有機金屬鹵化物鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固態(tài)太陽能電池、涉及異質(zhì)結(jié)、并涉及制備太陽能電池的方法。
[0002]作為本發(fā)明的基礎(chǔ)的摶術(shù)背景和問題
[0003] 由于其可調(diào)的帶隙和其高的光學(xué)吸收橫截面，量子點（QD)已經(jīng)吸引大量的關(guān)注。 h很多研宄項目試圖將QD整合到太陽能電池裝置中，包括納米晶體（NC)-聚合物雜化太陽 能電池、NC-肖特基（Schottky)太陽能電池、NC-敏化的二氧化鈦（Ti02)太陽能電池、和NC 雜化雙層太陽能電池。4_12最近，調(diào)查集中于QD異質(zhì)結(jié)太陽能電池，通過將作為薄的間隔物 層的氧化物NC〇102或ZnO)放置在QD與FT0之間，使用那些異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)觀察到5-6 %的效 率。&21此外，已經(jīng)證實具有相同結(jié)構(gòu)的串聯(lián)的QD太陽能電池。22在類似的基于QD的太陽 能電池結(jié)構(gòu)中還證實多激子產(chǎn)生（MEG)效應(yīng)。23該異質(zhì)結(jié)QD太陽能電池示出有前景的光 伏性能，然而其仍然必須面對阻止其實現(xiàn)較高的效率的若干問題例如：穩(wěn)定性、低開路電壓 和重新組合（recombination)的問題。
[0004] 本發(fā)明解決包含液體電解質(zhì)的裝置的缺點，例如由在長期密封中特別是在溫度循 環(huán)測試中的困難引起的溶劑蒸發(fā)和水滲透到太陽能電池內(nèi)的問題。
[0005] 本發(fā)明還解決包含有機空穴導(dǎo)體材料的裝置的缺點，例如用這樣的空穴導(dǎo)體觀察 到的不完全的孔填充。特別地，例如，空穴導(dǎo)體傾向于不均等地穿透使用多孔半導(dǎo)體陽極的 敏化太陽能電池的中孔膜（mesoporousfilm)。此外，本發(fā)明解決空穴導(dǎo)體的氧化問題?？?穴導(dǎo)體的氧化可以引起穩(wěn)定性問題并且沒有一致性。此外，本發(fā)明解決用現(xiàn)有技術(shù)中使用 的導(dǎo)體觀察到的低空穴迀移率（holemobility)的問題，與液體電解質(zhì)相比，所述空穴迀移 率是低的。
[0006] 本發(fā)明尋求提供可以使用容易獲得的低成本材料、使用基于工業(yè)上已知的制造步 驟的短的制造程序以高效的方式快速制備的高效太陽能電池。
[0007] 本發(fā)明解決用某些敏化太陽能電池觀察到的穩(wěn)定性問題。
[0008] 發(fā)明概沐
[0009] 顯著地，本發(fā)明提供新穎的固態(tài)太陽能電池。該太陽能電池與先前已知的太陽能 電池不同，特別地由于其簡單結(jié)構(gòu)而不同。通常，新穎的太陽能電池包含容易獲得的材料并 可以以經(jīng)濟的方式制造。新穎的太陽能電池可以避免與使用電解質(zhì)或空穴傳輸材料相關(guān)的 缺點。
[0010] 在一個方面，本發(fā)明提供包含導(dǎo)電支撐體層和表面增加的支架結(jié)構(gòu)的固態(tài)太陽能 電池，其中一個或更多個有機-無機鈣鈦礦層設(shè)置在所述支架結(jié)構(gòu)上或在設(shè)置在所述支架 結(jié)構(gòu)上的任選的保護層上，且其中對電極和/或金屬層設(shè)置為與所述鈣鈦礦層電接觸。
[0011] 在一個方面，本發(fā)明提供包含導(dǎo)電支撐體層和納米結(jié)構(gòu)的支架層的固態(tài)太陽能電 池，其中一個或更多個有機-無機鈣鈦礦層設(shè)置在所述支架層上或在設(shè)置在所述支架結(jié)構(gòu) 上的任選的保護層上，且其中對電極和/或金屬層設(shè)置為與所述鈣鈦礦層電接觸。
[0012] 在一個方面，本發(fā)明提供包含導(dǎo)電支撐體層的固態(tài)異質(zhì)結(jié)，表面增加的支架結(jié)構(gòu) 設(shè)置在所述導(dǎo)電支撐體層上，其中有機-無機鈣鈦礦層設(shè)置在所述支架結(jié)構(gòu)上或在設(shè)置在 所述支架結(jié)構(gòu)上的任選的保護層上。
[0013] 在另外的方面，本發(fā)明提供包含本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)的太陽能電池。
[0014] 在一個方面，本發(fā)明提供制備固態(tài)太陽能電池的方法，所述方法包括以下的步 驟：
[0015] -設(shè)置導(dǎo)電支撐體層，表面增加的支架結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述導(dǎo)電支撐體層上；
[0016] -在所述支架結(jié)構(gòu)上或在可以設(shè)置在所述支架結(jié)構(gòu)上的保護層上應(yīng)用一個或更多 個有機-無機鈣鈦礦層；以及，
[0017]-應(yīng)用對電極。
[0018] 在一個方面，本發(fā)明提供制備固態(tài)太陽能電池的方法，所述方法包括以下的步 驟：
[0019] -設(shè)置導(dǎo)電支撐體層，表面增加的納米結(jié)構(gòu)的支架層設(shè)置在所述導(dǎo)電支撐體層 上；
[0020] -在所述支架結(jié)構(gòu)上或在可以任選地設(shè)置在所述支架結(jié)構(gòu)上的保護層上應(yīng)用一個 或更多個有機-無機鈣鈦礦層；以及，
[0021] _應(yīng)用對電極。
[0022] 在一個方面，本發(fā)明提供制備異質(zhì)結(jié)的方法，所述方法包括在納米結(jié)構(gòu)的支架層 上應(yīng)用一個或更多個有機-無機鈣鈦礦層的步驟。
[0023] 本發(fā)明的另外的方面和優(yōu)選的實施方案在下文中和在所附權(quán)利要求中界定。根 據(jù)下文給出的優(yōu)選的實施方案的描述，本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點對技術(shù)人員將變得明顯 的。
[0024] 附圖簡沐
[0025] 圖1示意性地代表根據(jù)本發(fā)明的實施方案的太陽能電池的裝置結(jié)構(gòu)⑷和根據(jù)本 發(fā)明的實施方案的基于〇1 3冊^^13/1102異質(zhì)結(jié)的太陽能電池的能級圖（B)。
[0026] 圖2 :A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案在下文的實施例中制備的有機鉛鹵化物鈣 鈦礦異質(zhì)結(jié)太陽能電池的橫截面的通過電子顯微鏡獲得的圖像；B1示出在玻璃上（下方的 且紅色的曲線）和在中孔Ti02膜上（上方的且藍色的曲線）的CH3NH3Pblj^X射線衍射 (XRD)圖譜。
[0027] 圖3示出碘化鉛鈣鈦礦/Ti02異質(zhì)結(jié)太陽能電池在0.1陽光光照和1陽光光照下 的J-V特性（A)和第一裝置的IPCE光譜（B)。
[0028] 圖4示出碘化鉛鈣鈦礦/Ti02異質(zhì)結(jié)太陽能電池在1陽光光照下的J-V特性（A) 和優(yōu)化的裝置的IPCE光譜（B)。
[0029] 圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案使用的有機-無機鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和在這些 結(jié)構(gòu)中可以出現(xiàn)的可能的能級圖A或能級圖B。
[0030] 優(yōu)詵實施方案的詳沐
[0031] 本發(fā)明提供異質(zhì)結(jié)、太陽能電池和制造異質(zhì)結(jié)和太陽能電池的方法。本發(fā)明的異 質(zhì)結(jié)可以用于太陽能電池、特別地用于本發(fā)明的太陽能電池。在下文中，更詳細地描述包含 這樣的異質(zhì)結(jié)的太陽能電池及其制造方法。
[0032] 根據(jù)實施方案，本發(fā)明的太陽能電池優(yōu)選地包含導(dǎo)電支撐體層，表面增加的支架 結(jié)構(gòu)優(yōu)選地設(shè)置在所述導(dǎo)電支撐體層上，其中有機-無機鈣鈦礦層優(yōu)選地設(shè)置在所述支架 結(jié)構(gòu)上，且其中對電極和/或金屬層設(shè)置為與所述鈣鈦礦層電接觸。根據(jù)實施方案，導(dǎo)電支 撐體層、支架結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦層和對電極以從本發(fā)明的太陽能電池的一側(cè)到另一側(cè)的這樣的 順序存在。如在本說明書中其他地方中所公開，保護層和/或空穴傳輸層可以或可以不存 在于例如在上文的層之間的適當(dāng)?shù)奈恢谩?br>[0033] 本發(fā)明的太陽能電池優(yōu)選地包含導(dǎo)電支撐體層。優(yōu)選地，導(dǎo)電支撐體層是大體上 透明的。"透明"意指對可見光的至少一部分透明、優(yōu)選地對可見光的主要部分透明。優(yōu)選 地，導(dǎo)電支撐體層對可見光的全部波長或類型是大體上透明的。此外，例如，導(dǎo)電支撐體層 可以對非可見光比如UV和IR輻射是透明的。
[0034] 根據(jù)實施方案，導(dǎo)電支撐體層提供本發(fā)明的太陽能電池的支撐體層。優(yōu)選地，太陽 能電池建造在所述支撐體層上。根據(jù)另一個實施方案，在對電極的側(cè)面上設(shè)置太陽能電池 的支撐體。在這種情況下，導(dǎo)電支撐體層（在圖1中的編號1)不一定提供對裝置的支撐， 但可以僅是集電體（currentcollector)或包含集電體，例如金屬箔。
[0035] 導(dǎo)電支撐體層優(yōu)選地起著集電體的作用和/或包含集電體，所述集電體收集從太 陽能電池獲得的電流。
[0036] 例如，導(dǎo)電支撐體層可以包含優(yōu)選地被涂覆在透明基底例如塑料或玻璃上的選自 以下的材料：銦摻雜的氧化錫（IT0)、氟摻雜的氧化錫（FT0)、Zn0-Ga203、Zn0_Al203、氧化錫、 銻摻雜的氧化錫（ATO)、SrGeO#P氧化鋅。在這種情況下，塑料或玻璃提供層的支撐結(jié)構(gòu)且 引用的導(dǎo)電材料提供導(dǎo)電性。通常，此類支撐體層分別被稱為導(dǎo)電玻璃和導(dǎo)電塑料（其因 此是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的導(dǎo)電支撐體層）。根據(jù)實施方案，導(dǎo)電支撐體層包含可以選自導(dǎo)電 玻璃和導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電透明層。
[0037] 例如，還可以通過諸如鈦箔或鋅箔的導(dǎo)電金屬箔提供集電體。不透明的導(dǎo)電材料 可以被用作集電體，特別是在不暴露于待被裝置捕獲的光的裝置的側(cè)面上。例如，此類金屬 箔已經(jīng)被用于柔性裝置，例如由SeigoIto等，Chem.Commun. 2006, 4004-4006公開的那些。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的實施方案，表面增加的支架結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述導(dǎo)電支撐結(jié)構(gòu)上或在可 以設(shè)置在所述支架結(jié)構(gòu)上的保護層上。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池和異質(zhì)結(jié)的實施方案，表面增加的支架結(jié)構(gòu)是納米結(jié)構(gòu) 的和/或納米多孔的。因此，優(yōu)選地，支架結(jié)構(gòu)以納米尺度結(jié)構(gòu)化。與導(dǎo)電支撐體的表面相 比，所述支架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)增加有效表面。
[0040] 可以從選自多種不同材料的任何一種或組合制造支架材料。根據(jù)實施方案，本發(fā) 明的太陽能電池和/或異質(zhì)結(jié)的表面增加的支架結(jié)構(gòu)包含選自由以下組成的組的材料、基 本上由選自由以下組成的組的材料組成或由選自由以下組成的組的材料制成：半導(dǎo)體材 料、導(dǎo)電材料、非導(dǎo)電材料和前述材料中的兩種或更多種的組合。
[0041] 根據(jù)實施方案，所述支架結(jié)構(gòu)由金屬氧化物制成和/或包含金屬氧化物。例如， 支架結(jié)構(gòu)的材料選自例如半導(dǎo)體材料，比如Si、Ti02、Sn02、Fe