適于生產(chǎn)的低成本鈣鈦礦太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域，特別是一種適于生產(chǎn)的低成本鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對能源的需求與日倶增，能源與環(huán)境的問題已成為當(dāng)今世界的焦點(diǎn)問題。世界的政治經(jīng)濟(jì)關(guān)系與這兩個問題關(guān)系密切。當(dāng)前，可持續(xù)、環(huán)境友好型能源備受關(guān)注，其中光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。然而，當(dāng)前的光伏產(chǎn)業(yè)主要以晶硅材料為主，存在著成本高的缺點(diǎn)，各國光伏產(chǎn)業(yè)都主要依靠政府補(bǔ)貼來推廣。如果能夠生產(chǎn)出低成本的太陽能電池，則會大大加速光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
[0003]中國發(fā)明專利CN104134711 A公開了一種鈣鈦礦太陽能電池及其溶液法制備方法。該鈣鈦礦太陽能電池包括依次層疊的襯底、透明電極、電子傳輸層、吸光層、空穴傳輸層和頂電極。其中吸光層為具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料吸光層，其電子傳輸層、鈣鈦礦材料吸光層和空穴傳輸層均可在低溫(200° C以下)的空氣環(huán)境下實現(xiàn)溶液法制備，尤其是電子傳輸層不需要高溫(450° C以上)處理或合成的納米顆粒，有利于簡化工藝流程，降低成本，提高電池的制備效率，便于實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。該發(fā)明電池的轉(zhuǎn)化光電效率低于低于11%。
[0004]中國發(fā)明專利CN 104795501 A公開了一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，該鈣鈦礦太陽能電池由FT0透明導(dǎo)電玻璃襯底、電子傳輸層、吸光層、空穴傳輸層和金屬電極組成，其吸光層為二維層狀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料，該發(fā)明采用旋涂法制備層狀類鈣鈦礦吸光層，制備方法簡單，成膜性能佳，所述吸光層材料隨著層數(shù)的變化，其帶隙可調(diào)，并且具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，該材料在較高的空氣濕度(50-80%)下暴露30天無化學(xué)分解，并仍然保持良好的層狀結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)異且穩(wěn)定，不過其轉(zhuǎn)化效率比較低。
[0005]中國發(fā)明專利CN104810479A公開了一種太陽能電池以及制作方法。避免了現(xiàn)有鈣鈦礦電池制作工藝對高溫的需要，同時避免了目前鈣鈦礦電池要使用鉛的缺點(diǎn)。該發(fā)明提供了一種錫鈣鈦礦結(jié)構(gòu)柔性太陽能電池，從下到上依次為導(dǎo)電襯底、陽極、電子傳輸層、吸收層、空穴傳輸層、銀，其中電子傳輸層為納米氧化鋁薄膜，吸收層為錫鈣鈦礦結(jié)構(gòu)吸收層。該發(fā)明采用納米氧化鋁做電子傳輸層，以錫鈦礦結(jié)構(gòu)做吸收層，其電子傳輸層在150° C下操作即可完成，同時減少了鉛的使用。其轉(zhuǎn)化效率低于14%。
[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，目前還不能大規(guī)模生產(chǎn)。其原因主要是當(dāng)前的鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率還不夠高，一般在15%以下。尋找更高效率的太陽能電池結(jié)構(gòu)是人們一致努力的目標(biāo)。

【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)明提供了一種適于生產(chǎn)的低成本鈣鈦礦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)，不僅成本低，而且能夠大幅提高太陽能電池對光子的吸收及其轉(zhuǎn)化效率，從而提高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)采用導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)制備得到電子傳輸層:采用蒸鍍或氣相沉積的方法在導(dǎo)電玻璃上制備硫化物層；厚度控制在10-50nm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；
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。
[0009]本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池透光/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(FTO，fluorinedoped tin oxide)、招鋅氧化物(ΑΖ0，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明電極材料。電子傳輸層為硫化物；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?？昭▊鬏攲佑扇趸飿?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 一 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)化效率可達(dá)17%以上。本發(fā)明采用了納米級獨(dú)特的電子傳輸層一吸光層一電子吸收層，能夠提升P — I 一 N異質(zhì)結(jié)捕獲一吸收光子的能力。本發(fā)明采用含納米硫化物膜作為電子傳輸層，能夠高效地傳遞鈣鈦礦材料因吸收的太陽能產(chǎn)生的電子。不過相對于氧化物而言，其成本略高?？傮w而言，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、高效率的太陽能電池的生產(chǎn)。然而，現(xiàn)有的鈣鈦礦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Ο
[0011]下面通過結(jié)合附圖與實施例詳細(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】: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。
[0013]實施例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)采用物理氣相沉積的方法，在FTO上制備硫化鉻薄膜，厚度15納米；
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。
[0014]進(jìn)行電池性能測試，實驗過程中采用在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)18%。
[0015]實施例2
1)采用ΙΤ0(Indium Tin Oxides)導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)采用物理氣相沉積的方法，在ΙΤ0上制備硫化錳薄膜，厚度10納米；
3)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，濃度為2.3Mol/L，溶劑為二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:濃度7.5mg/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430nm ;
4)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；
5)