一种钙钛矿太阳能电池、发电装置和用电装置

本发明属于太阳能电池的，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳电池、发电装置和用电装置。

背景技术：

1、随着人类社会的不断发展，人们对能源的需求越来越大。然而，传统的化石能源是不可再生的，其过度地使用会造成温室效应、环境污染、能源危机等一系列问题。因此，寻找一种清洁可再生能源对人类未来发展至关重要。为此，研究者对可再生能源特别是太阳能电池的研究日益关注。其中，钙钛矿太阳能电池以光电转化效率高、成本更加低廉的优点，而具有更大的商业价值。更重要的是，钙钛矿太阳能电池的效率已经突破了25.8％，进一步凸显了其作为新型能源的优势。尽管钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到了显著提升，但对提高其稳定性的研究却相对滞后。钙钛矿材料本身对空气中的水和氧较为敏感，极易受水、氧侵袭而发生变性甚至降解，同时还会受到温度的影响。稳定性问题成为制约钙钛矿太阳能电池应用的关键，是钙钛矿太阳能电池长期发展需要解决的重要问题。

2、目前已发现，除了加强钙钛矿层本身和开发器件封装技术外，将阻隔势垒集成到钙钛矿太阳能电池中对于提高整器件的长期稳定性同样具有重要的意义。目前，为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，所设计的阻隔势垒大多是在钙钛矿太阳能电池的金属电极和电荷传输层之间插入一层较薄的金属或有机绝缘材料，如若过薄则起不到阻隔势垒的作用，如若过厚，器件的串联电阻过大，器件性能下降。因此，需要严格控制其厚度，这大大增加了器件制备的难度。因此，开发兼具稳定性和良好电池性能的钙钛矿电池仍是钙钛矿太阳能电池面临的巨大挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳电池、发电装置和用电装置。本发明通过在电荷传输层上设置双层复合结构金属电极，用以现有技术中解决钙钛矿太阳能电池稳定性低的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种钙钛矿太阳能电池，其依次包括透明导电玻璃、第一电荷传输层、钙钛矿吸收层、第二电荷传输层和双层复合结构金属层；所述第一电荷传输层为电子传输层，所述第二电荷传输层为空穴传输层；或者，所述第一电荷传输层为空穴传输层，所述第二电荷传输层为电子传输层；

3、所述双层复合结构金属层，包括：

4、第一金属薄膜层，为cr金属层，设置于所述第二电荷传输层上；

5、第二金属薄膜层，设置于所述第一金属薄膜层上。

6、作为本发明的优选，所述第二金属薄膜层的金属选自ag、au、cu、mo、bi、sn、al、mg、zn、pt、ti中的一种，或选自bi/sn合金、bi/cu合金、ti/al合金中的一种。

7、作为本发明的优选，所述第二金属薄膜层的金属优选bi。

8、作为本发明的优选所述第一金属薄膜层的厚度为10～100nm。

9、作为本发明的优选，所述第二金属薄膜层的厚度为800～1500nm。

10、作为本发明的优选，所述第一金属薄膜层通过热蒸镀在所述第二电荷传输层上形成；其中，所述第一金属薄膜层的热蒸镀速率为优选为且待热蒸镀的组件表面温度低于70℃，真空度小于或等于5.0*10-4pa；

11、所述第二金属薄膜层通过热蒸镀在所述第一金属薄膜层上形成；其中，所述第二金属薄膜层的热蒸镀具体为：使用的热蒸镀速率热蒸镀所述第二金属薄膜层至15nm厚后，将热蒸镀速率从逐渐升至热蒸镀所述第二金属薄膜层至100nm，再将热蒸镀速率从逐渐升至热蒸镀所述第二金属薄膜层至目标厚度，真空度小于或等于5.0*10-4pa。

12、按照本发明的另一方面，提供了一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

13、在透明导电玻璃上依次制备第一电荷传输层，钙钛矿吸收层、第二电荷传输层；

14、在所述第二电荷传输层上通过热蒸镀制备双层复合结构金属层，包括：在所述第二电荷传输层上热蒸镀制得第一金属薄膜层，在所述第一金属薄膜层上热蒸镀制得第二金属薄膜层。

15、作为本发明的优选所述第一金属薄膜层的热蒸镀速率为优选为且待热蒸镀的组件表面温度低于70℃，真空度小于或等于5.0*10-4pa；

16、所述第二金属薄膜层的热蒸镀具体为：使用的热蒸镀速率热蒸镀所述第二金属薄膜层至15nm厚后，将热蒸镀速率从逐渐升至热蒸镀所述第二金属薄膜层至100nm，再将热蒸镀速率从逐渐升至热蒸镀所述第二金属薄膜层至目标厚度，真空度小于或等于5.0*10-4pa。

17、按照本发明的又一方面，提供了一种发电装置，所述发电装置包括如本发明第一方面所述的钙钛矿太阳能电池。

18、按照本发明的又一方面，提供了一种用电装置，所述用电装置包括如本发明第一方面所述的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池用于提供电能。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

20、(1)基于本发明的用于钙钛矿电池的双层复合结构金属电极，在电荷传输层上设置双层复合结构金属层，第一层金属层能够有效阻止第二层金属层向下扩散导致钙钛矿材料掺杂；同时第一金属层自身稳定难以与活性物质发生反应，并具有良好的阻挡作用，能够防止钙钛矿材料中的离子和分子扩散和挥发，从而影响钙钛矿材料的稳定性；同时更有效的防止电极活性物质受到外界氧气和水分的侵蚀，进一步保护钙钛矿层和其他功能层免受外部有害因素(如温度、湿度和o2)的影响；同时稳定的第二层金属层与活性物质的反应势垒较高，属于惰性电极，能够最大程度的减少与活性物质反应诱发的金属扩散，保护活性物质免受影响。

21、(2)本发明的双层金属层具有良好的均匀性和致密性，能够阻挡金属电极与最大程度的减少其与下层钙钛矿材料吸光层发生的化学反应。

22、(3)基于本发明实施例的用于钙钛矿太阳电池的双层结构金属电极，优选cr/bi复合层金属层。其中第一层金属层中cr金属导电性良好，能够作为坚固的阻挡层，并不影响器件效率。同时能够有效得防止第二金属层，例如bi金属电极向下层的钙钛矿吸收层扩散，防止金属电极对钙钛矿吸收层的腐蚀以及阻挡卤素离子和金属电极的反应腐蚀金属电极，以及阻碍钙钛矿吸收层中易挥发的有机离子向外挥发，增加钙钛矿吸收层分解反应的势垒，从而抑制钙钛矿吸收层的分解过程；致密结构也能够更加有效的抵抗环境中水和氧气对金属电极的氧化和腐蚀；此外，第二层金属bi价格低且蒸镀过程制备工艺简单，能耗低，为惰性电极自身稳定性高，使得在器件效率几乎不变的前提下大幅度提高其稳定性，尤其是极端测试环境下的稳定性。每层结构电极整体是致密的，可以防止外界空气和水分对下层结构的第一电荷传输层、钙钛矿吸收层和第二电荷传输层的侵蚀，从而增强整个钙钛矿太阳能电池器件的稳定性。

23、对于类似的双层惰性金属结构也有类似的效果，如第一层金属替换为ni等，第二层金属替换为w、mo或bi/sn合金等，这种结构具有普适性。

技术特征：

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其依次包括透明导电玻璃、第一电荷传输层、钙钛矿吸收层、第二电荷传输层和双层复合结构金属层；所述第一电荷传输层为电子传输层，所述第二电荷传输层为空穴传输层；或者，所述第一电荷传输层为空穴传输层，所述第二电荷传输层为电子传输层；

2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第二金属薄膜层的金属选自ag、au、cu、mo、bi、sn、al、mg、zn、pt、ti中的一种，或选自bi/sn合金、bi/cu合金、ti/al合金中的一种。

3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第二金属薄膜层的金属优选bi。

4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一金属薄膜层的厚度为10～100nm。

5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第二金属薄膜层的厚度为800～1500nm。

6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述第一金属薄膜层通过热蒸镀在所述第二电荷传输层上形成；其中，所述第一金属薄膜层的热蒸镀速率为优选为且待热蒸镀的组件表面温度低于70℃，真空度小于或等于5.0*10-4pa；

7.一种如权利要求1-6任一项所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，

9.一种发电装置，其特征在于，所述发电装置包括如权利要求1至6任一项所述的钙钛矿太阳能电池。

10.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括如权利要求1-6任一项所述的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池用于提供电能。

技术总结
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池、发电装置和用电装置。该钙钛矿太阳能电池依次包括透明导电玻璃、第一电荷传输层、钙钛矿吸收层、第二电荷传输层和双层复合结构金属层；第一电荷传输层为电子传输层，第二电荷传输层为空穴传输层；或者，第一电荷传输层为空穴传输层，第二电荷传输层为电子传输层；双层复合结构金属层，包括：第一金属薄膜层，设置于所述第二电荷传输层上；第二金属薄膜层，设置于第一金属薄膜层上。本发明通过在电荷传输层上设置双层复合结构铬铋金属电极，用以现有技术中解决钙钛矿太阳能电池稳定性低的问题。

技术研发人员：陈炜,刘宗豪,谭正天
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4