CN105244439A - 一种钙钛矿太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种钙钛矿太阳能电池及其制造方法，包括：在透明的衬底上形成氧化锌层；将形成了氧化锌层的衬底置于生长溶液中进行反应，在氧化锌层上生长形成铝掺杂氧化锌纳米棒层；在铝掺杂氧化锌纳米棒层上形成氧化铝层；在氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层；在钙钛矿光敏感层上形成空穴传输层；在空穴传输层上形成背电极层。本发明的实施例中，采用铝掺杂氧化锌纳米棒层作为电子传输层，其具有较大的表面积和较好的电子传输能力；氧化铝层形成铝掺杂氧化锌纳米棒层上，作为修饰阻挡层，可以改善氧化锌纳米棒的缺陷；这样，使得本发明实施例的基于铝掺杂氧化锌纳米棒的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到了提高。

Description

一种钙钛矿太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制造方法。
背景技术
近几年来，钙钛矿型太阳能电池发展迅猛，其光电转换效率已超过20%，很少有太阳能电池可以在如此快的时间内达到如此高的效率。钙钛矿太阳能电池的电子传输层材料一般为TiO2和ZnO。通常，ZnO的电子传输能力比TiO2强，因此基于ZnO的钙钛矿太阳能电池在最近得到广泛的关注。
由于ZnO纳米棒的比表面积较大，ZnO纳米棒成为广泛应用的钙钛矿太阳能电池的电子传输层，但是由于ZnO纳米棒具备很多缺陷，如锌空位缺陷，氧空位缺陷以及复合缺陷等，因此目前基于ZnO纳米棒的钙钛矿太阳能电池的效率只能达到15%左右。
为了提高基于氧化锌纳米棒的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，必须降低氧化锌纳米棒的缺陷，提高其电子传输能力。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种光电转换效率得到提高的钙钛矿太阳能电池及其制造方法。
本发明公开的技术方案包括：
提供了一种制造钙钛矿太阳能电池的方法，包括：在透明的衬底上形成氧化锌层；将铝盐溶于六水合硝酸锌和六次甲基四胺的混合溶液中，获得生长溶液；将形成了氧化锌层的衬底置于所述生长溶液中进行反应，在所述氧化锌层上生长形成铝掺杂氧化锌纳米棒层；在所述铝掺杂氧化锌纳米棒层上形成氧化铝层；在所述氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层；在所述钙钛矿光敏感层上形成空穴传输层；在所述空穴传输层上形成背电极层。
本发明的一些实施例中，在衬底上形成氧化锌层包括：用磁控溅射法在所述衬底表面溅射氧化锌形成氧化锌层，并在500-600摄氏度下在氧气氛围中退火处理1-2小时。
本发明的一些实施例中，将形成了氧化锌层的衬底置于所述生长溶液中进行反应，在所述氧化锌层上生长形成铝掺杂氧化锌纳米棒层包括：将形成了氧化锌层的衬底置入所述生长溶液中，在93摄氏度下恒温水浴反应1-1.5小时，然后在500-600摄氏度下在氧气氛围中退火处理1-2小时。
本发明的一些实施例中，在所述氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层包括：将卤化铅溶于二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中，获得卤化铅溶液；将甲基卤化胺溶于异丙醇、二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中，获得甲基卤化胺溶液；将所述卤化铅溶液涂于所述氧化铝层上并热处理；将涂了卤化铅溶液并热处理后的氧化铝层浸入所述甲基卤化胺溶液中预定时间，从而在所述氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层。
本发明的一些实施例中，所述卤化铅溶液中卤化铅的浓度为400-500毫克/毫升，所述甲基卤化胺溶液中甲基卤化胺的浓度为5-15毫克/毫升。
本发明的一些实施例中，所述生长溶液中，六水合硝酸锌的浓度为20-50毫摩尔/升；六次甲基四胺的浓度为20-50毫摩尔/升。
本发明的一些实施例中，如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的厚度为200-300纳米，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的掺杂浓度为0.5%-2%，所述氧化铝层的厚度为10-20纳米。
本发明的实施例中还提供了一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：衬底；氧化锌层，所述氧化锌层形成在所述衬底的表面上；铝掺杂氧化锌纳米棒层，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层形成在所述氧化锌层上；氧化铝层，所述氧化铝层形成在所述铝掺杂氧化锌纳米棒层上；钙钛矿光敏感层，所述钙钛矿光敏感层形成在所述氧化铝层上；空穴传输层，所述空穴传输层形成在所述钙钛矿光敏感层上；背电极层，所述背电极层形成在所述空穴传输层上。
本发明的一些实施例中，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的厚度为200-300纳米，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的掺杂浓度为0.5%-2%。
本发明的一些实施例中，所述氧化铝层的厚度为10-20纳米。
本发明的实施例中的钙钛矿太阳能电池中，采用铝掺杂氧化锌纳米棒层作为电子传输层，其具有较大的表面积和较好的电子传输能力；氧化铝层形成铝掺杂氧化锌纳米棒层上，作为修饰阻挡层，可以改善氧化锌纳米棒的缺陷；这样，使得本发明实施例的基于铝掺杂氧化锌纳米棒的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到了提高。此外，本发明实施例中的方法工艺简单，效率高，原材料丰富，适用于工业化大规模生产。
附图说明
图1是本发明一些实施例的制造钙钛矿太阳能电池的方法的流程示意图。
图2是本发明一些实施例的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的钙钛矿太阳能电池的具体结构及制造钙钛矿太阳能电池的方法的具体步骤。
图1为本发明一些实施例的制造钙钛矿太阳能电池的方法的流程示意图。
如图1所示，本发明一些实施例中，在步骤10中，可以在透明的衬底上形成氧化锌层。
一些实施例中，可以用磁控溅射法在衬底上形成氧化锌层。例如，一些实施例中，可以用磁控溅射法在衬底的表面上溅射形成氧化锌层，然后将该氧化锌层在500-600摄氏度的温度下（例如，将形成了氧化锌层的衬底置于500℃的管式炉中）在氧气氛围中退火处理1-2小时，从而获得所需的氧化锌层。
一些实施例中，衬底可以是导电玻璃，例如以氧化铟锡（ITO）或者掺杂的氟的氧化锡（SnO2）（FTO）为导电层的玻璃；或者衬底也可以是其他适合的透明衬底材料。
本发明的实施例中，在衬底上形成氧化锌层之前，还可以对衬底进行清洗处理。例如，一些实施例中，可以将衬底（例如，导电玻璃）分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗15分钟，以便去除油脂和有机物，然后将衬底吹干。
本发明的一些实施例中，形成的氧化锌层的厚度可以为80-150纳米。
本发明的实施例中，该氧化锌层可以作为最终制成的太阳能电池的电子阻挡层。
在步骤20中，可以制备生长溶液。
一些实施例中，可以将铝盐（例如，六水合氯化铝、硫酸铝或者硝酸铝等带铝离子的盐）溶于六水合硝酸锌和六次甲基四胺的混合溶液中，从而获得生长溶液。例如，一些实施例中，可以将六水合硝酸锌和六次甲基四胺溶于去离子水中，充分搅拌使溶质溶解，然后将铝盐溶于该六水合硝酸锌和六次甲基四胺的混合溶液中，从而获得生长溶液。
一些实施例中，该生长溶液中，六水合硝酸锌的浓度可以为20-50毫摩尔/升（mmol/L），例如35mmol/L；六次甲基四胺的浓度可以为20-50毫摩尔/升（mmol/L），例如35mmol/L。
一些实施例中，铝盐的浓度可以根据后续的步骤中形成的铝掺杂氧化锌纳米棒中的所需要的铝的掺杂浓度确定。
获得了生长溶液之后，在步骤30中，可以将形成了氧化锌层的衬底置于该生长溶液中进行反应，此时，生长溶液中的六水合硝酸锌提供Zn+，六次甲基四胺提供OH-，Zn+与OH-反应生成ZnO，随着反应的进行生长成氧化锌纳米棒，同时，由于生长溶液中存在铝离子，生长形成的氧化锌纳米棒中将掺杂了铝离子。这样，即在氧化锌层上生长形成了铝掺杂氧化锌纳米棒层。
例如，一些实施例中，可以将形成了氧化锌层的衬底放置在生长溶液中，密封置于在恒温水浴锅中，从而在氧化锌层上生长铝掺杂的氧化锌纳米棒，生长温度可以为93℃，生长时间可以为1-1.5小时。生长结束后，可以用去离子水冲洗，然后在500℃-600℃的温度下（例如，置于500摄氏度的管式炉中）在氧气氛围中退火处理1-2小时，从而形成铝（例如，Al3+）掺杂的氧化锌纳米棒层。该铝掺杂的氧化锌纳米棒层在最终制成的太阳能电池中作为电子传输层。
一些实施例中，形成的铝掺杂氧化锌纳米棒层中，铝掺杂的掺杂浓度可以为0.5%-2%，其中这里的0.5%-2%为重量百分比。
一些实施例中，形成的铝掺杂氧化锌纳米棒层的厚度可以为200-300纳米。
形成了铝掺杂氧化锌纳米棒层之后，在步骤40中，可以在该铝掺杂氧化锌纳米棒层上形成氧化铝层。例如，一些实施例中，可以使用原子层沉积（ALD）法在150至250℃的温度下沉积形成均匀致密的超薄Al2O3薄膜。例如，一些实施例中，形成的氧化铝层的厚度可以为10-20纳米。
本发明的实施例中，该氧化铝层可以作为最终制成的太阳能电池的修饰阻挡层。
然后，在步骤50中，可以在氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层。
例如，一些实施例中，可以将卤化铅（例如，碘化铅（PbI2）、氯化铅（PbCl2）或者溴化铅（PbBr2）等等）溶于二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中（例如，加入卤化铅之后在70℃的温度下加热搅拌），获得卤化铅溶液；将甲基卤化胺（例如，CH3NH3X，其中这里X可以为卤素，例如为碘、溴或者氯，等等）溶于异丙醇、二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中，获得甲基卤化胺溶液；将卤化铅溶液涂于（例如，旋涂）于步骤40中形成的氧化铝层上，并进行热处理（例如，在100摄氏度下热处理5分钟），然后将热处理后的氧化铝层进入前述的甲基卤化胺溶液中预定时间（例如，2分钟），此时，卤化铅与甲基卤化胺将会发生反应，从而在氧化铝层上生成钙钛矿光敏感材料（例如，CH3NH3PbX3，其中这里X可以为卤素，例如为碘、溴或者氯，等等）的层，该钙钛矿光敏感材料的层即为钙钛矿光敏感层，该钙钛矿光敏感层即为最终制成的太阳能电池的光敏感层。
形成了钙钛矿光敏感层后，还可以对其进行热处理（例如，在100摄氏度下热处理5分钟）。
一些实施例中，这里的卤化铅溶液中卤化铅的浓度可以为400-500毫克/毫升（mg/ml）（例如，460毫克/毫升，等等）。一些实施例中，这里的甲基卤化胺溶液中甲基卤化胺的浓度可以为5-15毫克/毫升（mg/ml）（例如，10mg/ml，等等）。
一些实施例中，步骤50中形成的钙钛矿光敏感层的厚度可以为200-300纳米。
然后，在步骤60中，可以在钙钛矿光敏感层上形成空穴传输层。
本发明的实施例中，空穴传输层可以用适合的材料形成。例如，一些实施例中，空穴传输层可以由spiro-OMeTAD形成，即为spiro-OMeTAD层。例如，可以将spiro-OMeTAD溶液旋涂于步骤50中形成的钙钛矿光敏感层上，从而在该钙钛矿光敏感层上形成spiro-OMeTAD层。
例如，一些实施例中，可以将80mg的spiro-OMeTAD、28.5μL的4-叔丁基吡腚溶液和17.5μL的锂盐溶液溶于1mL氯苯中，获得spiro-OMeTAD溶液，然后将该spiro-OMeTAD溶液旋涂于步骤50中获得的钙钛矿光敏感层上，从而在钙钛矿光敏感层上形成spiro-OMeTAD层。
一些实施例中，空穴传输层的厚度可以为100-200纳米。
然后，在步骤70中，可以在空穴传输层上形成背电极层。例如，一些实施例中，可以采用电子束蒸发法蒸镀形成一层金属层，该金属层作为背电极层。例如，一些实施例中，可以在8×10-4帕真空条件下采用电子束蒸发法在空穴传输层上蒸镀形成80nm的金层，即形成由金属金（Au）形成的背电极。
通过上述步骤，即可获得本发明的实施例的钙钛矿太阳能电池。
图2为本发明一个实施例的根据前述的一些实施例中的方法制造的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
如图2所示，本发明的一些实施例中，一种钙钛矿太阳能电池包括衬底1、氧化锌层2、铝掺杂氧化锌纳米棒层3、氧化铝层4、钙钛矿光敏感层5、空穴传输层6和背电极层7。
氧化锌层2形成在衬底1的表面上。氧化锌层2可以作为该钙钛矿太阳能电池的电子阻挡层，其厚度可以为80至150纳米。
铝掺杂氧化锌纳米棒层3形成在氧化锌层2上，其厚度可以为200-300纳米，其中的铝掺杂的掺杂浓度可以为0.5%-2%，其中这里0.5%-2%为重量百分比。该铝掺杂氧化锌纳米棒层3可以作为该钙钛矿太阳能电池的电子传输层。
氧化铝层4形成在铝掺杂氧化锌纳米棒层3上。该氧化铝层4可以作为该钙钛矿太阳能电池的修饰阻挡层，其厚度可以为10-20纳米。
钙钛矿光敏感层5形成在氧化铝层4上，其作为该钙钛矿太阳能电池的光敏感层。一些实施例中，该钙钛矿光敏感层5可以由CH3NH3PbX3形成，其中X可以为卤素，例如为氯、溴或者碘，等等。一些实施例中，钙钛矿光敏感层5的厚度可以为200-300纳米。
空穴传输层6形成在钙钛矿光敏感层5上，用于传输空穴。空穴传输层6可以由适合的材料形成。例如，一些实施例中，空穴传输层6可以由spiro-OMeTAD形成。一些实施例中，空穴传输层6的厚度可以为100-200纳米。
背电极层7形成在空穴传输层6上，其可以由导电的金属材料（例如，金）形成。一些实施例中，背电极层7的厚度可以为80纳米。
本发明的实施例中的钙钛矿太阳能电池工作时，光从透明衬底背面入射到钙钛矿光敏感层5上，光在该钙钛矿光敏感层5中形成自由电子-空穴对。其中自由电子经过氧化铝层4、铝掺杂氧化锌纳米棒电子传输层3和氧化锌层2，而空穴经过空穴传输层6，这样，自由电子和空穴在透明衬底上的导电电极与背电极层7之间形成导通电流，从而将光能转换为电能。
本发明的实施例中的钙钛矿太阳能电池中，采用铝掺杂氧化锌纳米棒层作为电子传输层，其具有较大的表面积和较好的电子传输能力；氧化铝层形成铝掺杂氧化锌纳米棒层上，作为修饰阻挡层，可以改善氧化锌纳米棒的缺陷；这样，使得本发明实施例的基于铝掺杂氧化锌纳米棒的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到了提高。例如，测试结果表明：在AM1.5G（100mW/cm2）光照下，根据本发明的实施例中的方法制备的钙钛矿太阳能电池在Al2O3修饰以及掺杂Al元素后，比未掺杂以及没有Al2O3的修饰的情况下，光电转换效率能提高3%-5%。
此外，本发明实施例中的方法工艺简单，效率高，原材料丰富，适用于工业化大规模生产。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (10)

1.一种制造钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
在透明的衬底上形成氧化锌层；
将铝盐溶于六水合硝酸锌和六次甲基四胺的混合溶液中，获得生长溶液；
将形成了氧化锌层的衬底置于所述生长溶液中进行反应，在所述氧化锌层上生长形成铝掺杂氧化锌纳米棒层；
在所述铝掺杂氧化锌纳米棒层上形成氧化铝层；
在所述氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层；
在所述钙钛矿光敏感层上形成空穴传输层；
在所述空穴传输层上形成背电极层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在衬底上形成氧化锌层包括：用磁控溅射法在所述衬底表面溅射氧化锌形成氧化锌层，并在500-600摄氏度下在氧气氛围中退火处理1-2小时。
3.如权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，将形成了氧化锌层的衬底置于所述生长溶液中进行反应，在所述氧化锌层上生长形成铝掺杂氧化锌纳米棒层包括：将形成了氧化锌层的衬底置入所述生长溶液中，在93摄氏度下恒温水浴反应1-1.5小时，然后在500-600摄氏度下在氧气氛围中退火处理1-2小时。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层包括：
将卤化铅溶于二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中，获得卤化铅溶液；
将甲基卤化胺溶于异丙醇、二甲基甲酰胺或者二甲基亚砜中，获得甲基卤化胺溶液；
将所述卤化铅溶液涂于所述氧化铝层上并热处理；
将涂了卤化铅溶液并热处理后的氧化铝层浸入所述甲基卤化胺溶液中预定时间，从而在所述氧化铝层上形成钙钛矿光敏感层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述卤化铅溶液中卤化铅的浓度为400-500毫克/毫升，所述甲基卤化胺溶液中甲基卤化胺的浓度为5-15毫克/毫升。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于：所述生长溶液中，六水合硝酸锌的浓度为20-50毫摩尔/升；六次甲基四胺的浓度为20-50毫摩尔/升。
7.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于：如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的厚度为200-300纳米，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的掺杂浓度为0.5%-2%，所述氧化铝层的厚度为10-20纳米。
8.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：
衬底；
氧化锌层，所述氧化锌层形成在所述衬底的表面上；
铝掺杂氧化锌纳米棒层，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层形成在所述氧化锌层上；
氧化铝层，所述氧化铝层形成在所述铝掺杂氧化锌纳米棒层上；
钙钛矿光敏感层，所述钙钛矿光敏感层形成在所述氧化铝层上；
空穴传输层，所述空穴传输层形成在所述钙钛矿光敏感层上；
背电极层，所述背电极层形成在所述空穴传输层上。
9.如权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于：所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的厚度为200-300纳米，所述铝掺杂氧化锌纳米棒层的掺杂浓度为0.5%-2%。
10.如权利要求8或者9所述的太阳能电池，其特征在于：所述氧化铝层的厚度为10-20纳米。
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