CN109326718A - 一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法 - Google Patents

一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制备方法。该方法主要包括依次形成底电极、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、纳米双缓冲层、顶电极以及抗反射层。通过在空穴传输层之间形成纳米TiO2/MoO2缓冲层结构，能够更好的保护电子传输层/钙钛矿吸收层/空穴传输层的钙钛矿太阳能电池主体结构，从而能够实现大面积的钙钛矿太阳能电池的制造。

Description

一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，特别涉及到一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法。
背景技术
随着化石燃料等不可再生能源的不断消耗,人类面临的能源危机日趋重。因此,可再生能源太阳能越来越受到人们的重视。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源，受到了人们的广泛关注。传统利用太阳能的方法就是常用的太阳能热水器(光转化为热)，然而这种产生效能的方式适用范围非常局限。用瑞士科学家Micheal 的说法，太阳每年照射在地球表面的能量约为32×1024J，相当于目前全球每年消耗能量的一万倍，如果用能量转换效率为10％的太阳能电池将地球表面0.1％面积的能量利用起来就足以满足目前能量的需求。因此最好的利用太阳能的方法则是利用太阳能来发电，这是一件十分值得去探索的事情。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，又称为光伏电池。作为第三代太阳能电池,钙钛矿太阳能电池(PSCs)的活性层具有极高的消光系数,较大的载流子扩散长度及双极性载流子传输等性能成为研究热点。钙钛矿材料从2009年用于太阳能电池，到目前效率已经达到将近20％，是初始时的电池效率的5倍，把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后，钙钛矿太阳能电池是近三年来发展非常迅速的低成本薄膜太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池通常包含多个层，包括透明衬底，透明导电氧化物(TCO)底部电极，电子传输层(n型ETL)，介观氧化物/钙钛矿复合层(任选)，平面钙钛矿层，空穴传输层(p型HTL)和顶部金属电极。钙钛矿太阳能电池结构核心是具有钙钛矿晶型(ABX)的有机金属卤化物吸光材料。在这种钙钛矿ABX结构中，A为甲胺基(CHNH)，B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CHNHPbI)，它的带隙约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。而且，这种材料制备简单，将含有PbI和CHNHI的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CHNHPbI不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。
尽管当前钙钛矿合成取得了显著的进展，但大多数研究都是采用小面积(<0.2cm2)钙钛矿完成的，目前只有少数研究试图制备大面积的PSC，而大面积情况下的转化效率远远落后于实验室的22％。本发明创造性的采用双缓冲层结构解决了将高效小型实验室电池的生产放大到生产更大面积钙钛矿太阳能电池以保持其高效率的问题。
发明内容
钙钛矿不仅能够广泛吸收太阳光谱，而且具有极佳的电荷传输性能。为了充分利用这些性质，本发明提出了一种采用双缓冲层的钙钛矿太阳能电池，能够在对透明导电电极进行高能沉积工艺时不会造成钙钛矿层的破坏，从而能够实现大面积的钙钛矿太阳能电池的制造。
本发明的具体技术方案如下：
(1)形成底电极
将透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的透明导电玻璃作为底电极，透明导电玻璃的厚度在100-150nm之间。透明导电玻璃可以选择铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)或铝锌氧化物(AZO)。
(2)形成电子传输层
在缓冲层上形成一层电子传输层，电子传输层为一种或多种以下无机化合物，包括TiO、ZnSnO、CsCO、BaTiO、SrTiO、MgTiO、BaSnO、SnO、ZnO或CdS。
(3)形成钙钛矿吸收层
在电子传输层上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，形成钙钛矿吸收层。
(4)形成空穴传输层
在钙钛矿吸收层上形成空穴传输层，空穴传输层为一种或多种以下无机化合物，包括掺杂或未掺杂的NiO(掺杂元素选自Cu、Li、Ca、Mg或Sr的一种或多种)、CuO、PbS、VO、MoO、CuSCN、CuI或p型铜铁矿结构的掺杂或未掺杂的AMO型半导体材料形成，其中，A选自Cu或Ag，M选自Cr、Ga、Al、Sc、In、Y或Fe，掺杂元素选自Mg、Ca或Ga中的一种或多种。
(5)形成纳米缓冲层
使用溶胶凝胶法在透明导电玻璃衬底上旋涂形成纳米二氧化钛颗粒,再经过室温干燥去除多余溶剂，随后通过水热法在其上形成一层二氧化钼层，并缓慢升温至60℃进行烘干处理，形成纳米TiO2/MoO2缓冲层。
(6)形成顶电极
使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀银电极层，顶电极可以采用具有较高功函数的材料，如金、银、铜、铝等金属以及导电碳材料，可以采用真空镀膜、以及溶液成膜等制作方法。
(7)形成抗反射层
使用蒸发法在顶电极上形成一层抗反射层。
本发明通过在空穴传输层之间形成纳米TiO2/MoO2缓冲层结构，能够更好的保护电子传输层/钙钛矿吸收层/空穴传输层的钙钛矿太阳能电池主体结构，从而能够实现大面积的钙钛矿太阳能电池的制造。
附图说明：
图1：双缓冲层钙钛矿结构示意图；
图2：双缓冲层钙钛矿制造方法流程示意图；
具体实施方式
实施例1
将FTO透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的100nm透明导电玻璃作为底电极101。在底电极上形成一层厚度为80nm的TiO电子传输层102,随后在电子传输层上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，形成30nm钙钛矿吸收层103。
在钙钛矿吸收层上形成80nm的NiO空穴传输层104，随后在其上形成上部TiO2/MoO2纳米缓冲层105/106，纳米缓冲层的形成步骤与下部纳米缓冲层的步骤一致。
使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀厚度为60nm的银电极层107，并使用蒸发法在顶电极上形成一层厚度为50nm的抗反射层108。
实施例2
将ITO透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的100nm透明导电玻璃作为底电极101。在底电极上形成一层20nm的ZnO电子传输层(104),随后在电子传输层上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，形成50nm钙钛矿吸收层103。
在钙钛矿吸收层上形成MoO空穴传输层104，随后在其上形成上部TiO2/MoO2纳米缓冲层105/106，纳米缓冲层的形成步骤与下部纳米缓冲层的步骤一致。
使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀80nm厚的银电极层107，并使用蒸发法在顶电极上形成一层厚度为70nm的抗反射层108。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)形成底电极
将透明导电玻璃依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的透明导电玻璃衬底；
(2)形成电子传输层
在缓冲层上形成一层电子传输层；
(3)形成钙钛矿吸收层
在电子传输层上旋涂钙钛矿薄膜，并将膜置于真空室中3秒钟以通过除去残余溶剂来促进钙钛矿成核，在环境空气中进行旋涂工艺；以4000rpm的转速旋转50秒，然后以2000rpm的速度旋转18秒，在150℃的温度下退火15分钟，形成钙钛矿吸收层。
(4)形成空穴传输层
在钙钛矿吸收层上形成空穴传输层；
(5)形成纳米缓冲层
使用溶胶凝胶法在透明导电玻璃衬底上旋涂形成纳米二氧化钛颗粒,再经过室温干燥去除多余溶剂，随后通过水热法在其上形成一层二氧化钼层，并缓慢升温至60℃进行烘干处理，形成纳米TiO2/MoO2缓冲层；
(6)形成顶电极
使用蒸镀方法，在上述多层膜上蒸镀顶电极层；
(7)形成抗反射层
使用蒸发法在顶电极上形成一层抗反射层。
2.如权利要求1所述的双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于，所述透明导电玻璃选自铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO)或铝锌氧化物(AZO)，其厚度在100nm-150nm之间。
3.如权利要求1所述的双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于，所述电子传输层选自TiO、ZnSnO、CsCO、BaTiO、SrTiO、MgTiO、BaSnO、SnO、ZnO或CdS。
4.如权利要求1所述的双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于，所述空穴传输层选自掺杂或未掺杂的NiO、CuO、PbS、VO、MoO、CuSCN或CuI。
5.如权利要求1所述的双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于，所述空穴传输层为p型铜铁矿结构的掺杂或未掺杂的AMO型半导体材料，其中，A选自Cu或Ag，M选自Cr、Ga、Al、Sc、In、Y或Fe，掺杂元素选自Mg、Ca或Ga中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于，顶电极选自金、银、铜、铝或导电碳材料。
7.如权利要求1所述的双缓冲层钙钛矿太阳能电池制造方法，其特征在于，所述顶电极通过真空镀膜、以及溶液成膜方法制备。
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