一种多维钙钛矿协同结构太阳电池

本技术涉及钙钛矿太阳电池，具体涉及一种多维钙钛矿协同结构太阳电池。

背景技术：

1、钙钛矿太阳电池因其高光电转换效率、低成本和可调节的光学性质而备受关注。它们在未来能源市场中具有巨大潜力，尤其是在柔性和透明光伏器件方面。随着材料稳定性和制造工艺的不断改进，钙钛矿太阳电池有望在可再生能源领域实现大规模应用，推动绿色能源的普及。

2、湿度对传统钙钛矿太阳电池的稳定性有显著影响，主要通过以下机制导致材料降解。钙钛矿材料（如ch3nh3pbi3）在潮湿环境中易与水分子反应，生成水溶性产物（如pbi2）和有机组分（如ch3nh3i），导致钙钛矿晶体结构破坏，光电性能显著下降。水分子的渗透还会引起界面层和电极材料的脱附和腐蚀，加剧载流子复合，降低电荷传输效率。

3、传统钙钛矿太阳电池的光吸收和捕获能力较低，主要原因在于其单一三维钙钛矿材料结构。虽然三维钙钛矿材料具有良好的光吸收性能，但其厚度通常较薄，无法充分吸收和捕获整个太阳光谱。薄膜结构导致光在钙钛矿层中的路径较短，许多光子未被有效吸收就反射或透射出去。此外，钙钛矿材料表面和界面处的缺陷态会引起光生载流子的非辐射复合，进一步降低光电转换效率。

4、另外，传统钙钛矿太阳电池电荷传输效率低，主要原因在于材料和界面层的缺陷以及载流子迁移率的限制。首先，三维钙钛矿材料中的晶体缺陷和表面缺陷较多，这些缺陷态成为光生载流子的复合中心，导致载流子寿命缩短，减少了有效的电荷传输。其次，钙钛矿材料与电子传输层（etl）和空穴传输层（htl）之间的界面缺陷和不匹配问题，也严重影响了电荷的分离和传输效率。界面缺陷会形成势垒，阻碍电子和空穴的传输，加剧载流子复合。此外，传统钙钛矿材料的载流子迁移率相对较低，限制了电荷的传输速度，导致光电转换效率下降。电荷在钙钛矿层中的传输路径较长，增加了载流子在传输过程中的复合概率，进一步降低了电荷传输效率。

5、为了推动钙钛矿太阳电池的广泛应用，需要同时解决湿度稳定性、光吸收和捕获能力以及电荷传输效率等关键问题。现有技术通常难以在这三个方面同时取得显著进展。湿度稳定性方面，钙钛矿材料易受潮解和降解，需要有效的封装或表面钝化技术。光吸收和捕获方面，单一三维钙钛矿薄膜吸收路径有限，需通过多维结构设计提升光利用率。电荷传输效率方面，材料和界面缺陷导致的复合问题显著，需优化材料质量和界面工程。综合创新这些技术，开发出多维协同结构和高性能传输层，才能实现钙钛矿太阳电池在实用化中的突破。

技术实现思路

1、为解决以上问题，本发明提供了一种多维钙钛矿协同结构太阳电池，包括依次排布的金属电极层、空穴传输层、复合钙钛矿层、电子传输层、透明电极层。复合钙钛矿层包括二维钙钛矿层、零维钙钛矿层、三维钙钛矿层。二维钙钛矿层接触电子传输层；零维钙钛矿层包括多个钙钛矿量子点，零维钙钛矿层接触二维钙钛矿层；三维钙钛矿层的一侧覆盖钙钛矿量子点，三维钙钛矿层的另一侧接触空穴传输层。

2、本发明通过多维钙钛矿协同结构太阳电池，综合解决湿度稳定性、光吸收和捕获能力以及电荷传输效率三大问题。该结构包括依次排布的金属电极层、空穴传输层、复合钙钛矿层、电子传输层和透明电极层。复合钙钛矿层由二维钙钛矿层、零维钙钛矿层和三维钙钛矿层组成。二维钙钛矿层接触电子传输层，提供良好的环境稳定性和界面钝化；零维钙钛矿层由多个钙钛矿量子点组成，接触二维钙钛矿层，增强光吸收和载流子分离；三维钙钛矿层覆盖钙钛矿量子点，提供主要的光吸收路径，并与空穴传输层接触，确保高效电荷传输。此结构通过多维材料协同作用，显著提高钙钛矿太阳电池的整体性能，兼顾了稳定性、光电转换效率和传输效率，推动其实际应用。

3、更进一步地，金属电极层的材料为金或银，透明电极层的材料为ito或fto。

4、更进一步地，电子传输层的材料为二氧化钛或二氧化锡，空穴传输层的材料为spiro-ometad。

5、更进一步地，钙钛矿量子点为cspbbr3量子点、二维钙钛矿层为(pea)2(ma)2pb3br10、三维钙钛矿层为mapbbr3。选择cspbbr3量子点、(pea)2(ma)2pb3br10二维钙钛矿层和mapbbr3三维钙钛矿层，这种材料组合在多维钙钛矿协同结构太阳电池中具有多个优势。cspbbr3量子点具有高光吸收系数，在紫外到可见光范围内能有效吸收光子，增强整体光吸收能力。(pea)2(ma)2pb3br10作为二维钙钛矿层，具有优良的光吸收特性和稳定性，有助于提高整体的光捕获效率。mapbbr3作为三维钙钛矿层，具有高效的载流子分离和传输特性，同时与二维和零维钙钛矿材料的良好匹配增强了整体的结构稳定性。从能带结构来看，cspbbr3量子点的导带约为-3.0 ev，与(pea)2(ma)2pb3br10的导带（-3.2 ev）和mapbbr3的导带（-3.1 ev）较为接近，有利于电子的有效传输和减少能量损失。cspbbr3量子点的价带约为-5.7 ev，与(pea)2(ma)2pb3br10的价带（-5.8 ev）和mapbbr3的价带（-5.6 ev）相对接近，有利于空穴的有效传输和减少复合损失。这样的能带对齐优化了光电转换效率，减少了能量损失和载流子复合。此外，(pea)2(ma)2pb3br10具有较高的环境稳定性和抗湿性，可作为保护层，防止湿气和氧气对钙钛矿材料的降解，进一步增强了器件的长期稳定性。通过这种多维钙钛矿材料的协同作用，结合各自的光吸收、传输效率和稳定性优势，这种结构显著提升了钙钛矿太阳电池的光电转换效率和稳定性，推动了其实际应用。

6、更进一步地，钙钛矿量子点为cspbi3量子点、二维钙钛矿层为(ba)2(ma)2pb3i10、三维钙钛矿层为mapbi3。cspbi3量子点具有高光吸收系数和优良的光电性能，其导带位置约为-3.9 ev，价带位置约为-5.9 ev。这个能级结构使其能够有效吸收和捕获太阳光中的光子，并产生电子-空穴对。另一方面，(ba)2(ma)2pb3i10作为二维钙钛矿层，导带位置约为-4.0ev，价带位置约为-6.0 ev，具有较好的光吸收特性和环境稳定性。其层状结构可以有效钝化界面缺陷，减少载流子复合，从而提高光电转换效率。mapbi3作为三维钙钛矿层，导带位置约为-3.9 ev，价带位置约为-5.9 ev，具有高效的载流子分离和传输特性。从能带对齐的角度来看，cspbi3量子点的导带位置与mapbi3的导带位置匹配（均约为-3.9 ev），有利于电子的有效传输，减少了能量损失。价带位置也相匹配（均约为-5.9 ev），有助于空穴的有效传输和减少复合损失。这种良好的能带对齐优化了电荷的分离和传输路径，显著提升了光电转换效率。此外，(ba)2(ma)2pb3i10的导带和价带位置分别为-4.0 ev和-6.0 ev，与量子点和三维钙钛矿的能级位置接近，进一步确保了电荷的无障碍传输。同时，(ba)2(ma)2pb3i10作为二维钙钛矿层，具有较高的环境稳定性和抗湿性，可以作为保护层，防止湿气和氧气对钙钛矿材料的降解。通过这种多维钙钛矿材料的协同作用，结合各自的光吸收、传输效率和稳定性优势，这种结构显著提升了钙钛矿太阳电池的光电转换效率和稳定性，推动了其实际应用。

7、更进一步地，钙钛矿量子点的尺寸大于2纳米、小于8纳米。

8、更进一步地，钙钛矿量子点形成单层局部聚集排布。钙钛矿量子点的高吸光系数使其能够有效吸收入射光，单层局部聚集排布增大了量子点在活性层中的覆盖面积，从而提高了光子的吸收概率。此外，单层量子点的排布能够减少光在材料层中的反射和透射损失，使更多的光子被量子点捕获并吸收。同时，量子点局部聚集形成的近场光学效应进一步提高了光的捕获能力，增强了光与材料的相互作用。在电荷传输方面，量子点的局部聚集排布有助于形成局部电场，促进光生电子和空穴的高效分离，减少复合几率。单层量子点排布提供了较短的电荷传输路径，使电子和空穴能够快速传输至相邻的传输层（如etl和htl），从而减少在传输过程中复合的几率。此外，量子点的单层排布有利于均匀覆盖在钙钛矿层表面，有效钝化界面缺陷，减少界面复合中心，提高电荷传输效率。在材料稳定性方面，单层量子点的均匀排布可以在一定程度上保护钙钛矿材料免受环境湿气和氧气的侵蚀，从而增加器件的环境稳定性。同时，局部聚集排布的量子点层能够分散热量，减少因局部过热导致的材料降解，提高器件的热稳定性。通过这种设计，多维钙钛矿协同结构太阳电池能够在光吸收、载流子传输和材料稳定性方面同时取得显著提升，推动其在实际应用中的性能和可靠性。

9、更进一步地，零维钙钛矿层包括钙钛矿纳米棒。钙钛矿纳米棒的加入显著增强了光吸收能力。纳米棒的高长径比使其在捕获光子方面更有效，延长了光在材料中的路径，从而提高了光吸收效率。纳米棒能够与量子点协同工作，覆盖更广的光谱范围，特别是在长波长区域，进一步提升了整体的光吸收能力。钙钛矿纳米棒有助于优化电荷传输效率。一维结构的纳米棒提供了直接的电荷传输路径，减少了电子和空穴在传输过程中的散射和复合几率。量子点和纳米棒的结合可以形成一个高效的载流子传输网络，缩短电荷传输路径，提高载流子的迁移率。纳米棒的存在还可以促进量子点的界面钝化，减少界面缺陷态，进一步提高电荷传输效率。另外，钙钛矿纳米棒能够显著提升材料的稳定性。纳米棒具有更高的机械强度和化学稳定性，能够在一定程度上抵抗环境中的湿气和氧气侵蚀，减少材料降解。纳米棒与量子点的协同作用，可以形成更加稳定的复合结构，提升整体器件的环境耐受性和热稳定性，从而延长太阳电池的使用寿命。

10、更进一步地，钙钛矿纳米棒为cspbbr3纳米棒。cspbbr3纳米棒具有高光吸收效率和优异的电荷传输性能，一维结构提供了直接的电荷传输路径，减少了载流子复合。此外，其化学和热稳定性较高，增强了器件的环境耐受性和整体稳定性。

11、更进一步地，cspbbr3纳米棒的长度大于100纳米、小于1微米，cspbbr3纳米棒的直径大于10纳米、小于50纳米。较长的纳米棒（>100纳米，<1微米）提供了更长的光吸收路径，增强了光捕获能力，提高了光电转换效率。同时，较小的直径（>10纳米，<50纳米）确保了量子限制效应的显著性，提高了光吸收效率和载流子的分离效率。此外，这种尺寸范围的纳米棒能够优化电荷传输路径，减少载流子的散射和复合，从而提升电荷传输效率。尺寸适中的纳米棒还具有良好的机械和化学稳定性，增强了器件的环境耐受性和长期稳定性。

12、本发明的有益效果：

13、（1）本发明中的二维钙钛矿层具有较强的抗湿性和化学稳定性，能够作为保护屏障，防止湿气和氧气渗入，保护钙钛矿材料免受环境因素的影响。覆盖在三维钙钛矿层表面的量子点进一步钝化界面缺陷，减少了潮解和降解的可能性，从而延长了器件的使用寿命。

14、（2）本发明中的零维钙钛矿层极大地增强了光吸收和捕获能力。量子点和纳米棒的结合增加了光吸收材料的表面积，提高了光子的捕获概率。特别是纳米棒的一维结构提供了更长的光吸收路径，延长了光在材料中的路径，从而提高了整体的光吸收效率。此外，纳米棒的高长径比还增强了光捕获能力，特别是在长波长区域，进一步提升了太阳电池的光电转换效率。

15、（3）本发明通过多维钙钛矿材料的协同作用优化了电荷传输路径，一维结构的纳米棒为电荷提供了直接的传输路径，减少了电子和空穴在传输过程中的散射和复合几率。量子点和纳米棒的结合形成了高效的载流子传输网络，缩短了电荷传输路径，提高了载流子的迁移率。此外，量子点和纳米棒的界面钝化效果良好，减少了界面缺陷态，进一步提高了电荷传输效率。

16、综合以上有益效果，本发明在钙钛矿太阳电池技术领域具有良好的应用前景。