一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈣鈦礦太陽能電池以其高效率、低成本、簡單的電池結(jié)構(gòu)以及較易的電池制備方法等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。由于鈣鈦礦材料具有較好的光吸收、較長的載流子傳輸距離、較弱的激子結(jié)合能以及極少的表面缺陷等優(yōu)異性質(zhì)，在短短的5年內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證效率已經(jīng)突破了 20%，使其成為一種潛在的極具競爭力的太陽能電池。
[0003]鈣鈦礦太陽能電池一般采用三明治結(jié)構(gòu)，將鈣鈦礦吸光層置于陰極和陽極之間。為了避免鈣鈦礦材料與電池的陰極和陽極直接接觸而降低太陽能電池的效率，在吸光層和兩電極之間添加界面層是必不可少的。一般采用一些有機(jī)小分子或聚合物作為鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料；采用金屬氧化物作為電子傳輸材料。其中，電子傳輸層在高效率的鈣鈦礦太陽能電池中起著至關(guān)重要的作用。一般要求電子傳輸層在整個(gè)可見光區(qū)具有較高的透光性、較強(qiáng)的電子抽取能力、較小的載流子傳輸電阻等特點(diǎn)。目前，高效率鈣鈦礦太陽能電池中一般采用氧化鈦、氧化鋅、氧化鋁等作為電子傳輸層。采用氧化鈦電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出良好的性能，但是一般制備氧化鈦的方法(包括噴霧熱解法、溶液旋涂法以及溶膠凝膠法等)均需要大于450°C高溫煅燒，顯然，高溫處理的過程需要較高的能耗且不能在柔性基底上制備，極大的限制了鈣鈦礦太陽能電池的推廣應(yīng)用。采用低溫制備的氧化鋅或氧化鋁作為電子傳輸層時(shí)，雖然也可以制備出高效率的鈣鈦礦太陽能電池，但是電池的穩(wěn)定性相對(duì)于氧化鈦?zhàn)鳛殡娮觽鬏攲訒r(shí)較差。因此，開發(fā)一種低溫下制備的電子傳輸材料對(duì)鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠在低溫下完成制備，能夠使用剛性或柔性基底，制造方便，成本低，效率高的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]本發(fā)明一種鈣鈦礦太陽能電池制備方法，包括如下步驟，
[0007]步驟一，在基底上通過制備導(dǎo)電層形成太陽能電池的陰極；并在陰極上，室溫下采用磁控濺射制備氧化鈦薄膜形成用于傳輸電子的電子傳輸層；
[0008]步驟二，在電子傳輸層上制備鈣鈦礦吸光層；
[0009]步驟三，在鈣鈦礦吸光層上依次制備用于傳輸空穴的空穴傳輸層和收集空穴的陽極得到太陽能電池。
[0010]優(yōu)選的，電子傳輸層為在室溫下制備的20-300納米的氧化鈦薄膜，濺射功率是50-400瓦，靶材與樣品的距離是10-30厘米。
[0011]優(yōu)選的，在電子傳輸層上采用層層交替沉積法制備鈣鈦礦薄膜從而形成鈣鈦礦吸光層；具體的，先沉積50-100納米氯化鉛，然后沉積的厚度為300-600納米的甲胺基碘，100-120°C下反應(yīng)1-3小時(shí)，形成鈣鈦礦，重復(fù)此過程，直至形成厚度為200-500納米的鈣鈦礦吸光層。
[0012]進(jìn)一步，得到的鈣鈦礦吸光層冷卻至室溫后用異丙醇清洗除去過量的甲胺基碘；在鈣鈦礦吸光層上制備100-200納米的空穴傳輸層。
[0013]優(yōu)選的，所述的陰極采用氧化銦錫、摻氟氧化錫或摻鋁氧化鋅。
[0014]優(yōu)選的，基底為包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚醚砜樹脂和聚芳基酸酯的柔性基底，或是包括玻璃、硅片或不銹鋼片的剛性基底。
[0015]本發(fā)明一種鈣鈦礦太陽能電池，包括依次層疊設(shè)置在基底上的陰極，電子傳輸層，鈣鈦礦吸光層，空穴傳輸層和陽極；陰極的厚度為100-300納米；電子傳輸層采用室溫下由磁控濺射制備的厚度為20-300納米的氧化鈦薄膜制成；鈣鈦礦吸光層的厚度為200-500納米；空穴傳輸層的厚度為100-200納米；陽極的厚度為30-200納米。
[0016]優(yōu)選的，陰極和/或與陽極為入射光朝向且設(shè)置柵格結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選的，電子傳輸層，在可見光區(qū)的透光性大于90%，電子迀移率在10 4?10 5cm2V 1S 1 之間。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0019]本發(fā)明所述的室溫下制備氧化鈦電子傳輸層的方法簡單便捷、薄膜的均勻性較好、重復(fù)性高、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制造生產(chǎn)；用室溫下磁控濺射方法制備的氧化鈦薄膜作為電子傳輸層制備出高效率的鈣鈦礦太陽能電池，并且無需煅燒，使得整個(gè)生產(chǎn)過程都能在低溫下進(jìn)行。由于薄膜較致密且厚度較薄，其在可見光區(qū)的透光性大于90%，同時(shí)電子迀移率也較大，在10 4?10 5Cm2V 1S 1之間，可達(dá)到傳統(tǒng)高溫煅燒氧化鈦薄膜的性能；利用室溫制備的氧化鈦薄膜作為太陽能電池的電子傳輸層，制備高效率的以剛性或柔性襯底作為基底的鈣鈦礦太陽能電池。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明所述的在剛性基底上室溫制備的氧化鈦薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明所述的在柔性基底上室溫制備的氧化鈦薄膜作為電子傳輸層的柔性鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:陰極1，陰極中間層2，吸光層3，陽極中間層4，陽極5。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0024]本發(fā)明利用磁控濺射的方法在剛性導(dǎo)電或柔性導(dǎo)電基底上室溫下制備氧化鈦薄膜電子傳輸層2。濺射功率是200瓦，靶材與樣品的距離是17厘米。采用開爾文探針顯微鏡測試得到氧化鈦薄膜的費(fèi)米能級(jí)為是-4.14eV，傳統(tǒng)的高溫煅燒的氧化鈦費(fèi)米能級(jí)在-4.0eV附近，較小的費(fèi)米能級(jí)與鈣鈦礦材料的導(dǎo)帶能級(jí)之差較大，可以提供足夠的電荷分離驅(qū)動(dòng)力，有利于鈣鈦礦吸光層中電荷的分離；氧化鈦薄膜電子傳輸層2在可見光區(qū)的透光性大于90%，電子迀移率在10 4cm2V 1S 1左右。在制備的氧化鈦薄膜電子傳輸層2上依次熱蒸發(fā)制備100納米氯化鉛以及600納米甲胺基碘薄膜，然后在120°C下反應(yīng)2小時(shí)，形成鈣鈦礦，重復(fù)此過程，直至鈣鈦礦吸光層3的厚度達(dá)到450納米，冷卻至室溫后用異丙醇清洗除去過量的甲胺基碘。在鈣鈦礦吸光層3上制備170nm的空穴傳輸層4。將樣品轉(zhuǎn)移到熱蒸發(fā)系統(tǒng)中蒸鍍金屬陽極5制備如圖1和圖2所示的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)。
[0025]對(duì)以剛性或柔性基底制備的鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行1-V測試，剛性基底的器件短路電流是21.87mA/cm2，開路電壓是1.03V，填充因子是72%，效率高達(dá)16.22%。柔性基底的器件短路電流是19.18mA/cm2，開路電壓是1.02V，填充因子是64%，效率達(dá)到12.52%。此效率是目前柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。
[0026]本發(fā)明一種鈣鈦礦太陽能電池有如下特點(diǎn)(I)能夠使用柔性材料做基底；(2)采用低溫工藝；(3)所有材料均在低溫下制備完成。更特別的是，使用室溫環(huán)境下制備的氧化欽薄I旲材料，制備尚效率的I丐欽礦太陽能電池；還能夠使用剛性基底，使用室溫制備的氧化鈦薄膜制備剛性高效率鈣鈦礦太陽能電池，滿足不同的使用需求。
[0027]實(shí)例I
[0028]—種鈣鈦礦太陽能電池制備方法，包括如下步驟，
[0029]步驟一，在采用不銹鋼片的剛性基底上通過制備導(dǎo)電層形成太陽能電池的陰極I ;并在厚度為230納米且采用氧化銦錫的陰極I上，室溫下采用磁控濺射制備氧化鈦薄膜形成用于傳輸電子的電子傳輸層2 ;電子傳輸層2為在室溫下制備的120納米的氧化鈦薄膜，濺射功率是150瓦，靶材與樣品的距離是20厘米)。
[0030]步驟二，在電子傳輸層2上采用層層交替沉積法制備鈣鈦礦薄膜從而形成鈣鈦礦吸光層3 ;具體的，先沉積70納米氯化鉛，然后沉積的厚度為450納米的甲胺基碘，100-120°C下反應(yīng)3小時(shí)，形成鈣鈦礦，重復(fù)此過程，直至形成厚度為500納米的鈣鈦礦吸光層3o
[0031]步驟三，將得到的鈣鈦礦吸光層3冷卻至室溫后用異丙醇清洗除去過量的甲胺基碘；在鈣鈦礦吸光層3上依次制備100納米的用于傳輸空穴的空穴傳輸層4和厚度為200納米收集空穴的陽極5得到太陽能電池。
[0032]得到的太陽能電池中，陰極和/或與陽極為入射光朝向且設(shè)置柵格結(jié)構(gòu)；其中電子傳輸層2，在可見光區(qū)的透光性大于90%，電子迀移率在9X 10 5cm2V 1S 1之間。
[0033]實(shí)例2
[0034]—種鈣鈦礦太陽能電池制備方法，包括如下步驟，
[0035]步驟一，在采用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的柔性基底上通過制備導(dǎo)電層形成太陽能電池的陰極I ;并在厚度為100納米且采用氧化銦錫的陰極I上，室溫下采用磁控濺射制備氧化鈦薄膜形成用于傳輸電子的電子傳輸層2 ;電子傳輸層2為在室溫下制備的100納米的氧化鈦薄膜，濺射功率是50瓦，靶材與樣品的距離是20厘米)。
[0036]步驟二，在電子傳輸層2上采用層層交替沉積法制備鈣鈦礦薄膜從而形成鈣鈦礦吸光層3 ;具體的，先沉積100納米氯化鉛，然后沉積的厚度為300納米的甲胺基碘，100-120°C下反應(yīng)2小時(shí)，形成鈣鈦礦，重