒尺寸更大、晶界更少的钙钛矿薄膜质量。减少钙钛矿中的缺陷，降低缺陷引起的非辐射复合，提高器件的光伏性能。

技术特征：

1.一种电子传输材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的电子传输材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液选自氧化锌前驱体溶液；

3.如权利要求2所述的电子传输材料的制备方法，其特征在于，所述电子传输材料中包含无晶格掺杂的卤化铅与氧化锌，且所述卤化铅与所述氧化锌的摩尔比为(1～12)：100。

4.如权利要求3所述的电子传输材料的制备方法，其特征在于，所述电子传输材料中，所述氧化锌的粒径从1nm到9nm连续可调；

5.如权利要求1～4任一项所述的电子传输材料的制备方法，其特征在于，所述退火处理的步骤包括：将所述金属卤化物溶解在所述前驱体溶液中后，在温度为100～200℃的条件下退火10～30分钟，得到所述金属卤化物杂化的电子传输材料；

6.一种电子传输层，其特征在于，所述电子传输材料的制备包括步骤：

7.如权利要求6所述的电子传输层，其特征在于，所述前驱体溶液选自氧化锌前驱体溶液；

8.如权利要求7所述的电子传输层，其特征在于，所述电子传输层中包含无晶格掺杂的卤化铅与氧化锌，且所述卤化铅与所述氧化锌的摩尔比为(1～12)：100；

9.如权利要求6～8任一项所述的电子传输层，其特征在于，所述电子传输层的表面粗糙度从1nm到9nm连续可调；

10.一种钙钛矿光伏器件，其特征在于，所述钙钛矿光伏器件的电子传输层中包括如权利要求1～5任一项所述的电子传输材料，或者所述钙钛矿光伏器件的电子传输层采用如权利要求6～9所述的电子传输层。

技术总结
本申请属于光电材料技术领域，尤其涉及一种电子传输层、电子传输材料的制备方法和应用。其中，电子传输材料的制备方法，包括步骤：制备电子传输材料的前驱体溶液；将金属卤化物与所述前驱体溶液进行混合处理，退火处理，得到金属卤化物杂化的电子传输材料；其中，所述金属卤化物中金属元素选自铅、钙、铁、钴、镍、铜中的至少一种。本申请电子传输材料的制备方法，工艺简单、组分含量可控，通过调整金属卤化物的掺杂量可实现对电子传输层能带结构、表面粗糙度、亲水性的灵活调控，使电子传输层满足不同体系钙钛矿器件的应用需求，减少器件非辐射复合，降低能量损失，提高器件的光电性能。

技术研发人员：徐保民,李亚茹,章勇,吴佳汶,刘畅
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15