一种基于核壳电荷传输层的太阳能电池及其制备方法

本发明属于太阳能电池，更具体地，涉及一种基于核壳电荷传输层的太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、太阳能以其取之不尽、用之不竭和清洁无污染等特点而受到广泛研究。太阳能电池直接将光能转化成电能可直接用于生产生活中，因此制备高效、稳定、低成本的太阳能电池对于解决当前面临的能源危机具有重要意义。太阳能电池在工作的过程中面临着电荷注入以及复合等损失，大幅度限制了太阳能电池的极限效率。

2、氧化钛(tio2)、氧化镍(nio)等是钙钛矿太阳能电池中常用的电荷传输材料，但其本身的低电导率制约了被提取电荷的体相传输，这可能会导致电荷回传以及界面的非辐射复合，限制了钙钛矿太阳能电池效率的进一步提升。而氧化铟锡(ito)、氧化锡锑(ato)等导电材料虽然具有良好的电导率，但其表面过大的载流子浓度同样会导致严重的非辐射复合，影响器件效率。因此，需要在表面不引入过大载流子浓度的情况下提升体相电导率，从而提高电荷传输层的体相传输，抑制表面载流子复合，提升器件效率。

3、电荷传输材料本质上的低电导率限制了钙钛矿太阳能电池效率的进一步提升，这主要是由于埋底界面处的电子积累和器件内部不平衡的载流子传输。提升电荷传输材料电导率的策略很多，如掺杂或复合电荷传输材料。

4、对氧化钛(tio2)进行氮掺杂是提高载流子迁移率的有效手段，其电子迁移率增加到了0.5cm2v-1s-1，同时氮的掺杂可以防止钙钛矿/电子传输层、电极/电子传输层异质结中可能的电子消耗，最终导致填充因子(ff)的大幅提升。将p型的碲化镉(cdte)纳米晶嵌入到n型的氧化钛(tio2)的粒子界面处也可以大幅提高氧化钛(tio2)的载流子迁移率，同时嵌入的p-n异质界面还可以形成局部内置电场促进电子在相邻氧化钛(tio2)之间的转移，有效提升器件效率。

5、通过对电荷传输材料进行掺杂虽然可以大幅提高其电导率，但随着掺杂浓度增大导电性提高的同时，也会在表面引入过大的载流子浓度造成额外的复合，因此需要对电导率和载流子浓度进行权衡，最终合适掺杂浓度的电荷传输材料的电导率与导电粒子相比还有很大的差距。而在n型传输材料的粒子界面处嵌入p型材料的策略需要使用脉冲激光，设备昂贵且工艺复杂，不利于大规模的产业应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供基于核壳电荷传输层的太阳能电池及其制备方法，其中通过在导电层上保型沉积电荷传输材料或宽带隙材料，形成核壳结构的电荷传输层。核心的导电粒子具有优良的导电性可以保证电荷在体相的高效传输；而作为壳层的电荷传输层或超薄绝缘遂穿层具有低的表面载流子浓度，可以保证良好的载流子提取，降低界面复合。这种核壳结构的电荷传输层可以在保证载流子高效提取的前提下大幅增强体相的电荷传输，提升钙钛矿太阳能电池器件效率。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于核壳结构电荷传输层的太阳能电池，该太阳能电池包括导电基底(1)和依次沉积于该导电基底(1)上的多孔电荷传输层(2)、多孔间隔层(3)及多孔背电极层(4)，其中多孔电荷传输层(2)、多孔间隔层(3)及多孔背电极层(4)中的至少一层其孔隙中还填充有光活性材料；

3、并且，所述多孔电荷传输层(2)为核壳结构的复合电荷传输材料形成的多孔薄膜；所述核壳结构的复合电荷传输材料为以导电材料为核层、以半导体电荷传输材料或宽带隙材料为壳层的核壳结构复合材料，所述宽带隙材料的带隙大于等于2.2ev。

4、优选地，所述导电材料为ti、sn、zn、au、ag、cu、fe、ito、ato、fto、azo、tih、tin、tic、ticn、tib、tialn、zrn、lab6中的一种或多种；所述半导体电荷传输材料为tio2、sno2、zno、basno3、pcbm、pedot、cu2o、nio、moox、spiro中的一种或多种；所述宽带隙材料为sio2、zro2、al2o3、mgo、pmma、二维钙钛矿中的一种或多种。

5、优选地，所述导电材料的粒径为5～200nm；所述半导体电荷传输材料的厚度为5-50nm；所述宽带隙材料的厚度为5-50nm。

6、优选地，所述多孔间隔层(3)为多孔zro2层、多孔sio2层、多孔al2o3层中的一种或多种。

7、优选地，所述光活性材料为钙钛矿类半导体材料或禁带宽度不超过2ev的半导体材料；所述钙钛矿类半导体材料其化学通式为abx3，其中a为甲胺、甲脒、碱金属元素中的至少一种，b为铅、锡中至少一种，x为碘、溴、氯中至少一种。

8、优选地，所述多孔间隔层(3)的孔径小于500nm；所述多孔背电极层(4)的孔径大于500nm。

9、优选地，所述多孔薄膜的电荷传输层(2)的孔径小于500nm。

10、根据本发明另一方面，提供了任意一项所述基于核壳电荷传输层的太阳能电池的方法，包括以下步骤：

11、(1)在导电基底上制备一层多孔导电层；

12、(2)在所述多孔导电层上保型沉积一层电荷传输层，形成以导电材料为核层、以半导体电荷传输材料或宽带隙材料为壳层的核壳结构的复合电荷传输层；

13、(3)在所述复合电荷传输层上依次层叠多孔间隔层和多孔背电极层，烧结后得到太阳能电池框架结构；

14、(4)将光活性材料前驱液涂在所述步骤(3)得到的太阳能电池框架结构上，使所述光活性材料前驱液从上至下填充于所述多孔背电极、所述多孔间隔层及所述核壳结构的复合电荷传输层的多孔中，烘干除去所述前驱液中的溶剂后即得到基于核壳电荷传输层的太阳能电池。

15、优选地，所述步骤(3)中，所述多孔背电极层为多孔碳电极层。

16、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

17、有益效果：

18、(1)本发明采用以导电材料为核层、以电荷传输材料或宽带隙材料为壳层的核壳结构复合材料构成电荷传输层。当该核壳结构复合材料构成电荷传输层时，以ito为核层、tio2为壳层为例，核层ito具有远高于tio2的优良电导率，壳层tio2能带位置与吸光材料(尤其是钙钛矿类吸光材料)相匹配，且具有良好的电子提取效率，从而大大增加体相的电导率，且拥有低的表面载流子浓度。从而减少界面载流子复合，提高载流子传输效率。

19、(2)当以导电材料为核层、以电荷传输材料或宽带隙材料为壳层的核壳结构复合材料构成电荷传输层，既能阻挡空穴直接向导电基底传输或作为光活性材料支架的作用，同时体相的导电材料实现了优良的电导率，协同作用可以实现载流子的高效提取和高效传输，从而提高太阳能电池的光电转效率。

20、(3)本发明利用核壳结构复合材料促进太阳能电池中载流子的高效提取和传输，从而实现更高的光电转换效率。本发明制备工艺简单，利用核壳结构复合材料来改善电荷在整个太阳能电池中的提取与传输。

技术特征：

1.一种基于核壳结构电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池包括导电基底(1)和依次沉积于该导电基底(1)上的多孔电荷传输层(2)、多孔间隔层(3)及多孔背电极层(4)，其中多孔电荷传输层(2)、多孔间隔层(3)及多孔背电极层(4)中的至少一层其孔隙中还填充有光活性材料；

2.如权利要求1所述基于多孔核壳结构电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，所述导电材料为ti、sn、zn、au、ag、cu、fe、ito、ato、fto、azo、tih、tin、tic、ticn、tib、tialn、zrn、lab6中的一种或多种；所述半导体电荷传输材料为tio2、sno2、zno、basno3、pcbm、pedot、cu2o、nio、moox、spiro中的一种或多种；所述宽带隙材料为sio2、zro2、al2o3、mgo、pmma、二维钙钛矿中的一种或多种。

3.如权利要求1或2所述基于多孔核壳结构电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，所述导电材料的粒径为5～200nm；所述半导体电荷传输材料的厚度为5-50nm；所述宽带隙材料的厚度为5-50nm。

4.如权利要求1所述基于核壳电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，所述多孔间隔层(3)为多孔zro2层、多孔sio2层、多孔al2o3层中的一种或多种。

5.如权利要求1所述基于核壳电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，所述光活性材料为钙钛矿类半导体材料或禁带宽度不超过2ev的半导体材料；所述钙钛矿类半导体材料其化学通式为abx3，其中a为甲胺、甲脒、碱金属元素中的至少一种，b为铅、锡中至少一种，x为碘、溴、氯中至少一种。

6.如权利要求1所述基于核壳电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，所述多孔间隔层(3)的孔径小于500nm；所述多孔背电极层(4)的孔径大于500nm。

7.如权利要求1所述基于核壳电荷传输层的太阳能电池，其特征在于，所述多孔薄膜的电荷传输层(2)的孔径小于500nm。

8.制备如权利要求1-7任意一项所述基于核壳电荷传输层的太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述多孔背电极层为多孔碳电极层。

技术总结
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种基于核壳结构电荷传输层的太阳能电池及其制备方法，包括导电基底和依次沉积于该导电基底上的多孔电荷传输层、多孔间隔层及多孔背电极层，其中多孔电荷传输层、多孔间隔层及多孔背电极层中的至少一层其孔隙中还填充有光活性材料，多孔电荷传输层为核壳结构的复合电荷传输材料形成的多孔薄膜。本发明利用体相导电、表面电荷提取的多孔核壳电荷传输层的复合结构代替普通电荷传输材料，既能够实现与钙钛矿界面的电荷高效提取，又能够保证载流子在体相的高效传输，采用一些宽带隙材料例如二氧化硅等作为超薄遂穿层还能够有效钝化表面缺陷，在不影响电荷提取的情况下抑制界面载流子复合。

技术研发人员：韩宏伟,梅安意,陈凯
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15