本發(fā)明屬于太陽能電池，具體涉及一種具有高開路電壓的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在光伏領(lǐng)域，傳統(tǒng)的單結(jié)太陽能電池已接近其理論效率極限，而通過將不同帶隙的電池材料進(jìn)行堆疊，疊層太陽能電池(tandem?solar?cells)能夠突破這一限制。硅作為一種成熟的基底電池材料，已建立了完善的理論體系和工藝技術(shù)。鈣鈦礦材料憑借其卓越的光吸收系數(shù)、可調(diào)節(jié)的帶隙以及低成本的溶液加工特性，被認(rèn)為是制造疊層太陽能電池頂層電池的理想候選材料。從理論上來講，鈣鈦礦/鈣鈦礦/晶硅三結(jié)疊層太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率(pce)可達(dá)到約51％，極大地超越了單結(jié)電池的效率極限。所以，在眾多疊層太陽能電池技術(shù)中，鈣鈦礦/鈣鈦礦/晶硅三結(jié)疊層太陽能電池因其潛在的高效率而成為研究熱點。

2、截至目前，鈣鈦礦/鈣鈦礦/晶硅三結(jié)疊層太陽能電池的pce已經(jīng)突破27％，展現(xiàn)出了一定的發(fā)展前景。但目前已實現(xiàn)的性能與其理論極限pce之間仍存在顯著差距，依舊有許多方面的問題亟待去解決。其中，寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池作為鈣鈦礦/鈣鈦礦/晶硅三結(jié)疊層太陽能電池的關(guān)鍵組成部分，盡管在材料設(shè)計以及光電性能優(yōu)化方面取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，比如光誘導(dǎo)相分離、離子遷移、熱和濕度穩(wěn)定性、界面復(fù)合等問題。如何在確保穩(wěn)定性的同時提升寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，是當(dāng)前研究中亟待解決的問題之一。

3、除了對鈣鈦礦成分和結(jié)晶動力學(xué)加以優(yōu)化外，界面工程已被當(dāng)作提高鈣鈦礦太陽能電池效率和穩(wěn)定性的有效方法。然而，傳統(tǒng)的界面處理方法主要聚焦于反式結(jié)構(gòu)中鈣鈦礦與電子傳輸層的上界面，空穴傳輸層與寬帶隙鈣鈦礦吸光層之間同樣存在一系列問題，包括因空穴傳輸層材料親水性差而導(dǎo)致的寬帶隙鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量差，以及空穴傳輸層材料與寬帶隙鈣鈦礦材料之間由于能級失配而引起的載流子界面積累等問題。這些問題同樣寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展造成了嚴(yán)重制約。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有高開路電壓的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，針對寬帶隙鈣鈦礦/中間帶隙鈣鈦礦/窄帶隙晶硅三結(jié)疊層太陽能電池中頂層寬帶隙鈣鈦礦遇到的上述問題，通過運(yùn)用乙二胺、苯乙胺的衍生物分子及其相應(yīng)的鹵化物鹽材料的埋底界面修飾方法，對寬帶隙鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程予以優(yōu)化，同時緩解了界面能級失配問題，進(jìn)而顯著將寬帶隙電池的開路電壓提升至1.41v以上，具有著促進(jìn)高效三結(jié)疊層電池技術(shù)快速發(fā)展的潛力。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種具有高開路電壓的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池，包括ito導(dǎo)電玻璃，在ito導(dǎo)電玻璃上依次沉積的空穴傳輸層、埋底界面修飾層、寬帶隙鈣鈦礦吸光層、寬帶隙鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層、緩沖層和金屬電極層；所述埋底界面修飾層為乙二胺、苯乙胺的衍生物分子及其相應(yīng)的鹵化物鹽(例如：二氫碘酸乙二胺、苯乙基溴化胺)中一種或至少兩種按任意比例混合制得的薄膜。

4、進(jìn)一步的，所述空穴傳輸層為氧化鎳(niox)與[4-(3,6-二甲基-9h-咔唑-9-基)丁基]磷酸(me-4pacz)制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

5、進(jìn)一步的，所述電子傳輸層采用的材料為[6,6]-苯基-c61-丁酸異甲酯(pcbm)；緩沖層采用的材料為2,9-二甲基-4,7二苯基-1,10-菲啰啉(bcp)。

6、一種具有高開路電壓的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：

7、步驟1、清洗ito導(dǎo)電玻璃并烘干；將其放入紫外臭氧清洗設(shè)備中，在大氣的氣氛和室溫下紫外臭氧處理15min～30min；

8、步驟2、采用旋涂法在步驟1所得ito導(dǎo)電玻璃上制備空穴傳輸層；

9、步驟3、將苯乙基溴化胺(peabr)溶解于dmso中，濃度為0.5～1mg/ml的peabr溶液；隨后將peabr溶液通過旋涂儀旋涂于空穴傳輸層上，旋涂轉(zhuǎn)速3000～4000rpm，時間為5～10s，得埋底界面修飾層；

10、步驟4、配制寬帶隙鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，將寬帶隙鈣鈦礦前驅(qū)體溶液采用反溶劑法旋涂在埋底界面修飾層上，經(jīng)退火制得寬帶隙鈣鈦礦吸光層；

11、步驟5、在寬帶隙鈣鈦礦吸光層依次沉積電子傳輸層、緩沖層和金屬電極，制得具有高開路電壓的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池。

12、進(jìn)一步的，所述步驟2的實現(xiàn)方法包括以下步驟：

13、步驟2.1：將niox納米顆粒溶解于去離子水中配制成濃度為10～20mg/ml的niox納米分散溶液；

14、步驟2.2：將niox溶液通過旋涂儀旋涂于ito導(dǎo)電玻璃上，旋涂轉(zhuǎn)速為3000～4000rpm，旋涂時間為30～40s，隨后在熱臺上以100～120℃溫度退火10～15min；

15、步驟2.3：將me-4pacz溶解于無水乙醇中配制成濃度為0.5～1mg/ml的me-4pacz溶液。

16、步驟2.4：將me-4pacz溶液通過旋涂儀旋涂于步驟步驟2.2所得產(chǎn)品上上，旋涂轉(zhuǎn)速為3000～4000rpm，時間為30～40s，隨后在熱臺上100～120℃溫度退火10～15min，制得到空穴傳輸層。

17、進(jìn)一步的，所述步驟4的實現(xiàn)方法包括以下步驟：

18、步驟4.1：按配方cs0.1ma0.1fa0.8pbibr1.8cl0.2配制寬帶隙鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；

19、步驟4.2：將配置好的寬帶隙鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，通過旋涂儀旋涂于所得埋底界面修飾層上，旋涂儀的轉(zhuǎn)速分為兩個階段，第一階段的轉(zhuǎn)速為1000～2000rpm旋涂時間為10s，第二階段的轉(zhuǎn)速為4000～5000rpm，旋涂時間為40s；于第二階段開始時20～25s向旋轉(zhuǎn)的襯底表面上滴加0.1～0.2ml的氯苯反溶劑，第二階段旋涂結(jié)束后在80～100℃溫度范圍下退火10～15min，制得寬帶隙鈣鈦礦吸光層。

20、進(jìn)一步的，所述步驟5的實現(xiàn)方法包括以下步驟：

21、電子傳輸層的制備：將pcbm溶解于氯苯(cb)中，配制成濃度為15mg/ml的pcbm溶液；將該溶液通過旋涂儀旋涂于寬帶隙鈣鈦礦吸光層上，旋涂轉(zhuǎn)速為1000～2000rpm，時間為30s～40s，隨后在熱臺上以100～120℃溫度范圍下退火5min～10min；得到電子傳輸層；

22、緩沖層的制備：將bcp溶解于異丙醇(ipa)中配制成濃度為2mg/ml的bcp溶液；將該溶液通過旋涂儀旋涂于電子傳輸層上，旋涂轉(zhuǎn)速為4000～5000rpm，時間為20s～30s，隨后在熱臺上以80～100℃溫度范圍退火1～3min，得到緩沖層。

23、本發(fā)明通過在寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的鈣鈦礦吸光層下方引入乙二胺、苯乙胺的衍生物分子及其相應(yīng)的鹵化物鹽材料作為埋底界面修飾層，實現(xiàn)了電池性能的顯著提升。乙二胺、苯乙胺的衍生物分子及其相應(yīng)的鹵化物鹽材料能夠提供自由電子對，在寬帶隙鈣鈦礦薄膜制備過程中，可以與寬帶隙鈣鈦礦中未配位的pb2+形成穩(wěn)定的配位結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對鈣鈦礦結(jié)晶動力學(xué)的調(diào)控，改善寬帶隙鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。同時，經(jīng)過修飾的空穴傳輸層與鈣鈦礦吸光層之間的能級匹配程度更高，這一優(yōu)化有效降低了載流子在鈣鈦礦層與空穴傳輸層界面處的能級勢壘，促進(jìn)了載流子的快速提取，減少了能量損失。此外，經(jīng)過修飾的空穴傳輸層的親水性也得到改善，解決了寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池在親水性差的自組裝分子層表面成膜性差等問題，進(jìn)一步優(yōu)化了載流子的傳輸效率。這些方面的改進(jìn)，不但提高了寬帶隙鈣鈦礦吸光層的薄膜質(zhì)量，而且降低了反式鈣鈦礦太陽能電池在開路條件下的電壓損失，最終使得該電池實現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率以及更優(yōu)的長期穩(wěn)定性。通過這種創(chuàng)新的埋底界面修飾策略，本發(fā)明為寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的性能優(yōu)化提供了一種有效的解決方案。

24、綜上所述，本發(fā)明至少可實現(xiàn)如下有益效果：

25、1.本發(fā)明提出的寬帶隙鈣鈦礦薄膜的制備方法，通過精細(xì)調(diào)控鈣鈦礦與空穴傳輸層之間的埋底界面，不僅提升了鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量，還顯著降低載流子傳輸?shù)慕缑婺芗墑輭荆铀佥d流子提取，減少能量損失，從而為制造高性能鈣鈦礦太陽能電池奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

26、2.本發(fā)明提出了一種寬帶隙鈣鈦礦薄膜的制備方法，該方法能夠顯著減少反式鈣鈦礦太陽能電池在運(yùn)行期間的開路電壓損失。此項技術(shù)改進(jìn)有效地增強(qiáng)了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，從而為提高太陽能的利用效率提供了一種創(chuàng)新的技術(shù)途徑。通過這種制備方法的應(yīng)用，本發(fā)明為太陽能電池技術(shù)的進(jìn)步和效率提升開辟了新的研究方向。

27、3.本發(fā)明所提出的制備寬帶隙鈣鈦礦薄膜的方法與鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結(jié)疊層太陽能電池的生產(chǎn)工藝具有出色的兼容性，能夠被整合進(jìn)寬帶隙鈣鈦礦吸光層的制備過程中。這一集成策略不僅促進(jìn)了鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅三結(jié)疊層太陽能電池性能的進(jìn)一步優(yōu)化，而且為實現(xiàn)更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。