一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法和用途与流程

本发明属于太阳能电池，涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法和用途。

背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池由于其具有可调的带隙、高的光吸收系数、长的载流子寿命及扩散长度、较高的缺陷容忍度、低成本的低温液相制备方法等优异的光电特性而受到广泛的关注。其中，钙钛矿太阳能电池主要分为正置结构钙钛矿电池(nip型)及反置结构钙钛矿电池(pin型)。

2、如cn113594373a提供了一种钙钛矿太阳能电池、制备方法、电池组件及光伏系统，该钙钛矿太阳能电池包括：透明导电基底；空穴传输层，空穴传输层包括设置于透明导电基底之上的致密层、及设于致密层之上并由无机空穴传输材料构成的纳米阵列层；设于纳米阵列层之上的钙钛矿光吸收层；设于钙钛矿光吸收层之上的电子传输层；以及设于电子传输层之上的金属电极。

3、目前单从效率而言钙钛矿太阳能电池已经完全媲美传统光伏电池。但是由于钙钛矿自身组份和结晶特性原因，其产业化仍然面临两个巨大挑战：大面积扩展和长期运行稳定性。目前大面积拓展的研究已有一定的进展，而钙钛矿太阳能电池的运行稳定性则是进一步将其推进产业化的另一关键。目前公开报道发布的钙钛矿稳定性研究都还集中在万小时甚至几千小时的量级，与硅电池的25年寿命相差甚远。分析其内部原因，高效的钙钛矿组份使用有机无机杂化的结构，容易在光、热、湿度和偏压的诱导下产生离子迁移和相变。其中离子迁移造成的金属电极腐蚀被认为钙钛矿长期稳定性最棘手的问题。因此通过各种方式抑制或者阻挡离子迁移是钙钛矿长期稳定性和产业化的必由之路。

4、现有文献中有使用稳定的铋金属或者tco层阻挡离子迁移的报道，但是铋金属的气化温度较高，蒸镀过程中仍会对底部温度敏感的钙钛矿造成影响；磁控溅射法制备的tco能量较高，也会对钙钛矿膜层和器件造成不可挽回的损伤。

5、因此，如何提升钙钛矿太阳能电池的长期运行稳定性，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法和用途。本发明通过半金属惰性合金电极层的加入，分隔了钙钛矿有机组份和金属电极，一方面不会对底层钙钛矿造成影响，另一方面还用于阻挡离子迁移防止卤素离子及其化合物和活泼金属电极接触反应，从而提高了钙钛矿太阳能电池的长期运行稳定性。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的底层、第一载流子传输层、钙钛矿吸光层、第二载流子传输层、半金属惰性合金电极层和金属电极层；

4、其中，所述底层包括导电基底层或底电池层。

5、本发明提供的钙钛矿太阳能电池，其类型不做特殊限定，可以为正置结构型钙钛矿电池(nip型)，也可以为反置结构钙钛矿电池(pin型)，具体的类型依据第一载流子传输层而第二载流子传输层的功能来判定(上述两个传输层，一层为电子传输层，一层为空穴传输层，依据电池类型进行适应性对应即可)。

6、同时，本发明提供的钙钛矿太阳能电池，当底层为导电基底层时，为单节电池，而底层为底电池时，则可以为叠层多电池结构。

7、且需要说明，本发明提供的半金属惰性合金电极层具体为电极层中的合金材料中含有半金属元素，半金属元素即为位于元素周期表金属向非金属过渡区域的元素。

8、本发明提供的钙钛矿太阳能电池结构中，半金属惰性合金电极层，膜层致密，且具有相对较低的电阻率和较温和的制备温度，不会损伤钙钛矿吸光层的质量，也不会影响载流子传输和收集，还可作为阻挡卤素离子迁移的屏障，防止与金属电极直接接触和反应，提高器件稳定性；从而提升了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性和器件性能。

9、本发明中，如果直接选用纯半金属材料作为电极层，由于熔点相对较高无法消除对前序步骤有机层的影响；而选用半金属惰性合金材料，其熔点较低制备温度更柔和对前序工艺制备的有机层的影响最低。

10、优选地，所述半金属惰性合金电极层中的半金属惰性合金的气化温度为100～200℃，例如100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、150℃、160℃、170℃、180℃、185℃、190℃或200℃等。

11、本发明中，如果半金属合金的气化温度过低，低于100℃，后续工艺超过100℃或电池长期运行时温度可能接近100℃不利于长期稳定性；而过高，超过150℃，又会无法消除高温过程对前序步骤的影响，也增加能量消耗未来量产成本不友好。

12、优选地，所述半金属惰性合金电极层包括单层结构或多层结构。

13、本发明中，半金属惰性合金电极层可以为单层结构，也可以为多层结构，本领域技术人员依据实际需求进行适应性选择和调整即可。

14、优选地，所述半金属惰性合金电极层的厚度为5～200nm，例如5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、130nm、150nm、180nm或200nm等，优选为5～15nm。

15、本发明中的半金属惰性合金电极层的厚度为总厚度，厚度过薄，低于5nm，很难起到有效阻挡离子迁移的作用稳定性难以保障；而厚度过厚，超过200nm，完全遮光对吸光层对光的吸收转化产生较大影响；进一步地调控至5～15nm时，既起到了有效阻挡离子迁移的作用，又不会较大的影响光吸收进而影响电池效率。

16、优选地，所述半金属惰性合金电极层在制备过程中的生长速度为例如或等。

17、本发明提供的生长速度，保证了得到的半金属惰性合金电极层膜层致密，而致密的膜层，才能更好地实现阻挡离子迁移；如果生长速度过快，超过则会导致薄膜不够致密阻挡离子迁移隔绝水氧的效果不如较低生长速率制备的致密薄膜。

18、优选地，所述半金属惰性合金电极层中的半金属惰性合金包括锡-铋合金、锑-铋合金、铜-铋合金、铋-银合金、铋铟、锑铟、锑-铋-锡、锑-镍-铋合金或锑-银合金中的任意一种或至少两种的组合。

19、本发明提供的半金属惰性合金，除半金属元素外，其他的金属元素为银铜导电效果更好，电流和填充更佳，而如何合金材料中均为半金属元素，则电流稍低，阻挡和隔绝效果会更好，且对器件长期运行稳定性也更有帮助

20、优选地，所述导电基底包括导电玻璃基底和/或柔性导电基底。

21、优选地，所述底电池包括钙钛矿底电池、硅底电池、铜铟镓硒底电池或碲化镉底电池中的任意一种或至少两种的组合。

22、优选地，所述金属电极中的金属元素包括金、银或铜中的任意一种或至少两种的组合。

23、需要说明，本发明提供的钙钛矿太阳能电池结构，除半金属惰性合金电极层的特殊限定外，其余结构的原料选择、厚度选择等，均为常规技术手段，本领域技术人员在合理范围内可获知的技术方案，本发明均适用。

24、底层包括导电基底或底电池，作为底电池或者底电极；根据电池结构不同，可以是单节电池tco导电玻璃基底或者柔性导电基底，也可以是叠层为基础的各种底电池，如钙钛矿底电池、硅底电池、cigs底电池或cdte底电池等。(导电基底层的基底上，底层包括导电基底层或底电池层。

25、第一载流子传输层，对电子或者空穴具有选择性传输作用，根据电池结构不同可以是电子传输层(etl)也可以是空穴传输层(htl)；

26、钙钛矿吸光层，新型卤化物钙钛矿光电材料，结构通式为abx3，x为卤素元素，既不限于铅基和锡基，也不限于全无机或者有机无机杂化，光学带隙范围1.1-2.3ev；

27、第二载流子传输层，对空穴或者电子有选择性传输作用，根据第一载流子传输层的选择而定类型，第一载流子传输层选择电子传输层则第二载流子传输层就选择空穴传输层，反之亦然；

28、金属电极，作为顶电极收集传输电流，一般为常见的贵金属如金银铜等。

29、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

30、在底层表面依次制备第一载流子传输层、钙钛矿吸光层、第二载流子传输层、半金属惰性合金电极层和金属电极层，得到所述钙钛矿太阳能电池。

31、优选地，所述第一载流子传输层的制备方法包括磁控溅射法、真空蒸镀法或溶液法中的任意一种或至少两种的组合。

32、优选地，所述钙钛矿吸光层的制备方法包括一步溶液法、两步溶液法、全真空蒸镀法或蒸镀和溶液混合两步法中的任意一种或至少两种的组合。

33、优选地，所述第二载流子传输层的制备方法包括磁控溅射法、真空蒸镀法或溶液法中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述半金属惰性合金电极层的制备方法包括真空蒸镀法、磁控溅射法、反应等离子体沉积法或丝网印刷法中的任意一种或至少两种的组合。

34、优选地，所述半金属惰性合金电极层的制备过程中，制备速度为例如或等。

35、优选地，所述金属电极层的制备方法包括真空蒸镀法、磁控溅射法、反应等离子体沉积法或丝网印刷法中的任意一种或至少两种的组合。

36、除半金属惰性合金电极层制备的特殊限定外，所述钙钛矿太阳能电池中各个结构成的制备方法，不仅仅上述提供的制备方法，本领域技术人员在合理范围内可获知的，制备得到本技术中的钙钛矿太阳的电池的制备方法，本发明均适用；且本领域技术人员可依据具体方法，适应性进行参数的选择和调整。

37、第三方面，本发明还提供一种如第一方面所述的钙钛矿太阳能电池的用途，所述用途包括将钙钛矿太阳能电池用于光伏系统中。

38、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

39、本发明提供的钙钛矿太阳能电池结构中，半金属惰性合金电极层，膜层致密，且具有相对较低的电阻率和较温和的制备温度，不会损伤钙钛矿吸光层的质量，也不会影响载流子传输和收集，还可作为阻挡卤素离子迁移的屏障，防止与金属电极直接接触和反应，提高器件稳定性；从而提升了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性和器件性能。