一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及太陽能電池領域，具體的說是涉及一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池。
【背景技術】
[0002]自2009年以來開始出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的一種采用甲胺碘鉛(CH3NH3PbI3,簡寫為MALI)鈣鈦礦材料及其衍生物作為光吸收層的全新光伏薄膜技術，它采用低成本鍍膜生產(chǎn)工藝，在短短幾年的時間內(nèi)實驗室光電轉(zhuǎn)換效率已成功突破20%。而目前市場上以硅和碲化鎘為材料的主流太陽能電池，達到現(xiàn)有轉(zhuǎn)化效率歷時10多年。且最新研究表明鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本，鑒于此，光伏行業(yè)對鈣鈦礦普遍看好。
[0003]甲胺碘鉛鈣鈦礦電池基本由基底、透明電極、電子傳輸層、甲胺碘鉛鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層、后電極構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)講可分為介孔鈣鈦礦電池和平面鈣鈦礦電池兩種。其中介孔鈣鈦礦電池需要添加一層多孔疏松的二氧化鈦薄膜，來保證甲胺碘鉛鈣鈦礦材料的大面積附著以充分吸收陽光。而平面鈣鈦礦電池的光吸收材料是一層致密的鈣鈦礦薄膜，無需多孔疏松的二氧化鈦層薄膜來支撐。兩種結(jié)構(gòu)的電池都是使用未經(jīng)參雜的本征鈣鈦礦半導體材料作為光伏吸收層，而非參雜的P型或N型的鈣鈦礦半導體材料。此外，甲胺碘鉛鈣鈦礦電池中的有機空穴傳輸層(HTL)可有效傳輸空穴，以阻礙電子在到達后電極前與空穴發(fā)生重組。但是由于有機空穴傳輸層純度要求高、價格昂貴且通常性能不太穩(wěn)定，同時采用現(xiàn)有通用溶液法制備的空穴傳輸層含有針孔，容易導致濕氣的滲透而降低甲胺碘鉛鈣鈦礦電池性能，這些都造成了甲胺碘鉛鈣鈦礦電池成本的增加和工藝的復雜性。而且對于建立太陽能農(nóng)場而言，要求電池在高溫大風沙的沙漠環(huán)境中維持30年以上的壽命，可見現(xiàn)有鈣鈦礦電池仍存在艱巨的挑戰(zhàn)。
[0004]近期報道的一種甲胺碘鉛鈣鈦礦電池可以避免使用昂貴、不穩(wěn)定且工藝復雜的空穴傳輸層，其在二氧化鈦膜層上加添了一層氧化鋯(zirconium oxide)，這層氧化鋯可阻礙電子與空穴在到達后電極前的重組，起到同空穴傳輸層一樣的作用。但是這種電池在制備過程中還需添加5-氨基戊酸的陽離子來加固其與疏松二氧化鈦膜層的接觸，使得電池制備工藝依然復雜。并且采用這種方法制備的鈣鈦礦電池光電效率僅為11.6%，遠低于現(xiàn)有帶空穴傳輸層的甲胺碘鉛鈣鈦礦電池。
[0005]圖1為現(xiàn)有技術中的甲胺碘鉛鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)圖。該電池的結(jié)構(gòu)從上之下依次是基板層1、鍍在基板層I下表面的銦錫氧化物(ITO)或摻氟氧化錫(FTO)層2、電子傳輸層3 (如T12),甲胺碘鉛鈣鈦礦吸收層4、空穴傳輸層5 (如spiro-OMeTAD)、后電極層6 (如金或銀)。電池的各膜層厚度分別為:透明電極2約為0.2 μm，電子傳輸層3在0.5-2.0 μπι之間，甲胺碘鉛1丐鈦礦吸收層4約為0.3 μm，空穴傳輸層5約為0.3 μm，后電極6約為0.1 μπι。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有甲胺碘鉛鈣鈦礦電池的制備幾乎離不開使用空穴傳輸層或添加其它膜層，以阻礙電子與空穴的重組(盡管相比于其它光伏材料，甲胺碘鉛鈣鈦礦的載流子壽命較長，電子和空穴能維持長的分離狀態(tài))，這對降低鈣鈦礦電池制備成本以及提高鈣鈦礦電池穩(wěn)定性能都十分不利，亟待尋找新的解決方案。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]針對現(xiàn)有技術中的不足，本實用新型要解決的技術問題在于提供了一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池。
[0008]為解決上述技術問題，本實用新型通過以下方案來實現(xiàn):一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池，所述電池的結(jié)構(gòu)從上到下依次為基板層、透明電極層、N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層、P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層、后電極層，所述透明電極層是鍍在基板層的下表面。
[0009]進一步的，所述透明電極層厚度約為0.2 μπι，N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層的厚度在0.1~1.0 ym之間，P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層的厚度在0.5~200 ym之間，后電極層的厚度約為0.1 μπι。
[0010]進一步的，所述透明電極層為FTO或ΙΤ0，也可以用其它高光透率、高導電率的透明薄膜替代。
[0011 ] 進一步的，所述基板層為玻璃層或柔性聚合物層或金屬板層。
[0012]進一步的，所述后電極層可用金電極或銀電極替代。
[0013]進一步的，所述后電極層的材料可用任一納米粒導電材料、碳導電材料、耗微管材料、石墨烯材料替代。
[0014]相對于現(xiàn)有技術，本實用新型的有益效果是:通過制備P-N型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體電池，使得電池結(jié)構(gòu)得到簡化，從而簡化了電池的制備工藝，降低了電池的制備成本；同時這種簡化的甲胺碘鉛鈣鈦礦電池避免了空穴傳輸層的制備工藝復雜、性能不穩(wěn)定且價格昂貴等缺點；并且通過甲胺碘鉛鈣鈦礦P-N結(jié)的形成和甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體自身的長壽命載流子，可實現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1是現(xiàn)有技術中的甲胺碘鉛鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖2是本實用新型簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]附圖中標記:基板層1、透明電極2、電子傳輸層3、甲胺碘鉛鈣鈦礦吸收層4、空穴傳輸層5、后電極層6、N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層7、P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層8。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進行詳細闡述，以使本實用新型的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0020]現(xiàn)有甲胺碘鉛鈣鈦礦電池是使用未經(jīng)參雜的本征鈣鈦礦半導體材料作為光伏吸收層，需要電子傳輸層和空穴傳輸層來進一步阻礙電子-空穴對的重組，以獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。但有研究表明，通過對甲胺碘鉛鈣鈦礦材料進行不同的缺陷設計可得到P型或N型的甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體，如通過制造鉛空位缺陷可得到P型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體，通過制造甲胺官能團空隙可得到N型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導。其中鉛空位的能級位于價帶上方0.2eV處，空隙甲胺官能團的能級位于導帶下方0.05eV處，這些缺陷(鉛空位或甲胺官能團空隙)的能級非?？拷鼘Щ騼r帶的邊緣，而不是位于帶隙深層，所以不會導致電子-空穴對的重組。這為制備不含電子傳輸層或空穴傳輸層的P-N型甲胺碘鉛鈣鈦礦電池提供了理論基礎。
[0021]由于P型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體需要鉛空位，所以可通過減少甲胺碘鉛鈣鈦礦制備溶液中碘化鉛的用量來實現(xiàn)。同理，N型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體需要甲胺官能團空隙，可采用大量甲基碘化胺強制性地讓甲基胺官能團歸位于空隙位置；或使用甲胺氣體，同時使用氫氣在1.1Pa的大氣下來進行配制，強制性地讓甲基胺官能團歸位于空隙位置。此外，N型參雜還可以通過改變陽離子的原子價來調(diào)控，如使用三族金屬元素(如鋁、鎵、銦或硼)來代替鉛，這樣采用三價金屬原子替代二價鉛原子，可使原子最外層電子軌道電荷數(shù)減少從而實現(xiàn)N型參雜。
[0022]請參照附圖2，本實用新型的一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池，所述電池的結(jié)構(gòu)從上到下依次為基板層1、透明電極2、N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層7、P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層8、后電極層6。所述透明電極2是鍍在基板層I的下表面。所述透明電極2厚度約為0.2 μπι, N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層7的厚度在0.1-1.0 μm之間，P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層8的厚度在0.5~200 μm之間，后電極層6的厚度約為0.1 μπι。所述透明電極2可以為任意一種高光透率、高導電率的透明薄膜層，所述基板層I為玻璃層或柔性聚合物層或金屬板層，所述后電極層6為金電極或銀電極，所述后電極6可用任一納米粒導電材料、碳導電材料、耗微管材料、石墨烯材料替代。
[0023]實施例1:
[0024]本實用新型中P型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體的導帶位置與相鄰后電極相比，要低0.0-0.3 eV，η型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體的價帶位置與鄰近透明電極相比，要高0.0~0.2eV，可有效防止電子與空穴的復合。本實用新型的簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池，其甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體的禁帶寬度為1.52 eV，是一種直接帶隙半導體。本實用新型提出的一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池，采用參雜的P型和N型甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體材料，形成P-N結(jié)的平面甲胺碘鉛I丐鈦礦電池結(jié)構(gòu)，有利于受光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對的有效分離和傳輸，同時依靠甲胺碘鉛鈣鈦礦半導體自身的長壽命載流子可實現(xiàn)高的光電轉(zhuǎn)換效率。并且它不需要電子傳輸層和空穴傳輸層，可有效避免空穴傳輸層的制備工藝復雜、性能不穩(wěn)定且價格昂貴等缺點。
[0025]實施例2:
[0026]本實用新型提出一種簡化的甲胺碘鉛鈣鈦礦電池，同樣適用于衍生物鈣鈦礦電池。包括部分或全部替代甲胺官能團或金屬鉛或鹵素碘的各類衍生物鈣鈦礦電池，如使用其它有機官能團R.NH3.PbI3SHC(NH2)2 PbI3等替代甲胺官能團，或使用錫或鎢全部或部分取代鉛，或使用其它的鹵素(如氯、溴或氟)全部或部分取代碘。并且上述的所有P-N結(jié)甲胺碘鉛鈣鈦礦及其衍生物的太陽電池，不只限于單細胞的太陽電池結(jié)構(gòu)，也可用于大面積獨塊的批量生產(chǎn)。
[0027]實施例3:
[0028]一種簡化甲胺碘鉛鈣鈦礦電池，從上之下依次是玻璃基板層、鍍在玻璃基板下表面FT0、N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層、P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層、金電極層。FTO厚度為0.2 μπι, N型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層厚度為0.2 μπι(此厚度對電子傳輸最有利)，P型甲胺碘鉛鈣鈦礦薄膜層厚度為1.5 μm，金電極層厚度為0.1 μπι。
[0029]金電極層可采用濺射、蒸鍍等方法制備，P型和N型甲胺碘鉛鈣