具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦太陽電池，尤其涉及一種具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池及其制備方法，屬于太陽電池組件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球生態(tài)環(huán)境和能源短缺問題的日益嚴峻，太陽能光伏發(fā)電受到各國普遍關(guān)注。目前，產(chǎn)業(yè)化晶體硅的電池轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定約19%(單晶)和17?18%(多晶)，進一步提升效率存在技術(shù)和成本的制約瓶頸。盡管一些高效硅電池技術(shù)不斷得以提出，但是這些高效太陽電池制備工藝復(fù)雜、量產(chǎn)中品質(zhì)不易控制、對設(shè)備要求高，因此，難以實現(xiàn)量產(chǎn)。除了硅太陽電池以外，其它類型的化合物薄膜電池、有機太陽電池、染料敏化太陽電池等，其電池轉(zhuǎn)換效率多年來未有顯著突破。
[0003]近年來，一種稱之為“鈣鈦礦太陽電池”的新型電池技術(shù)引起了科研人員的廣泛關(guān)注，其電池轉(zhuǎn)換效率在短短的數(shù)年時間內(nèi)從3.8%提升至目前的19.3%，并以月為單位不斷刷新。鈣鈦礦體系是指一類與鈣鈦礦CaT13具有相似晶體結(jié)構(gòu)的有機-無機雜化物體系的總稱。鈣鈦礦具有復(fù)雜的電學(xué)和光學(xué)特性，從而使得具有不同工作機理的、構(gòu)造各異的電池結(jié)構(gòu)得到發(fā)展。其中包括基于敏化機理的太陽電池(mesoscopic sensitized solar cells)、無空穴傳輸層的p-n結(jié)太陽電池(HTM-free mesoscopic p-n solar cells)、介觀超級太陽電池(meso-superstructured solar cells)以及具有p-1-n結(jié)的平面異質(zhì)結(jié)太陽電池(planar heterojunct1n solar cells)。
[0004]鈣鈦礦太陽電池一般地基于ITO或FTO導(dǎo)電玻璃襯底。在含介孔層的器件結(jié)構(gòu)中，由襯底向上依次形成襯底、T1致密層、介孔層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層、上電極;在平面的器件結(jié)構(gòu)中，由襯底向上依次形成襯底、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層、上電極。在這兩種常見結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池中，光從襯底一面入射，被鈣鈦礦層吸收，激發(fā)形成激子。激子分離成電子和空穴，被導(dǎo)電襯底和上電極收集，實現(xiàn)光電流輸出。襯底作為入射光的窗口，需要由良好的光學(xué)透射率(300至800nm光譜段)；而作為收集電子的電極，需要有良好的電導(dǎo)性。
[0005]實驗室制備的鈣鈦礦太陽電池已經(jīng)獲得20%以上的轉(zhuǎn)換效率，但有效器件面積較小，往往只有l(wèi)cm2以下，無法實際應(yīng)用。鈣鈦礦太陽電池的應(yīng)用要求實現(xiàn)大面積。然而，隨著器件面積增加，鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率明顯下降，特別是填充因子。主要的原因是隨著器件面積增加，襯底ITO或FTO層橫向輸運電阻增加，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加。
[0006]透明導(dǎo)電氧化物(transparent conductive oxide , TC0)是常用的透明導(dǎo)電材料，用于太陽電池、平板顯示、觸控顯示等領(lǐng)域。材料有氧化銦錫(ΙΤ0)、摻氟氧化錫(FT0)、摻鋁氧化鋅(AZO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)等。T⑶的電導(dǎo)性和透光性是相互制約的:增加TCO的摻雜濃度會提高薄膜的電導(dǎo)性，但會降低薄膜的透光性;增加TCO的厚度會提高薄膜的橫向電導(dǎo)，但同樣會降低薄膜的透光性。
[0007]對于鈣鈦礦太陽電池，無論通過摻雜或增加薄膜厚度來提高TCO襯底的電導(dǎo)性，改善填充因子，都會增加入射光在TCO層的吸收，降低電流，限制裝換效率的提升。因此，需要設(shè)計一種具有高電導(dǎo)性和透光性透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池，以促進鈣鈦礦太陽電池的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提出一種具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池，使用兼顧電導(dǎo)性和透光性的透明導(dǎo)電襯底，提高鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。同時，本發(fā)明還提供一種具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池的制備方法。
[0009]為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:包括玻璃基體層(I以及依次設(shè)置于玻璃基體層(I)上的納米線層(2)、導(dǎo)電薄膜(3)、電子傳輸層(4)、鈣鈦礦層
(5)、空穴傳輸層(6)和上電極(7)，所述納米線層(2)包括若干高導(dǎo)電率材料制成的納米線(2a)，納米線(2a)形成互聯(lián)的網(wǎng)狀，納米線(2a)的直徑是10-300 nm，長度是1-100 μπι，長度與直徑比是10 -10000。
[0010]進一步地，所述高導(dǎo)電率材料為金屬、金屬合金、金屬氧化物或其任意組合。
[0011]進一步地，所述金屬、金屬合金中的金屬包括金(Au)、銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)或鈀(Pd);所述金屬氧化物包括氧化鈦(T1x)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二^UV2O5)、三氧化媽(WO3)、三氧化鉬(MoO3)及其相應(yīng)的氧化物摻雜。
[0012]進一步地，在玻璃基體層(I)與納米線層(2)之間還設(shè)置有S12層(8)。
[0013]進一步地，所述導(dǎo)電薄膜(3)至少部分地包裹或覆蓋所述納米線(2a)。
[0014]進一步地，所述導(dǎo)電薄膜(3)的材料是氧化銦錫(ΙΤ0)、摻氟氧化錫(FT0)、摻鋁氧化鋅(ΑΖ0)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)其中的一種或多種;或者是聚對苯撐乙烯(PPv)類、聚噻吩類、聚氨酯類、聚苯胺類、聚吡咯類、酰氨基類、聚硅烷類、三苯甲烷類、三芳胺類、腙類、吡唑啉類、嚼唑類、咔唑類、丁二烯類的有機導(dǎo)電聚合物;導(dǎo)電薄膜(3)的厚度是20 nm至2 μπι。
[0015]本發(fā)明的另一方面，提供一種制備上述鈣鈦礦太陽電池的透明導(dǎo)電襯底的制備方法，包括如下步驟:
S1:清洗、干燥玻璃基片；
S2:將納米線分散到分散液中，將納米線涂覆在基片表面，形成納米線層；
S3:清洗、干燥所述納米線層；
S4:制備導(dǎo)電薄膜層；
S5:在氣氛中退火處理；
S6:制備電子(空穴)傳輸層；
S7:制備鈣鈦礦層；
S8:制備空穴(電子)傳輸層；
S9:制備上電極。
[0016]進一步地，在步驟SI與S2之間，還包括如下步驟:Sl-1:制備S12層。
[0017]進一步地，所述分散液是水、乙醇、乙二醇、異丙醇、甲醇、丙二醇甲醚、甘油或丙酮的一種或兩種以上的混合。
[0018]進一步地，在步驟S2中，納米線在分散液中的含量是0.1至10 mg/mLo
[0019]進一步地，在步驟S2中，在基片上涂覆納米線的方法是滴涂、噴霧涂覆、刮涂、噴墨打印或濾膜轉(zhuǎn)印。
[0020]進一步地，在步驟S4中，制備導(dǎo)電薄膜的方法是蒸發(fā)沉積、濺射沉積鍍膜、噴涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷。
[0021 ] 進一步地，在步驟S5中，所述氣氛是氮氣、氬氣、氮氣一氫氣混合氣或氬氣一氫氣混合氣。
[0022]進一步地，在步驟S5中，退火溫度是80至300°C，時間是30至120分鐘。
[0023]進一步地，在步驟S6中，制備電子(空穴)傳輸層的方法是真空蒸發(fā)沉積、濺射沉積鍍膜或旋涂。
[0024]進一步地，在步驟S7中，制備|丐鈦礦層的方法是一步或兩步旋涂、氣相沉積或旋涂結(jié)合氣相沉積。
[0025]進一步地，在步驟S8中，制備空穴(電子)傳輸層的方法是真空蒸發(fā)沉積、濺射沉積鍍膜或旋涂。
[0026]進一步地，在步驟S9中，制備上電極的方法是真空蒸發(fā)沉積、濺射沉積、噴涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷。
[0027]本發(fā)明涉及的具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池，利用高電導(dǎo)率的金屬、合金或金屬氧化物材料的納米線構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)狀納米線層，形成電學(xué)互聯(lián)的網(wǎng)狀薄膜收集電子，減少載流子傳輸層的橫向電阻，改善大面積鈣鈦礦太陽電池的填充因子;而網(wǎng)狀納米線層，具有良好的光透過性，可以使大面積鈣鈦礦太陽電池獲得較好的光電流。同時，本發(fā)明所述的覆蓋和填充納米線的導(dǎo)電薄膜，具有一定的橫向?qū)щ娞匦?，有助于進一步減少載流子傳輸層的橫向電阻，提高大面積鈣鈦礦太陽電池的填充因子。覆蓋和填充的導(dǎo)電薄膜改善了納米線層表面的粗糙性，有利于在其表面制備鈣鈦礦太陽電池的各膜層。另外，該導(dǎo)電薄膜可以保護納米線層，提高環(huán)境穩(wěn)定性。
[0028]本發(fā)明提供的具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池的制備方法，可用于制備典型的介孔型和平面薄膜型的鈣鈦礦太陽電池，也可用于制備柔性的鈣鈦礦太陽電池，適用范圍廣，有利于提高鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，推進其應(yīng)用。
【附圖說明】
[0029]
圖1、圖2為本發(fā)明的鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，I為玻璃基體層，2為納米線層，2a為納米線，3為導(dǎo)電薄膜，4為電子傳輸層，5為鈣鈦礦光吸收層，6為Spiro-OMeTAD材料的空穴傳輸層，7為圖形化的上電極，8為S12層，9為PED0T/PSS材料的空穴傳輸層，10為富勒烯(PCBM)材料的電子傳輸層。
【具體實施方式】
[0030]
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，本發(fā)明中與現(xiàn)有技術(shù)相同的部分將參考現(xiàn)有技術(shù)。
[0031]實施例1: 如圖1所示，本發(fā)明的具有納米線透明導(dǎo)電襯底的鈣鈦礦太陽電池，包括玻璃基體層I以及依次設(shè)置于玻璃基體層I上的納米線層2、導(dǎo)電薄膜3、電子傳輸層4、鈣鈦礦層5、空穴傳輸層6和上電極7，所述納米線層2包括若干高導(dǎo)電率材料制成的納米線2a，各納米線2a形成互聯(lián)的網(wǎng)狀，納米線2a的直徑是10-300 nm，長度是1-100 μπι，長度與直徑比是10 -10000。在本實施例中，所述納米線2a為銀納米線，銀納米線的直徑是10-300 nm，優(yōu)選20-50 nm，長度是 1-100 μπι，優(yōu)選 1-10μηι。
[0032]所述高導(dǎo)電率材料可以為金屬、金屬合金或金屬氧化物，也可以為上述三者的任意組合，如金屬與金屬合金，或者，金屬合金與金屬氧化物，或者，金屬與金屬氧化物，或者，金屬、金屬合金與金屬氧化物的組合。
[0033]所述金屬、金屬合金中的金屬可以是金(Au)、銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)或者鈀(Pd);金屬氧化物可以是氧化鈦(1';[(\)、氧化鋅(2110)、五氧化二銀(￥205)、三氧化媽(103)、三氧化鉬(MoO3)及其相應(yīng)的氧化物摻雜。
[0034]所述導(dǎo)電薄膜3至少部分地包裹或覆蓋所述納米線2a;可以是完全地包裹覆蓋納米線的薄膜;或者，部分地包裹覆蓋納米線的薄膜，如:填充于納米線之間區(qū)域，納米線2a露出或部分露出于導(dǎo)電薄膜3。
[0035]導(dǎo)電薄