適于生產(chǎn)的低成本太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，特別是一種適于生產(chǎn)的低成本太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，由于在商用太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位的硅太陽(yáng)能電池仍不能滿足低成本的要求，人們一直在探索滿足高效率和低成本要求的新型太陽(yáng)能電池。自2009年以來(lái)，具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物為吸光層的太陽(yáng)能電池(鈣鈦礦太陽(yáng)能電池)近年來(lái)獲得了較快的發(fā)展，有希望成為具有市場(chǎng)潛力的高效率、低成本太陽(yáng)能電池。
近期，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成為研究熱點(diǎn)。中國(guó)發(fā)明專利CN 103915567 A公開(kāi)了一種以無(wú)機(jī)化合物為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。其特點(diǎn)是它包括透明導(dǎo)電襯底和依次層疊于該襯底上的電子傳輸層、具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的吸光層、無(wú)機(jī)化合物空穴傳輸層和正電極。該發(fā)明采用無(wú)機(jī)化合物作為空穴傳輸層優(yōu)點(diǎn)是可提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)太陽(yáng)能電池的使用壽命。
[0003]中國(guó)發(fā)明專利CN 103746078 A公開(kāi)了一種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。該鈣鈦礦太陽(yáng)能電池包括依次層疊的襯底、透明電極、電子傳輸層、電子傳輸-吸光層、吸光層、空穴傳輸-吸光層、空穴傳輸層和頂電極，其中:所述吸光層為具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料吸光層；所述電子傳輸-吸光層是電子傳輸材料和1丐鈦礦結(jié)構(gòu)光伏材料嵌合形成的復(fù)合功能層；所述空穴傳輸-吸光層是空穴傳輸材料和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)光伏材料嵌合形成的復(fù)合功能層。該鈣鈦礦太陽(yáng)能電池吸光層的兩側(cè)都具有一定的微納結(jié)構(gòu)，從而與其外側(cè)的傳輸層之間能夠形成材料相互嵌合的復(fù)合功能層，大幅提高吸光層與傳輸層的接觸面積，有利于提高激子分離及電荷傳輸效率，從而抑制光生電子與空穴的復(fù)合，改善器件性能。該電池的轉(zhuǎn)化率在9%以下。
[0004]中國(guó)發(fā)明專利CN 104465994 A公開(kāi)了一種基于全涂布工藝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，涉及太陽(yáng)能電池。提供可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、產(chǎn)業(yè)化的一種基于全涂布工藝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法。1)在透明導(dǎo)電基底上采用涂布工藝依次制備電子傳輸層、鈣鈦礦活性層、空穴傳輸層；所述涂布工藝采用slot-die涂布或噴霧式涂布；2)在空穴傳輸層上涂布頂電極，所述涂布采用絲網(wǎng)印刷和刮刀涂布。解決了蒸鍍以及印刷貴重金屬電極的工藝及成本問(wèn)題，還解決了涂布高溫碳漿可能導(dǎo)致的對(duì)鈣鈦礦層的破壞。采用一步退火的方法，即涂布完所有的功能層后在70 ~ 150° C下進(jìn)行退火。該發(fā)明簡(jiǎn)化了制作工藝，不過(guò)并沒(méi)有提及光電轉(zhuǎn)化率。
[0005]上述發(fā)明逐步將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池向產(chǎn)業(yè)化不斷推進(jìn)，不過(guò)，目前還不能大規(guī)模生產(chǎn)。作為一種可以量產(chǎn)的太陽(yáng)能電池片，不僅要求制備簡(jiǎn)單、成本低，更重要的是其產(chǎn)出一也就是光電轉(zhuǎn)化效率要高。目前還沒(méi)有報(bào)道能夠批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化率在15%以上的鈣鈦礦太陽(yáng)呢電池，尋找更高效率的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是人們一致努力的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了充分利用鈣鈦礦材料的性質(zhì)，本發(fā)明提供了一種適于生產(chǎn)的低成本太陽(yáng)能電池及其制備方法。采用本發(fā)明的電池材料及其結(jié)構(gòu)，能夠大幅提高太陽(yáng)能電池對(duì)光子的吸收及其轉(zhuǎn)化效率，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，改善器件性能。
[0007]
本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
1)采用導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)制備得到電子傳輸層:接著旋涂已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合物，烘干(300°C — 400°C)，制備得到電子傳輸層，厚度控制在10-100nm之間；
3)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，PbI2的濃度為0.5-3.0Mol/L，溶劑為二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:濃度5-lOmg/mL，溶劑為異丙醇；
采用溶液法原位合成鈣鈦礦材料:先在電子傳輸層上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生長(zhǎng)出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層。通過(guò)控制PbI2與CH3NH3I反應(yīng)溶液的濃度，控制鈣鈦礦的形貌與厚度，厚度控制在50-500nm之間；
4)制備電子吸收層:
采用富勒烯衍生物的氯苯溶液旋涂于吸光層，烘干，得到電子吸收層，控制溶液的濃度與涂布厚度，使電子吸收層的厚度在30-150nm之間；
5)制備空穴傳輸層:
將異丙氧基鈦(或雙(乙酰丙酮基)二異丙基鈦酸酯前驅(qū)體溶液)與乙醇鈮的混合，攪拌均勻，旋涂于電子吸收層上；
6)頂電極的制備:
采用真空熱蒸鍍、噴涂、沉積等方法，在器件上表面蒸鍍50-300nm的導(dǎo)電金屬層或碳層。
[0008]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池透光/透明電極層的材料為透明且能導(dǎo)電的材料組成，包括但不限于銦錫氧化物(ΙΤ0，Indium Tin Oxides)、氟錫氧化物(FT0，fluorinedoped tin oxide)、招鋅氧化物(ΑΖ0，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明電極材料。電子傳輸層為四元氧化物，由N1、Mg、L1、0四種元素構(gòu)成，且Li / Mg的摩爾比介于1:10與1:3之間。吸光層為具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料，所采用的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)光伏材料為ABX3型晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦。其中，B為鉛、錫、銻，X為鹵素元素。電子吸收層為富勒烯的衍生物，包含但不限于PCBM、PC71BM。空穴傳輸層由三元氧化物構(gòu)成，包含T1、Nb、0三種元素，且Nb / Ti的摩爾比介于1:30與1:10之間。頂電極為金屬電極或?qū)щ娞疾牧想姌O，如銀、金、銅、石墨、石墨稀等等。
[0009]有益的效果:采用本發(fā)明的材料與結(jié)構(gòu)，能夠充分利用鈣鈦礦材料的性能，并挖掘其潛能，形成P — I 一 N異質(zhì)結(jié)，充分吸收太陽(yáng)光能并提高其轉(zhuǎn)化率，其轉(zhuǎn)化效率可達(dá)16%以上。本發(fā)明采用了納米級(jí)獨(dú)特的電子傳輸層一吸光層一電子吸收層，能夠提升P — 1- N異質(zhì)結(jié)捕獲一吸收光子的能力。本發(fā)明主要采用工業(yè)上成熟的涂布法，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大尺寸、低成本、高效率的太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)。然而，現(xiàn)有的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池尚未得到大面積可用于生產(chǎn)的樣品，本發(fā)明解決了這一問(wèn)題，所發(fā)明的技術(shù)適合于制備大面積、高效率的太陽(yáng)能電池，其成本只有傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池的三分之一。
[0010]
【具體實(shí)施方式】
下面通過(guò)結(jié)合附圖1與實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的器件及其制備方法，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
【附圖說(shuō)明】:
附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為透光/透明電極層、2為電子傳輸層、3為吸光層、4為電子吸收層、5為空穴傳輸層和6為頂電極。
[0011]實(shí)施例1
1)采用氟錫氧化物(FTO，fluorinedoped tin oxide)導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)按照摩爾比1:1:10的比例配置已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合溶液，旋涂于透光/透明電極層上，于350°C烘干，制備得到電子傳輸層；厚度99nm ;
3)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，濃度為3.0Mol/L，溶劑為二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:濃度5mg/mL，溶劑為異丙醇；
采用溶液法原位合成鈣鈦礦材料:先在電子傳輸層上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生長(zhǎng)出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層；厚度53nm ;
4)制備電子吸收層
采用PCBM的氯苯溶液旋涂于吸光層之上，烘干，得到厚度145nm的電子吸收層；
5)制備空穴傳輸層:
將雙(乙酰丙酮基)二異丙基鈦酸酯前驅(qū)體溶液與乙醇鈮的混合按10:1的比例的混合，攪拌均勻，旋涂于電子吸收層上，得到空穴傳輸層；
6)頂電極的制備:
采用真空熱蒸鍍的方法在空穴傳輸層上蒸鍍276nm的銀層。
[0012]進(jìn)行電池性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用在100mW/cm2太陽(yáng)能模擬器(Newport)AM1。5G光照下進(jìn)行，測(cè)得光電轉(zhuǎn)化率衛(wèi)17%。
[0013]實(shí)施例2
1)采用鋁鋅氧化物ΑΖ0導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)按照摩爾比2:1:3的比例配置已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合溶液，旋涂于透光/透明電極層上，于360°C烘干，制備得到電子傳輸層；厚度85nm ;
3)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，濃度為0.5Mol/L，溶劑為二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:濃度10mg/mL，溶劑為異丙醇；
采用溶液法原位合成鈣鈦礦材料:先在電子傳輸層上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生長(zhǎng)出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層；厚度490nm ;
4)制備電子吸收層