一種包含鈣鈦礦材料的太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域，特別是一種包含鈣鈦礦材料的太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類利用太陽能有多種方式，例如利用其熱效應(yīng)、光效應(yīng)等。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，又稱為光伏電池。目前商用太陽能電池市場上占主導(dǎo)地位的硅太陽能電池，即以晶體硅作為光電轉(zhuǎn)化的材料。鈣鈦礦太陽能電池是目前較為新穎的一類太陽能電池，主要是利用類似ABX (A=CHNH +等；B=Pb2+，Sn2+等；X=C1-，Br-，1-等)具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。近年來，人們研究發(fā)現(xiàn)，這類電池光電轉(zhuǎn)化效率高，成本低。有希望成為低成本的下一代商用太陽能電池。
[0003]中國發(fā)明專利CN 104701023 A公開了一種鈣鈦礦太陽能電池的碳電極材料及其制備方法，采用噴霧涂膜法在透明導(dǎo)電基底上制備致密二氧化鈦薄膜電子傳輸層，接著在致密二氧化鈦薄膜上制備鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物作為光吸收層，然后通過噴霧涂膜法在鈣鈦礦薄膜光吸收層上制備空穴傳輸層/碳電極層，得到的碳薄膜即為鈣鈦礦太陽能電池的碳電極層。該發(fā)明采用碳材料替代昂貴的貴金屬作為空穴傳輸電極材料，降低成本。采用簡單、快速、可規(guī)?；a(chǎn)的噴霧涂膜法進(jìn)一步節(jié)約了成本，并解決了鈣鈦礦太陽能電池電極成本高、真空蒸鍍制備金屬電極方法難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的問題，適用于低溫制備大面積鈣鈦礦太陽能電池的電極材料。該發(fā)明的電池的轉(zhuǎn)化效率低于7%。
[0004]中國發(fā)明專利CN 104091889 B公開了一種半導(dǎo)體鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，解決現(xiàn)有鈣鈦礦太陽能電池材料昂貴、工藝復(fù)雜的問題，同時(shí)保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的一種半導(dǎo)體鈣鈦礦太陽能電池，自下而上依次包括基底、導(dǎo)電層、空穴阻擋層、介孔電子收集層、介孔空穴收集層、介孔背電極層，其制備方法包括制備電極區(qū)、制備空穴阻擋層、制備介孔電子收集層、制備介孔空穴收集層、制備介孔背電極層和充斥鈣鈦礦吸光材料步驟；本發(fā)明的另一種半導(dǎo)體鈣鈦礦太陽能電池，增加了介孔絕緣層，其制備方法相應(yīng)增加制備介孔絕緣層步驟。本發(fā)明解決了現(xiàn)有鈣鈦礦太陽能電池的材料昂貴、工藝復(fù)雜的問題；在電池的開路電壓、短路電流和填充因子幾方面都有提高。光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到11.3%。
[0005]中國發(fā)明專利CN 104576932 A公開了一種雙層納米介孔電子傳輸層的I丐鈦礦光伏電池及其制備方法。該電池由導(dǎo)電襯底、雙層結(jié)構(gòu)的電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極組成。采用一步法低溫生長的Sn02作為電子傳輸層，取代了兩步法高溫?zé)Y(jié)的Ti02電子傳輸層，極大簡化了制備流程。這種一步法低溫制備的介孔鈣鈦礦光伏電池在取得13.82%的高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)有效的降低了制作成本、提高了電池的性能與穩(wěn)定性。不過，其轉(zhuǎn)化效率仍然低于15%。
[0006]上述發(fā)明逐步將鈣鈦礦太陽能電池向產(chǎn)業(yè)化不斷推進(jìn)，不過，鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)化取決于兩個(gè)條件，一是制造成本低，而是其轉(zhuǎn)化效率要高，而目前其效率都還在15%以下。尋找更高效率的太陽能電池結(jié)構(gòu)是人們工作的焦點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了充分利用鈣鈦礦材料的性質(zhì)，制備可用于生產(chǎn)的鈣鈦礦太陽能電池，本發(fā)明提供了一種包含鈣鈦礦材料的太陽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)，能夠大幅提尚太陽能電池對光子的吸收及其轉(zhuǎn)化效率，從而提尚太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，改善器件性能。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
1)采用透光率在90%以上的玻璃作為透光層；
2)采用導(dǎo)電玻璃作為透明電極層；
3)制備過渡層:采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備鎳的氧化物層。厚度控制在5_50nm范圍內(nèi)；
4)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；
5)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溶液中浸泡生長出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層。通過控制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；
6)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；
7)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；
8)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。
[0009]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池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，fluorine doped tinoxide)、招鋅氧化物(ΑΖ0，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明電極材料。過渡層為Ni的氧化物，包含但不限于N1、Ni02。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。
[0010]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 -1 - N異質(zhì)結(jié)，充分吸收太陽光能并提高其轉(zhuǎn)化率，其轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)20%以上。本發(fā)明采用了納米級含鎳過渡層，不僅能夠提升P — I 一 N異質(zhì)結(jié)撲獲吸收光子的能力，而且大大提升了該電池的時(shí)間穩(wěn)定性。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、尚效率的太陽能電池的生廣。然而，現(xiàn)有的含有I丐欽礦材料的太陽能電池尚未得到大面積可用于生產(chǎn)的樣品，本發(fā)明解決了這一問題，所發(fā)明的技術(shù)適合于制備大面積、高效率的太陽能電池，其成本只有傳統(tǒng)硅太陽能電池的三分之一。
[0011]【具體實(shí)施方式】:
下面通過結(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)成對本發(fā)明的限制。
[0012]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為透光層、2透明電極層、3為過渡層、4為電子傳輸層、5為吸光層、6為電子吸收層、7為空穴傳輸層和8為頂電極。
[0013]實(shí)施例1
1)采用低鐵玻璃作為透光層；
2)采用ITO(Indium Tin Oxides)導(dǎo)電玻璃作為透明電極層；
3)采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備Ni02層，厚度8nm;
4)按照摩爾比2:1:6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，旋涂于過渡層上，于350°C烘干，制備得到電子傳輸層；厚度15nm ;
5)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，濃度為1.5Mol/L，溶劑為二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:濃度8.5mg/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溶液中浸泡生長出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層。厚度410nm;
6)制備電子吸收層
采用PCBM的氯苯溶液旋涂于吸光層，烘干，得到厚度83nm得電子吸收層；
7)制備空穴傳輸層:
將異丙氧基鈦與乙醇鈮按25:1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；
8)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50nm的銀層。
[0014]進(jìn)行電池性能測試，實(shí)驗(yàn)過程中采用在100mW/cm2太陽能模擬器(Newport)AM1.5G光照下進(jìn)行，測得光電轉(zhuǎn)化率衛(wèi)19.8%。
[0015]實(shí)施例2
1)采用低鐵玻璃作為透光層；
2)采用鋁鋅氧化物ΑΖ0導(dǎo)電玻璃作為透明電極層；
3)采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備Ni02層。厚度50nm;
4)按照摩爾比1:1:3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，旋涂于過渡層上，于40(TC烘干，制備得到電子傳輸層；厚度60nm ;
5)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溶液中浸泡生長出鈣鈦礦材料，得到鈣鈦礦吸光層，厚度