【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于鈣鈦礦太陽電池，具體涉及一種二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。
技術介紹
1、二維鈣鈦礦材料具有層狀結構，通常由有機陽離子與無機鈣鈦礦層交替排列。二維鈣鈦礦材料的層狀結構使其對濕度、氧氣等環境因素的抵抗力更強。與三維鈣鈦礦材料相比，二維鈣鈦礦表現出更高的抗潮性、耐熱性和光穩定性，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定性和缺陷鈍化方面具有優勢，但單獨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合，形成二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池可同時利用兩類材料的優勢，進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的界面鈍化作用，將二維材料和三維材料結合，能有效提高界面的電荷分離效率，減少載流子的復合損失，進而提升光電轉換效率；另一方面，三維鈣鈦礦材料較易受濕氣和氧氣的影響，導致其長期穩定性較差，而通過引入二維材料，能夠在表面形成一種“保護層”，增強整體器件的環境耐受性，尤其是在潮濕條件下表現出更高的穩定性（deterministic?fabrication?of3d/2d?perovskite?bilayer?stacks?for
3、雖然二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池通過將二維和三維鈣鈦礦材料結合，在提高電池的穩定性和光電性能方面取得了一定的進展。然而，二維鈣鈦礦層的量子限域效應阻礙了其性能的進一步提升。一方面，量子限域效應導致帶隙增大，降低了材料對長波光的吸收效率，使光電轉換效率降低；另一方面，量子限域效應限制了載流子的傳輸路徑，導致載流子遷移率降低，增加了電荷在二維鈣鈦礦層中的復合率。這些因素會降低太陽電池的短路電流，影響器件的光電轉換效率。
技術實現思路
1、為解決以上問題，本專利技術一方面提供了一種二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池結構，包括依次設置的透明導電層、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、量子限域效應主要在極薄的材料中出現，當材料的厚度下降到接近納米尺度時，電子和空穴的運動被限制在特定的方向，導致能級分裂、帶隙增大，進而影響光吸收和載流子傳輸。而二維鈣鈦礦的粗糙表面導致局部厚度不均勻，有些區域比其他區域更厚。厚度增加的區域減少了對電子-空穴運動的限制，因此這種厚度變化減弱了局部區域中的量子限域效應，帶隙變小，從而降低了量子限域效應的強度。
3、更進一步地，二維鈣鈦礦層中含有納米結構。
4、更進一步地，納米結構為二氧化鈦納米顆粒或氧化鋅納米顆粒或碳納米管。
5、更進一步地，納米結構與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。適量的納米結構能夠有效增強光的散射，增加光吸收，同時提升電荷分離效率。但如果納米結構過多，則會影響鈣鈦礦晶體的正常生長，降低載流子的遷移效率，導致復合率上升，從而影響光電轉換效率。
6、更進一步地，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。這種厚度設計結合表面適中的粗糙度，有利于優化光電性能和器件穩定性。
7、另一方面，本專利技術提供了一種二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，包括如下步驟：
8、步驟1、準備透明導電層；
9、步驟2、在透明導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體溶液中摻雜納米結構。
15、當在前驅體溶液中摻雜納米結構時，這些納米結構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。由于納米結構的存在，鈣鈦礦材料在形成時無法在所有區域均勻沉積和結晶，導致鈣鈦礦層在納米結構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，納米結構的摻雜還會影響鈣鈦礦晶體的生長動力學。例如，納米結構在二維鈣鈦礦層的不同區域提供額外的晶核，促進局部晶粒的快速生長。這些不均勻的晶粒生長導致薄膜表面的晶粒尺寸和形貌不一致，進而形成粗糙的表面。
16、更進一步地，納米結構為二氧化鈦納米顆粒或氧化鋅納米顆粒或碳納米管。
17、更進一步地，在步驟4中，納米結構通過超聲分散后摻雜在二維鈣鈦礦層的前驅體溶液中。
18、更進一步地，在步驟4中，納米結構與二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。
19、更進一步地，在步驟4中，將二維鈣鈦礦層前驅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的退火溫度。一方面，納米結構影響鈣鈦礦的結晶動力學，起到晶核的作用，促進鈣鈦礦的局部結晶，基于此，鈣鈦礦薄膜的結晶可在相對較低的溫度下進行；另一方面，在較低溫度下退火能緩和薄膜結晶過程中納米結構引發的局部應力，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、本專利技術的有益效果：
21、（1）二維鈣鈦礦層的粗糙表面引起的局部厚度變化導致能帶結構的調整，較厚的區域會有更窄的帶隙，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，增加了載流子的運動自由度，載流子可以在不同厚度區域內更自由地移動，改善了電荷傳輸和分離效率，減少了電荷復合，提升了整體光電轉換性能。
23、（3）二維鈣鈦礦層的退火過程可在相對較低的溫度下進行，避免了二維鈣鈦礦材料有機部分分解或損壞，確保了鈣鈦礦相結構的穩定性，抑制了高溫下變性或聚集。
24、綜合以上有益效果，本專利技術在鈣鈦礦太陽電池
具有良好的應用前景。
【技術保護點】
1.一種二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，包括依次設置的透明導電層、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.如權利要求1所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述二維鈣鈦礦層中含有納米結構。
3.如權利要求2所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述納米結構為二氧化鈦納米顆粒或氧化鋅納米顆粒或碳納米管。
4.如權利要求3所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述納米結構與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。
5.如權利要求1所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，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/三維復合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，包括如下步驟：
7.如權利要求6所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：所述納米結構為二氧化鈦納米顆粒或氧化鋅納米顆粒或碳納米管。
8.如權利要求7所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：
9.如權利要求8所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于：在步驟4中，所述納米結構與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。
10.如權利要求9所述的二維/三維復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體溶液旋涂到三維鈣鈦礦層上后，再將其退火處理。
...【技術特征摘要】
1.一種二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，包括依次設置的透明導電層、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.如權利要求1所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述二維鈣鈦礦層中含有納米結構。
3.如權利要求2所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述納米結構為二氧化鈦納米顆粒或氧化鋅納米顆粒或碳納米管。
4.如權利要求3所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，其特征在于：所述納米結構與所述二維鈣鈦礦層中鈣鈦礦材料的重量比為1%-5%。
5.如權利要求1所述的二維/三維復合鈣鈦礦太陽電池，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。
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【專利技術屬性】
技術研發人員：楊培志，楊雯，楊啟鳴，蔣胤，張云博，馮小波，
申請(專利權)人：云南師范大學，
類型：發明
國別省市：
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