一种基于核壳电荷传输层的太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，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

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。

氧化钛(TiO

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。

对氧化钛(TiO

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。

发明内容

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。

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；

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。

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、LaB

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。

优选地，所述多孔间隔层(3)为多孔ZrO

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ABX

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。

优选地，所述多孔薄膜的电荷传输层(2)的孔径小于500nm。

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：

(1)在导电基底上制备一层多孔导电层；

(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；

(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；

(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。

优选地，所述步骤(3)中，所述多孔背电极层为多孔碳电极层。

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

有益效果：

(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、TiO

(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。

(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。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种基于核壳电荷传输层太阳能电池的电池结构示意图；其中：1-导电基底，2-电荷传输层，3-多孔间隔层，4-多孔背电极层。

图2是本发明实施例1的器件效率对比图。

图3是本发明实施例2的器件效率对比图。

图4是本发明实施例3的器件效率对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明一种基于多孔核壳结构电荷传输层的太阳能电池，其结构示意图如图1所示。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，即光活性材料填充在所有多孔层中(即多孔电荷传输层2、多孔间隔层3和多孔背电极4中)。

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。

实施例1：基于以ITO作为核层，TiO

器件以导电玻璃为导电基板1，丝网印刷一层一定厚度例如800nm的ITO多孔导电核层，再通过化学浴沉积保型沉积一定厚度例如5nm的TiO

多孔导电核层2为ITO多孔纳米晶层，将均一稳定颗粒大小例如为30nm的ITO纳米颗粒或颗粒大小例如为30nm的TiO

实施例2：基于以TiN作为核层，TiOxNy作为壳层的核壳结构复合材料作电荷传输层的钙钛矿太阳能电池

器件以导电玻璃为导电基板1，丝网印刷一层一定厚度例如800nm的TiN多孔导电核层，再经过高温烧结例如400℃形成一定厚度例如5nm的TiOxNy电荷传输壳层从而形成核壳结构的电荷传输层2，然后自下而上以丝网印刷的方式依次多孔间隔层3，多孔背电极4，依次在高温例如400℃下烧结。

多孔导电核层2为TiN多孔纳米晶层，将均一稳定颗粒大小例如为30nm的TiN纳米颗粒或颗粒大小例如为30nm的TiO

实施例3：基于以Ti作为核层，MgO作为壳层的核壳结构复合材料作电荷传输层的钙钛矿太阳能电池

器件以导电玻璃为导电基板1，丝网印刷一层一定厚度例如800nm的Ti多孔导电核层，再经过气相沉积形成一定厚度例如5nm的MgO超薄遂穿层从而形成核壳结构的电荷传输层2，然后自下而上以丝网印刷的方式依次多孔间隔层,3，多孔背电极4，依次在高温例如400℃下烧结。

多孔导电核层2为Ti多孔纳米晶层，将均一稳定颗粒大小例如为30nm的Ti纳米颗粒或颗粒大小例如为30nm的TiO

上述各个实施例中，导电基底可以优选为导电玻璃或导电塑料，多孔电荷传输层为核壳结构的复合电荷传输材料，以导电材料为核层、以电荷传输材料或宽带隙材料为壳层；导电材料为Ti、Sn、Zn、Au、Ag、Cu、Fe、ITO、ATO、FTO、AZO、TiH、TiN、TiC、TiCN、TiB、TiAlN、ZrN、LaB

上述实施例中，烧结既可以采用每沉积一层烧结一次的方式，也可以采用沉积多层(如两层或以上)之后再烧结的方式，例如，如沉积多孔纳米晶层之后烧结一次，沉积多孔间隔层和多孔背电极层之后再烧结一次。

本发明中的光活性材料可以为吸光半导体材料，除了钙钛矿类半导体材料(对应于钙钛矿太阳能电池)外，还可以为具有光敏性质的有机材料(对应于有机太阳能电池)、或光敏染料(对应于染料敏化太阳能电池)等；在制备时，可将光活性材料前驱液滴涂在极化后的太阳能电池框架结构上(即滴涂在极化后的多孔背电极层上)，使该前驱液从上至下依次填充于多孔背电极、多孔间隔层及多孔纳米晶层的纳米孔中。以多孔纳米晶层填充光活性材料为例，在填充钙钛矿类半导体或窄禁带半导体材料等光活性材料之后，该多孔纳米晶层成为光活性层。

本发明中的核壳结构复合电子传输层，其层厚度可根据电池的需要来进行调节，例如100nm-5000nm(尤其优选500nm-1000nm)。可能引入导电核层以及电荷传输或宽带隙壳层，它们的制备方法均可参考现有技术，相应的，也可根据对层厚度要求等，灵活调整制备方法中的参数条件。本发明中核壳结构复合电子传输层(即以导电材料纳米颗粒为核、且以电荷传输材料或宽带隙材料为壳的具有核-壳结构的复合材料)，核层的粒径优选为5～200nm(优选为20～50nm)，壳层的粒径优选为5～200nm(优选为20～50nm)，以便于形成具有多孔结构的间隔层或纳米晶层。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。