本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽電池，具體涉及一種二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、二維鈣鈦礦材料具有層狀結(jié)構(gòu)，通常由有機(jī)陽離子與無機(jī)鈣鈦礦層交替排列。二維鈣鈦礦材料的層狀結(jié)構(gòu)使其對(duì)濕度、氧氣等環(huán)境因素的抵抗力更強(qiáng)。與三維鈣鈦礦材料相比，二維鈣鈦礦表現(xiàn)出更高的抗潮性、耐熱性和光穩(wěn)定性，可有效延長器件的使用壽命（progress?and?challenges?in?layered?two-dimensional?hybrid?perovskites,nanotechnology,?vol.?33,?pp.292501,?2022）。盡管二維鈣鈦礦材料在穩(wěn)定性和缺陷鈍化方面具有優(yōu)勢(shì)，但單獨(dú)使用二維鈣鈦礦材料制作的太陽電池效率目前還難以與基于三維鈣鈦礦獲得的電池效率相比。

2、將二維鈣鈦礦材料與三維鈣鈦礦材料相結(jié)合，形成二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池可同時(shí)利用兩類材料的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升了太陽電池的性能。一方面，三維鈣鈦礦材料具有較寬的光吸收特性和較高的載流子遷移率，而二維鈣鈦礦材料則具有較強(qiáng)的界面鈍化作用，將二維材料和三維材料結(jié)合，能有效提高界面的電荷分離效率，減少載流子的復(fù)合損失，進(jìn)而提升光電轉(zhuǎn)換效率；另一方面，三維鈣鈦礦材料較易受濕氣和氧氣的影響，導(dǎo)致其長期穩(wěn)定性較差，而通過引入二維材料，能夠在表面形成一種“保護(hù)層”，增強(qiáng)整體器件的環(huán)境耐受性，尤其是在潮濕條件下表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性（deterministic?fabrication?of3d/2d?perovskite?bilayer?stacks?for?durable?and?efficient?solar?cells,science,?vol?377,?pp.1425,?2022;?advances?in?mixed?2d?and?3d?perovskiteheterostructure?solar?cells:?a?comprehensive?review,?nano?energy,?vol.118,pp.?108979,?2023）。

3、雖然二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池通過將二維和三維鈣鈦礦材料結(jié)合，在提高電池的穩(wěn)定性和光電性能方面取得了一定的進(jìn)展。然而，二維鈣鈦礦層的量子限域效應(yīng)阻礙了其性能的進(jìn)一步提升。一方面，量子限域效應(yīng)導(dǎo)致帶隙增大，降低了材料對(duì)長波光的吸收效率，使光電轉(zhuǎn)換效率降低；另一方面，量子限域效應(yīng)限制了載流子的傳輸路徑，導(dǎo)致載流子遷移率降低，增加了電荷在二維鈣鈦礦層中的復(fù)合率。這些因素會(huì)降低太陽電池的短路電流，影響器件的光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決以上問題，本發(fā)明一方面提供了一種二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置的透明導(dǎo)電層、電子傳輸層、三維鈣鈦礦層、二維鈣鈦礦層、空穴傳輸層、背電極層；其中，二維鈣鈦礦層具有粗糙的表面。

2、量子限域效應(yīng)主要在極薄的材料中出現(xiàn)，當(dāng)材料的厚度下降到接近納米尺度時(shí)，電子和空穴的運(yùn)動(dòng)被限制在特定的方向，導(dǎo)致能級(jí)分裂、帶隙增大，進(jìn)而影響光吸收和載流子傳輸。而二維鈣鈦礦的粗糙表面導(dǎo)致局部厚度不均勻，有些區(qū)域比其他區(qū)域更厚。厚度增加的區(qū)域減少了對(duì)電子-空穴運(yùn)動(dòng)的限制，因此這種厚度變化減弱了局部區(qū)域中的量子限域效應(yīng)，帶隙變小，從而降低了量子限域效應(yīng)的強(qiáng)度。

3、更進(jìn)一步地，二維鈣鈦礦層中含有納米結(jié)構(gòu)。

4、更進(jìn)一步地，納米結(jié)構(gòu)為二氧化鈦納米顆?；蜓趸\納米顆?；蛱技{米管。

5、更進(jìn)一步地，納米結(jié)構(gòu)與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。適量的納米結(jié)構(gòu)能夠有效增強(qiáng)光的散射，增加光吸收，同時(shí)提升電荷分離效率。但如果納米結(jié)構(gòu)過多，則會(huì)影響鈣鈦礦晶體的正常生長，降低載流子的遷移效率，導(dǎo)致復(fù)合率上升，從而影響光電轉(zhuǎn)換效率。

6、更進(jìn)一步地，二維鈣鈦礦層的表面平均粗糙度為5-20納米。一般二維鈣鈦礦層的厚度為20-100納米。這種厚度設(shè)計(jì)結(jié)合表面適中的粗糙度，有利于優(yōu)化光電性能和器件穩(wěn)定性。

7、另一方面，本發(fā)明提供了一種二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，包括如下步驟：

8、步驟1、準(zhǔn)備透明導(dǎo)電層；

9、步驟2、在透明導(dǎo)電層上制備電子傳輸層；

10、步驟3、在電子傳輸層上制備三維鈣鈦礦層；

11、步驟4、將二維鈣鈦礦層前驅(qū)體溶液旋涂到三維鈣鈦礦層上，在三維鈣鈦礦層上制備二維鈣鈦礦層；

12、步驟5、在二維鈣鈦礦層上制備空穴傳輸層；

13、步驟6、在空穴傳輸層上制備背電極層；

14、其中，在步驟4中，在二維鈣鈦礦層的前驅(qū)體溶液中摻雜納米結(jié)構(gòu)。

15、當(dāng)在前驅(qū)體溶液中摻雜納米結(jié)構(gòu)時(shí)，這些納米結(jié)構(gòu)在溶液涂覆和薄膜形成過程中作為物理障礙，干擾鈣鈦礦晶粒的生長過程。由于納米結(jié)構(gòu)的存在，鈣鈦礦材料在形成時(shí)無法在所有區(qū)域均勻沉積和結(jié)晶，導(dǎo)致鈣鈦礦層在納米結(jié)構(gòu)周圍形成局部堆積或缺陷。這種不均勻的形成過程促使二維鈣鈦礦層形成粗糙的表面。另外，納米結(jié)構(gòu)的摻雜還會(huì)影響鈣鈦礦晶體的生長動(dòng)力學(xué)。例如，納米結(jié)構(gòu)在二維鈣鈦礦層的不同區(qū)域提供額外的晶核，促進(jìn)局部晶粒的快速生長。這些不均勻的晶粒生長導(dǎo)致薄膜表面的晶粒尺寸和形貌不一致，進(jìn)而形成粗糙的表面。

16、更進(jìn)一步地，納米結(jié)構(gòu)為二氧化鈦納米顆?；蜓趸\納米顆?；蛱技{米管。

17、更進(jìn)一步地，在步驟4中，納米結(jié)構(gòu)通過超聲分散后摻雜在二維鈣鈦礦層的前驅(qū)體溶液中。

18、更進(jìn)一步地，在步驟4中，納米結(jié)構(gòu)與二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。

19、更進(jìn)一步地，在步驟4中，將二維鈣鈦礦層前驅(qū)體溶液旋涂到三維鈣鈦礦層上后，將二維鈣鈦礦層退火，退火溫度為60?-?80?℃。該退火溫度低于正常制備二維鈣鈦礦層時(shí)的退火溫度。一方面，納米結(jié)構(gòu)影響鈣鈦礦的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，起到晶核的作用，促進(jìn)鈣鈦礦的局部結(jié)晶，基于此，鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶可在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行；另一方面，在較低溫度下退火能緩和薄膜結(jié)晶過程中納米結(jié)構(gòu)引發(fā)的局部應(yīng)力，避免晶粒過度生長和局部缺陷，從而有助于保持薄膜的均勻性和表面形貌。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、（1）二維鈣鈦礦層的粗糙表面引起的局部厚度變化導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)整，較厚的區(qū)域會(huì)有更窄的帶隙，使材料能夠吸收更多的長波長光，改善了光吸收性能。

22、（2）二維鈣鈦礦層的表面粗糙度通過增加局部厚度，增加了載流子的運(yùn)動(dòng)自由度，載流子可以在不同厚度區(qū)域內(nèi)更自由地移動(dòng)，改善了電荷傳輸和分離效率，減少了電荷復(fù)合，提升了整體光電轉(zhuǎn)換性能。

23、（3）二維鈣鈦礦層的退火過程可在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行，避免了二維鈣鈦礦材料有機(jī)部分分解或損壞，確保了鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抑制了高溫下變性或聚集。

24、綜合以上有益效果，本發(fā)明在鈣鈦礦太陽電池技術(shù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池，包括依次設(shè)置的透明導(dǎo)電層、電子傳輸層、三維鈣鈦礦層、二維鈣鈦礦層、空穴傳輸層、背電極層；其特征在于：所述二維鈣鈦礦層具有粗糙的表面。

2.如權(quán)利要求1所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述二維鈣鈦礦層中含有納米結(jié)構(gòu)。

3.如權(quán)利要求2所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述納米結(jié)構(gòu)為二氧化鈦納米顆?；蜓趸\納米顆粒或碳納米管。

4.如權(quán)利要求3所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述納米結(jié)構(gòu)與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。

5.如權(quán)利要求1所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述二維鈣鈦礦層的表面平均粗糙度為5-20納米。

6.一種二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，包括如下步驟：

7.如權(quán)利要求6所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：所述納米結(jié)構(gòu)為二氧化鈦納米顆?；蜓趸\納米顆?；蛱技{米管。

8.如權(quán)利要求7所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：在步驟4中，所述納米結(jié)構(gòu)通過超聲分散后摻雜在二維鈣鈦礦層的前驅(qū)體溶液中。

9.如權(quán)利要求8所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：在步驟4中，所述納米結(jié)構(gòu)與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。

10.如權(quán)利要求9所述的二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：在步驟4中，將二維鈣鈦礦層前驅(qū)體溶液旋涂到三維鈣鈦礦層上后，再將其退火處理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維/三維復(fù)合鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。該復(fù)合鈣鈦礦太陽電池包括依次設(shè)置的透明導(dǎo)電層、電子傳輸層、三維鈣鈦礦層、二維鈣鈦礦層、空穴傳輸層、背電極層；其中，二維鈣鈦礦層具有粗糙的表面。本發(fā)明中，二維鈣鈦礦層的粗糙表面引起的局部厚度變化導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)整，較厚的區(qū)域會(huì)有更窄的帶隙，使材料能夠吸收更多的長波光，改善了光吸收性能。另外，二維鈣鈦礦層的表面粗糙度通過增加局部厚度，增加了載流子的運(yùn)動(dòng)自由度，載流子可以在不同厚度區(qū)域內(nèi)更自由地移動(dòng)，進(jìn)而改善了電荷傳輸和分離效率，減少了電荷復(fù)合，提升了整體光電轉(zhuǎn)換性能。

技術(shù)研發(fā)人員：楊培志,楊雯,楊啟鳴,蔣胤,張?jiān)撇?馮小波
受保護(hù)的技術(shù)使用者：云南師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6