本發(fā)明涉及鈣鈦礦太陽能電池領域，具體涉及一種提高電荷傳輸?shù)漠愘|結及其制備方法和鈣鈦礦太陽能電池。

背景技術：

1、在眾多太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池（pvsc）憑借良好的吸光性、優(yōu)異的電荷傳輸速率、可調節(jié)的帶隙，在光電領域具有重要的應用前景。其中單結鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了26.7％的功率轉換效率(pce)，是最有潛力替代市場上價格相對昂貴的多晶硅、銅銦鎵硒（cigs）、碲化鎘（cdte）太陽能電池。然而受鈣鈦礦太陽能電池異質結構的鈣鈦礦光活性層（簡稱鈣鈦礦吸光層）和電荷傳輸層的界面限制，嚴重制約了電荷傳輸效率的提升，更直接導致光電轉換效率低效，這是實際應用中必須解決的關鍵性問題。

2、在鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦吸光層和電荷傳輸層是主要光生電荷載流子的產生和收集部分。其電荷動力學(包括電荷提取，電荷轉移和電荷復合)發(fā)生在鈣鈦礦吸光層與電荷傳輸層形成的異質結界面上。值得注意的是，從鈣鈦礦到界面的電荷轉移效率取決于在最大化萃取速率的同時最大限度地減少界面缺陷導致的復合。然而，鈣鈦礦吸光層和電荷傳輸層之間接觸的界面化學環(huán)境復雜（如高缺陷密度和低鈣鈦礦結晶度）導致鈣鈦礦底表面的電荷傳輸損耗比鈣鈦礦頂表面更加嚴重。此外，界面的缺陷導致電荷積累和復合損失，進一步導致器件性能下降，并且對器件的穩(wěn)定性產生不利影響。目前的策略主要集中在界面修飾（如使用鈍化劑）來減少界面處缺陷導致的復合損失，并控制能級排列以提高電荷傳輸效率。然而這些策略通常伴隨眾多副作用，如鈍化劑降解、界面化反應、誘導離子遷移等，導致實際作用效果有效且嚴重影響鈣鈦礦太陽能電池器件的光伏性能以及長期運行穩(wěn)定性。

3、因此，如何避免界面修飾的弊端且有效突破異質結之間的界面限制去構建高效的電荷傳輸通道，這對提升鈣鈦礦太陽能電池效率具有非常重要的意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對異質結（鈣鈦礦吸光層和二氧化錫（sno2）電子傳輸層）界面的高缺陷密度勢壘和低電荷傳輸效率，提供了一種介電常數(shù)調控的方法制備高電荷傳輸性能的鈣鈦礦太陽能電池，在預沉積鈣鈦礦吸光層前，使用具有極性差異的含有甲砜基和脒基官能團的偶極類分子4-甲砜基苯脒（spa），均勻沉積在已制備的sno2電子傳輸層表面形成界面偶極層，隨后沉積鈣鈦礦吸光層到偶極層。在spa偶極層雙向同步調控鈣鈦礦吸光層和sno2層的介電常數(shù)下，實現(xiàn)了介電常數(shù)的增加且平衡了鈣鈦礦吸光層和sno2層兼容的介電特性，進而達到提高異質界面的電荷傳輸性能實現(xiàn)高效光電轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池。

2、為實現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種提高電荷傳輸?shù)漠愘|結，其包括：sno2電子傳輸層和鈣鈦礦吸光層，所述sno2電子傳輸層和所述鈣鈦礦吸光層之間復合有偶極層；所述偶極層的材料為4-甲砜基苯脒（spa），其具有式（1）所示分子結構：

3、式（1）。

4、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，所述sno2電子傳輸層的厚度為50?nm~400nm；和/或，所述偶極層的厚度為10?nm~200?nm；和/或，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為400?nm~800?nm。

5、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種提高電荷傳輸?shù)漠愘|結的制備方法，包括以下步驟：

6、s1、在透明導電基板上沉積sno2電子傳輸層；

7、s2、在所得sno2電子傳輸層表面沉積材質為4-甲砜基苯脒的偶極層；

8、s3、將鈣鈦礦吸光層沉積在所得偶極層的表面。

9、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，所述透明導電基板為fto玻璃或ito玻璃；和/或，所述透明導電基板厚度為10?nm~500?nm。

10、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，步驟s1具體包括：?使用15%（水分散體系）的sno2溶液與水進行1:3比例配比混合，再利用旋涂沉積，沉積具體工藝為：轉速2000~3000rpm，時間為10~30?s，沉積退火溫度為130~150?℃，時間為≤30?min。

11、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，步驟s2具體包括：按濃度為0.10~2.00?mg/ml將4-甲砜基苯脒溶解于醇類溶劑，再利用旋涂沉積，沉積具體工藝為：轉速1000~3000?rpm，時間為10~30?s，沉積退火溫度為100?℃（具體需根據(jù)選用醇類溶劑沸點性質進行調整），時間為≤30min。更進一步優(yōu)選4-甲砜基苯脒的純度在98%以上。

12、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，步驟s2中，鈣鈦礦吸光層的制備方法包括但不限于一步法、兩步法等。更進一步優(yōu)選鈣鈦礦吸光層為fa、fama或famacs體系。鈣鈦礦吸光層的制備工藝包括但不限于旋涂、刮涂、噴涂、狹縫涂布或任意工藝組合等。

13、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種鈣鈦礦太陽能電池，其采用了上述的異質結。

14、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，鈣鈦礦太陽能電池還包括透明導電基板、穴傳輸層和金屬電極，異質結設置在透明導電基板與穴傳輸層之間。更進一步優(yōu)選地，空穴傳輸層包括但不限于2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-ometad）、聚[雙(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺（ptaa）、聚三已基噻酚（p3ht）、氧化鎳以及它們的組合，空穴傳輸層的厚度為10nm~400nm；金屬電極可選用金或銀；透明導電基板為fto玻璃或ito玻璃。

15、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術方案，鈣鈦礦太陽能電池的結構為n-i-p正式結構或p-i-n反式結構。

16、本發(fā)明的原理：在提高電荷傳輸?shù)漠愘|結（鈣鈦礦吸光層和sno2電子傳輸層）的制備工藝中，利用4-甲砜基苯脒（spa）偶極分子在異質結界面中引入偶極層。由于spa偶極層的自身極性大小結合基團取向吸附差異的影響，使脒基取向吸附在鈣鈦礦吸光層和甲砜基取向吸附在sno2層，由此同時改變了鈣鈦礦吸光層和sno2層的極化率，致使介電常數(shù)發(fā)生增加效應且產生介電特性兼容。制備的具有高介電常數(shù)的鈣鈦礦吸光層和sno2電子傳輸層并兼容的異質結介電特性，直接增強了鈣鈦礦吸光層到sno2電子傳輸層的定向電荷傳輸效率，避免了界面修飾的副作用，同時有效提高鈣鈦礦太陽能電池器件的長期運行穩(wěn)定性。

17、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

18、（1）本發(fā)明首次采用4-甲砜基苯脒（spa）偶極分子成功實現(xiàn)異質結的同步介電常數(shù)增加，并調整異質結的介電特性至平衡狀態(tài)；有效降低鈣鈦礦光活性層的光生激子解離能，促進激子解離生成自由電子和空穴；成功屏蔽了界面態(tài)陷阱對電子的捕獲并抑制了復合損失；有效降低了界面電荷傳輸勢壘障礙并促進了能級排列；有效解決了異質界面電荷傳輸性能低效的問題且提升了器件長期運行的光電轉換效率。

19、（2）本發(fā)明涉及的制備方法較簡單、操作方便，能耗較低，適用于多種鈣鈦礦體系和各種鈣鈦礦制備方法，適合推廣應用。

技術特征：

1.一種提高電荷傳輸?shù)漠愘|結，其特征在于，包括：sno2電子傳輸層和鈣鈦礦吸光層，所述sno2電子傳輸層和所述鈣鈦礦吸光層之間復合有偶極層，所述偶極層的材料為4-甲砜基苯脒。

2.根據(jù)權利要求1所述的提高電荷傳輸?shù)漠愘|結，其特征在于，所述sno2電子傳輸層的厚度為50?nm~400?nm；和/或，所述偶極層的厚度為10?nm~200?nm；和/或，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為400?nm~800?nm。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的提高電荷傳輸?shù)漠愘|結的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

4.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述透明導電基板為fto玻璃或ito玻璃；和/或，所述透明導電基板厚度為10nm~500?nm。

5.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟s1具體包括：

6.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟s2具體包括：

7.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述鈣鈦礦吸光層為fa、fama或famacs體系。

8.一種鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，采用了權利要求1或2所述的異質結。

9.根據(jù)權利要求8所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，還包括透明導電基板、穴傳輸層和金屬電極。

10.根據(jù)權利要求8所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，鈣鈦礦太陽能電池的結構為n-i-p正式結構或p-i-n反式結構。

技術總結
本發(fā)明公開了一種提高電荷傳輸?shù)漠愘|結及其制備方法和鈣鈦礦太陽能電池，涉及鈣鈦礦太陽能電池領域。該提高電荷傳輸?shù)漠愘|結包括：SnO<subgt;2</subgt;電子傳輸層和鈣鈦礦吸光層，SnO<subgt;2</subgt;電子傳輸層和鈣鈦礦吸光層之間復合有偶極層，偶極層的材質為4?甲砜基苯脒。本發(fā)明采用4?甲砜基苯脒（SPA）偶極分子成功實現(xiàn)異質結的同步介電常數(shù)增加，并調整異質結的介電特性至平衡狀態(tài)；有效降低鈣鈦礦光活性層的光生激子解離能，促進激子解離生成自由電子和空穴；成功屏蔽了界面態(tài)陷阱對電子的捕獲并抑制了復合損失；有效降低了界面電荷傳輸勢壘障礙并促進了能級排列；有效解決了異質界面電荷傳輸性能低效的問題且提升了器件長期運行的光電轉換效率。

技術研發(fā)人員：談利承,郭釗,陳義旺
受保護的技術使用者：南昌大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8