本發(fā)明涉及太陽能電池技術領域，尤其涉及一種基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術：

鈣鈦礦太陽能電池是近幾年興起的一類非常具有前景的太陽能電池，其具有光電轉換效率高、成本低、制作簡單等突出優(yōu)點。因此，這類太陽能電池相關材料和器件工藝的研究成為最近國內外研究的前沿和熱點。目前提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率的主要技術手段，一是調整鈣鈦礦電池的材料成分，研發(fā)性能更加優(yōu)良的物質替代原類型的空穴傳輸層、鈣鈦礦層或電子傳輸層；二是優(yōu)化結構或調控鈣鈦礦電池各層的形貌來優(yōu)化界面性能。這些措施使得鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率(即PCE)在7年的時間內從3.8％迅速提高22.1％。

鈣鈦礦太陽能電池的種類按結構劃分可分為平面結構電池和介孔結構電池，平面結構根據(jù)底層電子傳輸層的類型不同又可分為n-i-p結構(正型)和p-i-n結構(反型)。P-i-n反型平面結構的電池通常沒有滯后效應，所謂滯后效應即在I-V特性測試過程中正測(從J_sc掃到V_oc)與反測(從V_oc掃到J_sc)有區(qū)別。常規(guī)正型n-i-p結構通常采用TiO₂作為電子傳輸層，這種類型的器件反測效率很高，但正測效率比反測效率低很多，因滯后效應往往導致難以獲得準確可靠的電池轉換效率(即PCE)。產生這種滯后效應的原因可能是鈣鈦礦層的離子遷移，或者鈣鈦礦層與電子傳輸層之間電學接觸不好，存在勢壘，從而產生電荷聚集，加劇滯后。

因此，改善鈣鈦礦層和電子傳輸層的電學接觸顯得尤為重要。氧化錫帶隙為3.6eV，導帶能級可達＞4.3eV，其導帶比TiO₂更低，與鈣鈦礦匹配時，更有利于電荷的轉移；而且氧化錫的遷移率比TiO₂高很多，因此，能夠極大地消除電池的滯后，同時也說明氧化錫比氧化鈦更適合做高效太陽能電池的電子傳輸層。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

鈣鈦礦電池中鈣鈦礦層的離子遷移，或鈣鈦礦層與電子傳輸層之間電學接觸不好，存在勢壘，從而產生電荷聚集，加劇了電池的滯后效應，造成電池轉換效率不準確，無法獲得效率準確的同時滿足電池的高效率要求。

(二)技術方案

本發(fā)明的主要目的是提出了一種鈣鈦礦太陽能電池，包括自下而上依次的襯底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層和金屬電極；

襯底用于將電子傳輸層的電子輸出到太陽能電池外部；電子傳輸層用于傳輸鈣鈦礦吸收層的電子到襯底；鈣鈦礦吸收層用于吸收太陽光能量失去電子形成空穴；空穴傳輸層用于傳輸所述鈣鈦礦吸收層的空穴，并將來自金屬電極的電子和空穴進行復合；金屬電極用于接收太陽能電池外輸入的電子；

其中，電子傳輸層的材料是氧化錫。電子傳輸層厚度為20nm至100nm。

襯底為導電玻璃。

鈣鈦礦吸收層材料是(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x。鈣鈦礦吸收層的厚度是300nm至900nm。

空穴傳輸層材料是Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)或PTAA(聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])。空穴傳輸層厚度為150nm至250nm。

金屬電極厚度為60nm至120nm。

另外，本發(fā)明還提出了一種鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括：

S1、在襯底上制備電子傳輸層；

S2、在電子傳輸層上依次制備鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層、金屬電極。

其中，電子傳輸層的材料為氧化錫。

在S1中包括：采用氧化錫納米顆粒溶液，通過旋涂-退火的工藝在襯底上制備所述電子傳輸層。退火工藝在低溫狀態(tài)下進行。

本發(fā)明提出的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，可以基本消除鈣鈦礦電池的滯后，從而得到穩(wěn)定、可靠、高效的電池效率。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提出的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦電池結構及其制備方法，能有效甚至完全改善平面鈣鈦礦電池中存在的滯后現(xiàn)象，獲得真實有效的光電轉換效率。

2、同時，基于本發(fā)明提出的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦電池，通過優(yōu)化鈣鈦礦吸收層，在幾乎完全消除滯后的同時，能使電池獲得非常高的光電轉換效率(即PCE)，其基本可達20％以上，經(jīng)美國Newport專業(yè)效率認證機構認證，確定可獲得了高達19.9±0.6％的效率。

3、通過本發(fā)明提出的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦電池制備方法，可以輕易地制備得到具有滯后效應低、高效率的電池器件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的具體實施例1基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的具體實施例1基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的I-V特性正測特性曲線及其參數(shù)表；

圖3是本發(fā)明提供的具體實施例1基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的I-V特性反測特性曲線及其參數(shù)表；

圖4本發(fā)明提供的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的制備流程示意圖。

其中，1是襯底，2是電子傳輸層，3是鈣鈦礦吸收層，4是空穴傳輸層，5是金屬電極

具體實施方式

氧化錫帶隙為3.6eV，導帶能級可達＞4.3eV，其導帶比TiO₂更低，與鈣鈦礦匹配時，更有利于電荷的轉移；而且氧化錫的遷移率比TiO₂高很多，因此，能夠極大地消除電池的滯后，同時也說明氧化錫比氧化鈦更適合做高效太陽能電池的電子傳輸層。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例1，并參照附圖1，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1本發(fā)明提供的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖，其組成結構由下至上依次包括：導電玻璃襯底1；氧化錫電子傳輸層2，其制作在導電玻璃襯底1上；鈣鈦礦吸收層3，其制作在氧化錫電子傳輸層2上；空穴傳輸層4，其制作在鈣鈦礦吸收層3上；金屬電極5，其制作在空穴傳輸層4上。

其中導電玻璃襯底1的是ITO，亦可是FTO，清洗后直接使用；氧化錫電子傳輸層2厚度為20nm至100nm；鈣鈦礦吸收層3的材料為(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x，厚度為300nm至900nm；空穴傳輸層4的材料為為Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)或PTAA(聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])，厚度為150nm至250nm；金屬電極5的材料為Au(金)，亦可是Ag(銀)，厚度為60nm至120nm。

對具體實施例1提供的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池進行I-V特性測試。測試結果如圖2I-V特性正測(從Jsc掃到Voc)特性曲線及其光電參數(shù)表所示，其正測的轉換效率(PCE)為20.54％；如圖3I-V特性反測(從Voc掃到Jsc)特性曲線及其光電參數(shù)表所示，其反測的轉換效率(PCE)為20.27％，其他參數(shù)差別亦可以忽略。因此，基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的滯后效應非常小甚至得到了消除。

綜上，根據(jù)具體實施例1所述的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，可以清晰、明確的體現(xiàn)本發(fā)明所述的技術方案有益效果。除此之外，本發(fā)明還提出了一種基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，該方法包括：

S1、在襯底上制備電子傳輸層；

S2、在電子傳輸層上依次制備鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層、金屬電極。

其中，在所述的S1中，所述的電子傳輸層采用氧化錫納米顆粒溶液，通過旋涂-退火的工藝制備。其中退火工藝需要在低溫狀態(tài)下進行，本領域中，低溫狀態(tài)是指退火溫度一般小于150℃。

為了更加清晰地體現(xiàn)基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，本發(fā)明提出了具體實施例2對其制備方法進行詳細的描述如下：

其步驟包括：

S1、在襯底上制備電子傳輸層。

步驟S1.1：對襯底ITO進行清洗：依次用洗滌劑，水，水，丙酮，異丙醇進行清洗；

步驟S1.2：采用在ITO上旋涂一層氧化錫納米顆粒薄膜，通過調節(jié)旋涂儀的轉速調節(jié)其厚度約為30nm，再進行低溫退火(150℃，30min)，形成氧化錫電子傳輸層；

S2、在電子傳輸層上依次制備鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層、金屬電極。

步驟S2.1：采用兩步旋涂溶液的方法，在氧化錫電子傳輸層上面旋涂鈣鈦礦溶液，再在空氣中進行退火(150℃，20min)，形成(FAPbI₃)_x(MAPbBr₃)_1-x鈣鈦礦吸收層3，其厚度約為600nm；

步驟S2.2：采用旋涂溶液的方法，在鈣鈦礦吸收層上面旋涂Spiro-OMeTAD溶液，形成Spiro-OMeTAD薄膜，制作空穴傳輸層，其厚度約為150nm；

步驟S2.3：采用蒸發(fā)沉積的方法，在空穴傳輸層4上面蒸發(fā)金屬電極(Au)金約80nm。

綜上，根據(jù)具體實施例2所述的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，可以清晰、明確的制備得到本發(fā)明所述的基于氧化錫電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。