一種整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于疊層太陽能電池制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池是各種清潔能源技術(shù)中最有效的技術(shù)方案之一，它對于解決人類發(fā)展過程中的能源與環(huán)境問題具有重要的意義。鈣鈦礦太陽能電池自2009年首次以3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率出現(xiàn)后，其效率在隨后短短五年里以前所未有的速度不斷攀升。截止2014年12月12日由美國國家可再生能源實驗室認證的鈣鈦礦太陽能電池的最高效率達到20.1%。因此，可以說鈣鈦礦太陽能電池代表著19世紀(jì)70年代以來光伏技術(shù)領(lǐng)域最有意義的突破，也是近幾年國內(nèi)外各科研單位及企業(yè)的研究熱點。追求更高光電轉(zhuǎn)換效率是光伏技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們的不懈追求。單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池當(dāng)前的效率已達20%左右，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的理論極限效率為25% -31%，因此，要進一步提高其效率會更加困難。因而發(fā)展鈣鈦礦疊層太陽能電池又將是鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域一個重要的方向。
[0003]當(dāng)前鈣鈦礦疊層太陽能電池的研究主要是將鈣鈦礦太陽能電池和傳統(tǒng)的太陽能電池如銅銦鎵砸(CIGS)太陽能電池、娃太陽能電池等結(jié)合起來。斯坦福大學(xué)MichaelD.McGehee教授課題組制備出效率為18.6%的鈣鈦礦/銅銦鎵砸機械式疊層太陽能電池(D01:10.1039/c4ee03322a)。美國加州大學(xué)楊陽教授課題組制備出效率為15.5%的鈣鈦礦/銅銦鎵砸四電極端點疊層太陽能電池(D01:10.1021/acsnan0.5b03189)。此外，牛津大學(xué)Henry Snaith教授加盟的牛津光伏有限公司(Oxford Photovoltaics Ltd)旨在研發(fā)鈣鈦礦/銅銦鎵砸疊層太陽能電池，他們預(yù)計鈣鈦礦/銅銦鎵砸疊層太陽能電池的光電效率會達到30%。盡管將鈣鈦礦與技術(shù)成熟的CIGS、單晶硅等太陽能電池結(jié)合制備出相應(yīng)的疊層太陽能電池可以一定程度提高光電轉(zhuǎn)換效率并使得電池具有更大的市場應(yīng)用潛力。然而，CIGS太陽能電池的制備工藝存在相對復(fù)雜、制備周期長、銦是稀有金屬等不足，單晶硅太陽能電池的制造工藝更為復(fù)雜，存在高能耗、制備周期長、生產(chǎn)過程排放有毒物質(zhì)等諸多不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，不僅采用全溶液法制備工藝具有超低能耗、工藝設(shè)備簡單、低成本、制備周期短等優(yōu)點，而且將不同帶隙的鈣鈦礦材料組合在一起，拓寬了光譜響應(yīng)的范圍，能極大地提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]為實現(xiàn)以上發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于:所述整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池自下而上包括透明導(dǎo)電玻璃、高溫?zé)Y(jié)致密二氧化鈦層、介孔二氧化鈦層、寬帶隙鈣鈦礦吸光層、納米銀線透明導(dǎo)電油墨中間電極，低溫?zé)Y(jié)致密二氧化鈦層、窄帶隙鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、碳電極。
[0006]其中，所述的整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于:寬帶隙鈣鈦礦光吸收層禁帶寬度在1.7eV左右，包括CsPbI3(禁帶寬度:1.73eV)、CH3NH3SnIBr2(禁帶寬度:
1.75eV)、CH3NH3PbI2Br (禁帶寬度:1.8eV)，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。
[0007]其中，所述的整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于:所述窄帶隙鈣鈦礦光吸收層禁帶寬度在l.0eV左右，包括CH3NH3SnI3(禁帶寬度:1.leV)、CH3NH3SnQ.9PbaiI3(禁帶寬度:1.18eV)，用于吸收太陽光能譜中波長較長的光。
[0008]—種整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0009](1)高溫致密二氧化鈦層的制備:利用旋涂法、噴霧熱解法、原子層沉積法在清洗潔凈的FT0導(dǎo)電玻璃上沉積二氧化鈦致密層，并在400-500 °C退火處理40-80min，獲得厚度為40-80nm的二氧化鈦致密層；
[0010](2) 二氧化鈦介孔層的制備:采用旋涂法、絲網(wǎng)印刷法在二氧化鈦致密層上制備二氧化鈦介孔層，并在500-550 °C退火處理40-80min，獲得厚度為500-1000nm的二氧化鈦介孔層；
[0011](3)寬帶隙鈣鈦礦吸光層的制備:采用旋涂法、絲網(wǎng)印刷法、刮涂法、噴霧沉積法在二氧化鈦介孔層上制備寬帶隙鈣鈦礦吸光層，并在90-110°C干燥30-50min，獲得厚度為500-1000nm的窄帶隙鈣鈦礦吸光層；
[0012](4)納米銀線透明導(dǎo)電油墨中間電極的制備:采用絲網(wǎng)印刷法、刮涂法、滾涂法在鈣鈦礦吸光層上制備納米銀線透明導(dǎo)電油墨，并在120-130°C干燥3-5min，獲得厚度為500-900nm的納米銀線透明導(dǎo)電油墨中間電極；
[0013](5)低溫二氧化鈦致密層的制備:先將27mg的銳鈦礦納米粒子分散在1ml的無水乙醇中，再用無水乙醇稀釋3次得到1.18wt% Ti02的膠體分散液，繼續(xù)加入適量的(Ti02含量的10-20mol% )TiAcAc(二(乙酰丙酮基)鈦酸二異丙脂)配成低溫二氧化鈦致密層旋涂液；在納米銀線透明導(dǎo)電油墨中間電極上利用旋涂法制備二氧化鈦致密層，并在100-120°C退火30-60min，獲得厚度為40_80nm的二氧化鈦致密層；
[0014](6)窄帶隙鈣鈦礦吸光層的制備:采用旋涂法、絲網(wǎng)印刷法、刮涂法、噴霧沉積法在二氧化鈦介孔層上制備窄帶隙鈣鈦礦吸光層，并在90-110°C干燥30-50min，獲得厚度為500-1000nm的窄帶隙鈣鈦礦吸光層；
[0015](7)空穴傳輸層的制備:在手套箱中將P3HT溶于氯苯或其它溶劑得到濃度為20mg/mL的溶液，將配好的P3HT溶液旋涂于窄帶隙鈣鈦礦吸光層上，并70°C干燥15_25min，獲得厚度為90-140nm的空穴傳輸層；
[0016](8)碳電極的制備:采用絲網(wǎng)印刷法、刮刀涂布法在鈣鈦礦吸光層上制備碳電極，并在100-120°C干燥30-50min，獲得厚度為5_25 μπι的碳電極。
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出本發(fā)明的有益效果是:
[0018](1)所選取的頂、底太陽能電池吸光層材料的帶隙基本符合雙結(jié)太陽能電池頂?shù)纂姵啬芟镀ヅ湟?1.7eV和l.0eV)，有效地改善了單結(jié)太陽能電池光譜吸收范圍窄，光吸收利用效率低的問題，有效地提高了太陽能電池對光譜的吸收效率，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
[0019](2)采用全溶液法制備工藝與絲網(wǎng)印刷工藝，具有超低能耗、工藝設(shè)備簡單、低成本、制備周期短等優(yōu)點，能極大地提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0020](3)采用納米銀線透明導(dǎo)電油墨作為中間電極，不僅克服以往超薄半透明金屬工藝復(fù)雜昂貴及光透過損失較大的不足，而且采用絲網(wǎng)印刷法、刮涂法、滾涂法等工藝具有成本低廉，易于工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明提供的整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方法作進一步說明。
[0023]本發(fā)明提供的整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池自下而上包括FT0透明導(dǎo)電玻璃、高溫?zé)Y(jié)致密二氧化鈦層、介孔二氧化鈦層、寬帶隙鈣鈦礦吸光層、納米銀線透明導(dǎo)電油墨中間電極，低溫?zé)Y(jié)致密二氧化鈦層、窄帶隙鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、碳電極。
[0024]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明所述的整體堆疊雙結(jié)鈣鈦礦太陽能電池制備方法進行說明:
[0025]實施例1:
[0026](1)清洗FT0透明導(dǎo)電玻璃:FT0透明導(dǎo)電玻璃依次用去離子水、丙酮、乙醇分別超聲清洗15min，氮氣吹干，然后用紫外臭氧清洗機處理以除去殘留的有機物；
[0027](2) 二氧化鈦致密層的制備:利用噴霧熱解法在清洗潔凈的FT0透明導(dǎo)電玻璃上沉積二氧化鈦致密層，并在500°C退火處理60min,獲得厚度為50nm的二氧化鈦致密層；
[0028](3)寬帶隙鈣鈦礦吸光層的制備:在手套箱中將75°C預(yù)熱的質(zhì)量百分比濃度為40%的CsSnI3溶液(以二甲基甲酰胺為溶劑)以2500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋