钙钛矿太阳能电池以及太阳能电池系统

技术领域

本申请涉及太阳能电池领域，具体而言，涉及一种钙钛矿太阳能电池以及太阳能电池系统。

背景技术

当前钙钛矿太阳能电池的制备流程为：首先在FTO(Fluorine Doped Tin Oxide，氟掺杂氧锡化物)导电玻璃上制备旋涂电子传输层，继而制备旋涂钙钛矿层，然后在钙钛矿层上制备旋涂空穴传输层，最终真空蒸镀金属电极。电子传输层可以将钙钛矿层产生的光生电子传输给ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)电极，并且阻挡光生空穴的传输。

但是，现有技术中，以二氧化钛作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的转换效率较低。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池以及太阳能电池系统，以解决现有技术中钙钛矿太阳能电池的转换效率较低的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种钙钛矿太阳能电池，包括第一电极层、电子传输层以及吸光层，其中，所述电子传输层位于所述第一电极层的表面上，所述电子传输层包括多个叠置的子层，多个所述子层的电子能级沿远离所述第一电极层方向依次递增；所述吸光层位于所述电子传输层远离所述第一电极层的表面上，所述吸光层的材料包括钙钛矿。

可选地，所述子层有三个，分别为沿远离所述第一电极层方向依次叠置的第一子层、第二子层以及第三子层。

可选地，所述第一子层的电子能级为-4.18eV，所述第二子层的电子能级为-4.05eV，所述第三子层的电子能级为-3.95eV。

可选地，所述第一子层的材料包括二氧化钛，所述第二子层的材料包括钛酸锶，所述第三子层的材料包括二氧化钛和石墨烯量子点。

可选地，所述第一子层为二氧化钛层，所述第二子层为钛酸锶层，所述第三子层为二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层。

可选地，所述第三子层中，所述石墨烯量子点与所述二氧化钛的混合比例范围为1：4～1：10。

可选地，所述钙钛矿太阳能电池还包括空穴传输层以及第二电极层，其中，所述空穴传输层位于所述吸光层远离所述电子传输层的表面上；所述第二电极层位于所述空穴传输层远离所述吸光层的表面上。

可选地，所述空穴传输层的材料包括spiro-MeOTAD(2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，所述第二电极层的材料包括金以及银中至少之一。

可选地，所述第一电极层的材料包括FTO导电玻璃以及ITO导电玻璃中至少之一。

根据本申请的另一方面，提供了一种太阳能电池系统，包括任一种所述的钙钛矿太阳能电池。

应用本申请的技术方案，在本申请的钙钛矿太阳能电池中，通过在第一电极层和吸光层之间设置包括沿远离第一电极层方向电子能级依次递增的多个叠层子层的电子传输层，形成一种“阶梯式”能级结构，相比采用二氧化钛作为电子传输层，本申请可以减少电子传输势垒，减少电子传输所需能量，改善钙钛矿太阳能电池结构中的电子传输，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例的钙钛矿太阳能电池结构示意图；

图2示出了根据本申请的实施例的钙钛矿太阳能电池能级分布示意图；

图3示出了根据本申请的实施例的钙钛矿太阳能电池完整结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

100、第一电极层；101、电子传输层；1011、第一子层；1012、第二子层；1013、第三子层；102、吸光层；103、空穴传输层；104、第二电极层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中钙钛矿太阳能电池的转换效率较低，为解决上述问题，本申请的实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池以及太阳能电池系统。

根据本申请的一种典型的实施例，提供了一种钙钛矿太阳能电池，如图1所示，上述钙钛矿太阳能电池包括第一电极层100、电子传输层101以及吸光层102，其中，上述电子传输层101位于第一电极层100的表面上，上述电子传输层101包括多个叠置的子层，多个上述子层的电子能级沿远离上述第一电极层方向依次递增；上述吸光层102位于上述电子传输层101远离上述第一电极层100的表面上，上述吸光层102的材料包括钙钛矿。

本申请上述的钙钛矿太阳能电池，通过包括沿远离第一电极层方向依次递增的多个叠层子层的电子传输层，形成一种“阶梯式”能级结构，从而减少电子传输势垒，使电子传输层到吸光层之间的能级差较小，改善钙钛矿太阳能电池结构中的电子传输，最终提高钙钛矿太阳能电池转化效率。

其中，上述多个上述子层中，与上述第一电极层接触的上述子层的电子能级高于上述第一电极层的电子能级，与上述吸光层接触的上述子层的电子能级低于上述吸光层的电子能级。

在实际的应用过程中，本申请的上述第一电极层的电子能级为-4.50eV，上述吸光层的电子能级为-3.80eV。

另外，本申请中，与上述第一电极层接触的上述子层与上述第一电极层之间的电子能级的能量差值为第一数值，现有技术中第一电极层与采用二氧化钛制成的电子传输层之间的电子能级的能量差值为第二数值，上述第一数值小于上述第二数值；本申请中，与上述吸光层接触的上述子层与上述吸光层之间的电子能级的能量差值为第三数值，现有技术中，吸光层与采用二氧化钛层制成的电子传输层之间的电子能级的能量差值为第四数值，上述第三数值小于上述第四数值。

具体地，如图1所示，上述电子传输层101包括多个叠置的子层，上述子层有三个，分别为沿远离上述第一电极层方向依次叠置的第一子层1011、第二子层1012以及第三子层1013。本申请上述第二子层的电子能级高于上述第一子层的电子能级，上述第三子层的电子能级高于上述第二子层的电子能级，通过在第一电极层和吸光层之间设置电子能级依次增加的三个子层，进一步实现了第一电极层与电子传输层，以及电子传输层与吸光层之间的能级结构的匹配，从而进一步地保证了电子传输势垒较低，进一步地保证了钙钛矿太阳能电池结构中的电子传输所需能量较少，进一步地保证了电池转化效率较高。

更为具体的，如图2所示，在本申请的一种实施例中，上述第一子层的电子能级为-4.18eV，上述第二子层的电子能级为-4.05eV，上述第三子层的电子能级为-3.95eV。

需要说明的是，如图2所示，在本申请的另一种实施例中，上述第一电极层的电子能级为-4.50eV，上述第一子层的电子能级为-4.18eV，上述第二子层的电子能级为-4.05eV，上述第三子层的电子能级为-3.95eV，上述吸光层的电子能级为-3.80eV，上述空穴传输层的电子能级为-2.6eV，上述第一子层的空穴能级为-7.38eV，上述第二子层的空穴能级为-7.13eV，上述第三子层的空穴能级为-7.13eV，上述吸光层的空穴能级为-5.30eV，其中，上述空穴能级是用于传输空穴的能级。

根据一种可选的实施例，本申请上述第一子层的材料包括二氧化钛，上述第二子层的材料包括钛酸锶，上述第三子层的材料包括二氧化钛和石墨烯量子点。本申请上述第三子层中，因为石墨烯量子点的存在，可以减少第三子层中的二氧化钛表面的羟基与甲胺离子的反应，避免吸光层的损耗，从而进一步提高本申请上述钙钛矿太阳能电池的稳定性。

本申请的实施例中，上述第一子层为二氧化钛层，上述第二子层为钛酸锶层，上述第三子层为二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层。本申请将包括二氧化钛层、钛酸锶层以及二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层的电子传输层引入钙钛矿太阳能电池结构中，形成了一种“阶梯式”能及结构，减少电子传输势垒，从而提高电池的转化效率。

具体地，通过实验，采用本申请电子传输层的钙钛矿太阳能电池的最优光电转换效率可以达到21.83％。因为上述二氧化钛层、钛酸锶层以及二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层的存在，形成了“阶梯式”能级结构，降低了各层之间的电子传输势垒，使得本申请钙钛矿太阳能电池中的能级结构之间更加匹配，减少了载流子的复合几率，相较于传统钙钛矿太阳能电池，本申请上述钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高了20％。

为了进一步保证本申请上述钙钛矿太阳能电池的稳定性，上述第三子层中，上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例范围为1：4～1：10。在上述混合比例范围内形成的二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层，可以减少二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应，进而减缓钙钛矿太阳能电池的衰减分解，提高电池的稳定性，并且，通过多次试验，本申请上述钙钛矿太阳能电池在50％湿度条件下放置250h后，依然可以保持原效率的70％。

一种实施例中，应用本申请上述钙钛矿太阳能电池结构得到的电池，其电池性能参数如表1所示：

表1

根据本申请的另一种具体实施例，如图3所示，本申请上述钙钛矿太阳能电池还包括空穴传输层103以及第二电极层104，其中，上述空穴传输层103位于上述吸光层102远离上述电子传输层101的表面上；上述第二电极层104位于上述空穴传输层103远离上述吸光层102的表面上。通过空穴传输层可以将吸光层产生光生空穴传输给第二电极层，并且阻挡光生电子的进入，进一步地实现太阳能转电能的功能。

另外，如图2所示，本申请上述空穴传输层的空穴能级为-5.24eV。

具体地，本申请上述空穴传输层的材料包括spiro-MeOTAD，上述第二电极层的材料包括金以及银中至少之一。

本申请的实施例中，上述空穴传输层的材料为spiro-MeOTAD，上述第二电极层的材料为金属金或金属银。

需要说明的是，本申请上述第一电极层的材料包括FTO导电玻璃以及ITO导电玻璃中至少之一。

更为具体的一种实施例中，上述第一电极层的材料为FTO导电玻璃或者ITO导电玻璃。

根据本申请的又一种典型的实施例，提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，上述方法包括：

步骤S10，提供第一电极层，上述第一电极层包括FTO导电玻璃以及ITO导电玻璃中至少之一；

更为具体的，本申请采用丙酮、乙醇清洗FTO导电玻璃或者ITO导电玻璃，烘干并臭氧氧化30min，得到第一电极层。

步骤S20，在上述第一电极层的裸露表面上形成电子传输层，上述电子传输层包括多个叠置的子层，多个上述子层的电子能级沿远离上述第一电极层方向依次递增；

步骤S30，在上述电子传输层远离上述第一电极层的表面上形成吸光层，上述吸光层的材料包括钙钛矿。

其中，本申请上述子层有三个，分别为沿远离上述第一电极层方向依次叠置的第一子层、第二子层以及第三子层。

在一种更为具体的实施例中，上述第一子层的电子能级为-4.18eV，上述第二子层的电子能级为-4.05eV，上述第三子层的电子能级为-3.95eV。

本申请上述第一子层的材料包括二氧化钛，上述第二子层的材料包括钛酸锶，上述第三子层的材料包括二氧化钛和石墨烯量子点。

由上述三个子层的材料可知，本申请上述第一子层为二氧化钛层，上述第二子层为钛酸锶层，上述第三子层为二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层。

本申请步骤S20具体过程为：

步骤S201，采用异丙醇、浓硫酸、钛酸异丙酯配置二氧化钛前驱体溶液，设置旋涂仪以100-3000转/s速度于第一电极层上旋涂二氧化钛前驱体溶液1-10min，并采用平板加热器10-200℃烘干10-40min制备出二氧化钛层，即上述第一子层；

步骤S202，配置出钛酸锶/异丙醇溶液，并设置旋涂仪以100-3000转/s速度于二氧化钛层上旋涂1-10min，并采用平板加热器10-200℃烘干10-40min制备出钛酸锶层，即上述第二子层；

步骤S203，将石墨烯量子点加入异丙醇溶液中，充分溶解，并将其滴加进二氧化钛的异丙醇溶液中，利用超声震荡将混合溶液分散均匀，并于钛酸锶层上以2000-8000转/s旋涂10-50s，旋涂2-6次，最后采用平板加热器10-600℃烘干10-40min，制备出二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层，即上述第三子层，得到电子传输层。

并且，本申请将上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例范围控制在1：4～1：10之间，石墨烯量子点的存在可以减少二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应速率，进而减缓钙钛矿太阳能电池的衰减分解，进一步保证本申请上述钙钛矿太阳能电池的稳定性。

具体地，本申请步骤S30是采用旋涂法在第三子层上制备出吸光层。

另外，在步骤S30之后，上述方法还包括：步骤S40，在上述吸光层的远离上述电子传输层的表面上形成空穴传输层；在上述空穴传输层的远离上述吸光层的表面上形成第二电极层。

上述步骤S40的具体实现方式可以为：在上述吸光层远离上述电子传输层的表面上旋涂spiro-MeOTAD，制备出呈深棕红色的空穴传输层，并采用真空蒸镀法，在上述空穴传输层远离上述吸光层的表面上形成第二电极层。

其中，上述spiro-MeOTAD是分子式为C

按上述方法制备出钙钛矿太阳能电池后，最终对其进行封装电池测试。

根据本申请的另一种典型的实施例，提供了一种太阳能电池系统，包括任一种上述的钙钛矿太阳能电池。

在本申请的太阳能电池系统中，包括上述钙钛矿太阳能电池，通过在第一电极层和吸光层之间设置包括沿远离第一电极层方向电子能级依次递增的多个叠层子层的电子传输层，形成一种“阶梯式”能级结构，相比采用二氧化钛作为电子传输层，本申请可以减少电子传输势垒，减少电子传输所需能量，改善钙钛矿太阳能电池结构中的电子传输，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

本申请的一种实施例中，钙钛矿太阳能电池包括依次叠置的第一电极层、第一子层、第二子层、第三子层、吸光层、空穴传输层以及第二电极层，下面将结合实施例和对比例进一步说明本申请中，选择不同电子能级的材料形成子层，最终得到的钙钛矿太阳能电池的转换效率：

实施例1

在以下情况的钙钛矿太阳能电池中的第一电极层、吸光层以及空穴传输层的电子能级相同的情况下，

情况1)、当仅选择常规钙钛矿太阳能电池结构，也就是选择包括第一电极层、二氧化钛层、吸光层以及空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其中，二氧化钛层的电子能级为-4.18eV，其电池效率为18.27％；

情况2)、当选择包括第一电极层、二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层、吸光层以及空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其中，二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层的电子能级为-3.95eV，其电池效率为18.65％；

情况3)、当选择包括第一电极层、二氧化钛层、钛酸锶层、吸光层以及空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其中，二氧化钛层的电子能级为-4.18eV，钛酸锶层的电子能级为-4.05eV，其电池效率为19.75％；

情况4)、当选择包括第一电极层、二氧化钛层、二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层、吸光层以及空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其中，二氧化钛层的电子能级为-4.18eV，二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层的电子能级为-3.95eV，其电池效率为20.75％；

情况5)、当选择包括第一电极层、二氧化钛层、钛酸锶层、二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层、吸光层以及空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其中，二氧化钛层的电子能级为-4.18eV，钛酸锶层的电子能级为-4.05eV，二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层的电子能级为-3.95eV，也就是本申请上述钙钛矿太阳能电池结构，其电池效率为21.83％，可见，本申请的钙钛矿太阳能电池的电池效率高于上述的1)至4)情况中钙钛矿太阳能电池的电池效率。

实施例2

采用与实施例1的情况5)相同的钙钛矿太阳能电池，并且，上述二氧化钛和石墨烯量子点的混合材料层中的石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例为1：4的情况下，此时上述二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应速率为10mol/(L×s)。

实施例3

采用与实施例1的情况5)相同的钙钛矿太阳能电池，不同之处仅在于上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例范围为1：10的情况下，上述二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应速率为8mol/(L×s)。

实施例4

采用与实施例1的情况5)相同的钙钛矿太阳能电池，不同之处仅在于上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例为1：7的情况下，上述二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应速率为6mol/(L×s)。

实施例5

采用与实施例1的情况5)相同材料的钙钛矿太阳能电池，不同之处仅在于上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例为1：12的情况下，上述二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应速率为12mol/(L×s)。

实施例6

采用与实施例1的情况5)相同材料的钙钛矿太阳能电池，不同之处仅在于上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例为1：2的情况下，上述二氧化钛表面的羟基与甲铵离子的反应速率为11mol/(L×s)。

比较实施例2至实施例6的钙钛矿太阳能电池可知，在上述石墨烯量子点与上述二氧化钛的混合比例范围在1：4～1：10范围内的情况下，上述电子传输层与吸光层的反应速率更小，起到了抑制羟基与甲铵离子反应的目的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、在本申请的钙钛矿太阳能电池中，通过在第一电极层和吸光层之间设置包括沿远离第一电极层方向电子能级依次递增的多个叠层子层的电子传输层，形成一种“阶梯式”能级结构，相比采用二氧化钛作为电子传输层，本申请可以减少电子传输势垒，减少电子传输所需能量，改善钙钛矿太阳能电池结构中的电子传输，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

2)、在本申请的太阳能电池系统中，包括上述钙钛矿太阳能电池，通过在第一电极层和吸光层之间设置包括沿远离第一电极层方向电子能级依次递增的多个叠层子层的电子传输层，形成一种“阶梯式”能级结构，相比采用二氧化钛作为电子传输层，本申请可以减少电子传输势垒，减少电子传输所需能量，改善钙钛矿太阳能电池结构中的电子传输，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。