技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的制備方法。

背景技術(shù)：
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隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，能源與環(huán)境問題受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，太陽能電池作為解決該時(shí)代問題的一種有效途徑，受到人們重視。目前市場(chǎng)上的太陽能電池主流產(chǎn)品是硅電池，而晶體硅價(jià)格昂貴導(dǎo)致硅電池的成本和傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這種情形下，鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型的太陽能電池，憑借其低廉的成本優(yōu)勢(shì)和優(yōu)異的光電性能，迅速成為了研究熱點(diǎn)，從09年誕生之初的3.8％的效率，短短幾年內(nèi)，上升為如今已獲得驗(yàn)證的22％。縱觀鈣鈦礦電池的發(fā)展歷程，鈣鈦礦電池材料、器件結(jié)構(gòu)、薄膜質(zhì)量等一系列因素嚴(yán)重制約著電池的表現(xiàn)與應(yīng)用，因此也成為人們研究的熱點(diǎn)問題。

鈣鈦礦材料的通式為abx3，目前以ch3nh3pbi3(mapbi3)和nh2ch＝nh2pbi3(fapbi3)為代表。器件結(jié)構(gòu)為介孔結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)，另外，根據(jù)入射光的方向不同，通常又分為正式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)的電池，通常是鈣鈦礦層直接接觸電子和空穴傳輸材料，這對(duì)鈣鈦礦薄膜的界面要求較高，否則會(huì)引起明顯的復(fù)合造成能量的損失。目前已有部分關(guān)于在界面插入絕緣層的報(bào)道，但僅局限在單層鈍化結(jié)構(gòu)，并且傳統(tǒng)方法很難實(shí)現(xiàn)在鈣鈦礦兩個(gè)表面的同時(shí)鈍化和載流子隧穿。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決目前在鈣鈦礦兩個(gè)表面生成均勻薄層絕緣層的難題。通過將絕緣材料溶解到鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液當(dāng)中，一次成膜后絕緣相分散到鈣鈦礦層中，然后通過溶解再析出的手段使其在鈣鈦礦兩個(gè)表面同時(shí)原位形成薄層絕緣層(即鈍化層)。由于是原位生成，控制手段簡(jiǎn)單易行，而且跟鈣鈦礦材料具有很好的接觸特性，保證了其對(duì)缺陷能級(jí)很好的鈍化特性，通過控制添加絕緣相的比例和后續(xù)工藝手段，可以調(diào)控析出在表層的絕緣相的量，優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)在電池器件中載流子在兩個(gè)界面的隧穿，從而降低了在此界面的復(fù)合，提高了電池的輸出電壓和效率。絕緣薄層的生成使得電池在在穩(wěn)定性方面也得到了很大程度的改善。

這種工藝適合于多種器件結(jié)構(gòu)，由于是原位析出反應(yīng)，因此對(duì)器件基底的要求不高，唯一需要控制的是析出過程的實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)控，絕緣材料和鈣鈦礦原料的投料比為1:9～2:8，通過溫度梯度等可控制析出速率，從而控制其生長(zhǎng)的厚度。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

以具有介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦p-i-n型太陽能電池為例，一：噴涂方法制備tio2致密層，厚度為30nm，然后旋涂tio2介孔層漿料，煅燒后厚度控制在200-300nm左右。二：將3鈣鈦礦材料和絕緣材料如δ-nh2ch＝nh2pbi3混合，溶液法成膜，δ-nh2ch＝nh2pbi3相均勻混合到前驅(qū)體薄膜中，通過后續(xù)的甲胺氣體處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)δ-nh2ch＝nh2pbi3相的均勻析出，在上下表面覆蓋一層δ-nh2ch＝nh2pbi3相。

本發(fā)明提出了一種全新的制備薄膜技術(shù)，基于該技術(shù)構(gòu)建了具有新型器件結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，在器件效率上，達(dá)到了20％以上，在壽命上，未封裝的情況下光照1000小時(shí)效率衰減僅為5％，遠(yuǎn)高于未有絕緣層結(jié)構(gòu)的電池器件。

附圖說明

附圖1新方法制備的δ-nh2ch＝nh2pbi3復(fù)合膜的xrd圖譜

新方法制備的δ-nh2ch＝nh2pbi3/mapbi3復(fù)合膜的xrd圖譜，加入不同量的絕緣材料制備的復(fù)合膜的xrd圖譜，隨著絕緣材料量的增多，絕緣材料的衍射峰越來越強(qiáng)(11.4°)，鈣鈦礦的衍射峰越來越弱(14.2°)

附圖2新方法制備的δ-nh2ch＝nh2pbi3復(fù)合膜的表面sem照片。

薄膜連續(xù)且全覆蓋，未有孔洞結(jié)構(gòu)。

附圖3新方法制備的δ-nh2ch＝nh2pbi3復(fù)合膜的截面sem照片，復(fù)合鈣鈦礦層較為致密，在介孔層中填充度高。

附圖4基于δ-nh2ch＝nh2pbi3復(fù)合膜的太陽能電池器件的iv曲線，器件的正反掃結(jié)果類似，說明鈣鈦礦薄膜質(zhì)量較高。

附圖5不同δ-nh2ch＝nh2pbi3比例對(duì)電池器件效率的影響規(guī)律。含量在10％，20％表現(xiàn)出較高的光電輸出效率。

附圖6基于δ-nh2ch＝nh2pbi3復(fù)合膜的太陽能電池器件的穩(wěn)定性曲線，器件測(cè)試條件為：未封裝、測(cè)試氣氛為氮?dú)猸h(huán)境，光強(qiáng)強(qiáng)度約為0.6個(gè)太陽，持續(xù)光照。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

首先，溶膠凝膠法制備tio2膠體，旋涂于清洗過的fto玻璃上，然后500℃加熱處理30min，得到致密的tio2薄膜。再致密薄膜上旋涂tio2漿料，tio2的顆粒大小～20nm，然后再進(jìn)一步500℃加熱處理30min，得到tio2介孔薄膜。其次，mapbi3溶在dmso溶液中，配制質(zhì)量比為50％的溶液，然后旋涂在tio2膜上，加熱到100℃5min揮發(fā)掉溶劑，然后置于甲胺氣氛中一段時(shí)間后移開，高溫?zé)崽幚砗笾苽潆姵仄骷?，摻雜spiro-ometad作為空穴傳輸層，最后蒸發(fā)100nm厚金作為陽極。在標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)太陽的太陽光下得到17.5％的光電轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)施例2

首先，溶膠凝膠法制備tio2膠體，旋涂于清洗過的fto玻璃上，然后500℃加熱處理30min，得到致密的tio2薄膜。再致密薄膜上旋涂tio2漿料，tio2的顆粒大小～20nm，然后再進(jìn)一步500℃加熱處理30min，得到tio2介孔薄膜。其次，按照摩爾百分比mapbi3：δ-nh2ch＝nh2pbi3為0.9：0.1混合在dmso溶液中，配制質(zhì)量比為50％的溶液，然后旋涂在tio2膜上，加熱到100℃5min揮發(fā)掉溶劑，然后置于甲胺氣氛中一段時(shí)間后移開，高溫?zé)崽幚砗笾苽潆姵仄骷?，摻雜spiro-meotad作為空穴傳輸層，最后蒸發(fā)100nm厚金作為陽極。在標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)太陽的太陽光下得到20.2％的光電轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)施例3

首先，溶膠凝膠法制備tio2膠體，旋涂于清洗過的fto玻璃上，然后500℃加熱處理30min，得到致密的tio2薄膜。再致密薄膜上旋涂tio2漿料，tio2的顆粒大小～20nm，然后再進(jìn)一步500℃加熱處理30min，得到tio2介孔薄膜。其次，按照摩爾百分比0.8:0.2將mapbi3和δ-nh2ch＝nh2pbcl3混合在dmso溶液中，配制質(zhì)量比為50％的溶液，然后旋涂在tio2膜上，加熱到100℃2min揮發(fā)掉溶劑，然后置于甲胺氣氛中一段時(shí)間后移開，高溫?zé)崽幚砗笾苽潆姵仄骷?，摻雜spiro-meotad作為空穴傳輸層，最后蒸發(fā)100nm厚金作為陽極。在標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)太陽的太陽光下得到20.5％的光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
發(fā)明涉及一種新型鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)和具有特殊結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜的制備方法，采用相分離的方法原位在鈣鈦礦薄膜的上下兩個(gè)表面析出具有鈍化特性的絕緣相，其在鈍化表面和晶界缺陷態(tài)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)界面光生載流子的隧穿，降低了界面處的能量損失，提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率，效率達(dá)到20％以上。另外，由于絕緣層的保護(hù)作用，提高了器件的穩(wěn)定性，在未封裝的情況下，持續(xù)光照1000小時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率衰減小于5％，遠(yuǎn)優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)的電池器件。

技術(shù)研發(fā)人員：王莉;李志鵬;陳克正
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.21
技術(shù)公布日：2017.11.07