一種高轉(zhuǎn)化效率的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域，特別是一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的高光電轉(zhuǎn)化效率的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能取之不盡、用之不竭。人們已經(jīng)利用太陽熱能來加熱，利用其光能來發(fā)電。隨著石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，綠色、安全和可再生的太陽能是解決人類能源危機(jī)的一個(gè)可行方案，也是解決環(huán)境污染的理想方案。當(dāng)前，人們主要利用晶硅來制造光伏材料，其成本高、污染重。目前主要還是依靠國家補(bǔ)貼來推廣。更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更低的制造成本是全面推廣光伏發(fā)電的前提條件。因此，兼具高效率和低成本特性的太陽能電池是人們不斷追求的目標(biāo)。
鈣鈦礦太陽能電池最近備受關(guān)注。中國發(fā)明專利CN 104953031 A公開了一種鈣鈦礦型太陽能電池。該鈣鈦礦型太陽能電池在基板(1)上，包括:第一電極(2);電子傳輸層(3、4)，含有電子傳輸性化合物，設(shè)在上述第一電極(2)上；鈣鈦礦化合物層(5)，含有鈣鈦礦化合物，設(shè)在上述電子傳輸層(3、4)上；空穴傳輸層(6)，含有空穴傳輸化合物，設(shè)在上述鈣鈦礦化合物層(5)上；以及第二電極(7)，設(shè)在上述空穴傳輸層(6)上；上述鈣鈦礦型太陽能電池的特征在于:上述鈣鈦礦化合物用化學(xué)式ΧαΥβΜγ表示，在上述化學(xué)式中，X為鹵素原子，Υ為烷基胺化合物，Μ為含有鉛和銻的混合物，α:β: Τ的比例為3:1:1。
[0003]中國發(fā)明專利CN 104576932 Α公開了一種雙層納米介孔電子傳輸層的I丐鈦礦光伏電池及其制備方法。該電池由導(dǎo)電襯底、雙層結(jié)構(gòu)的電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該鈣鈦礦光伏電池采用一步法低溫生長的Sn02作為電子傳輸層，取代了兩步法高溫?zé)Y(jié)的Ti02電子傳輸層，極大簡化了制備流程。這種一步法低溫制備的介孔鈣鈦礦光伏電池取得了 13.82%的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)有效的降低了制作成本。該鈣鈦礦光伏電池的介孔結(jié)構(gòu)相比平面結(jié)構(gòu)更易于鈣鈦礦吸光材料的附著，且Sn02對(duì)鈣鈦礦吸光層的分解作用比Ti02較弱，提高了電池的性能與穩(wěn)定性。該發(fā)明能夠促進(jìn)柔性太陽能電池的發(fā)展及推廣，并進(jìn)一步推進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)化應(yīng)用。
[0004]中國發(fā)明專利CN 104810479 A公開了一種太陽能電池以及制作方法?，F(xiàn)有的鈣鈦礦電池，制作工藝對(duì)需要高溫，限制了電池在柔性襯底的使用，同時(shí)效率低，而且鈣鈦礦電池要使用鉛，鉛對(duì)人體以及環(huán)境有很大的危害。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)明還提供了錫鈣鈦礦結(jié)構(gòu)柔性太陽能電池的制作方法。本發(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，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為:電子傳輸層在150°C下操作即可完成，同時(shí)減少了鉛的使用。由此生產(chǎn)的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到13-14%。
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)，因?yàn)槠湫识歼€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】

[0005]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)明提供了一種高光電轉(zhuǎn)化效率的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)，能夠大幅提尚太陽能電池對(duì)光子的吸收及其轉(zhuǎn)化效率，從而提尚太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，改善器件性能。
[0006]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)制備過渡層:采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備鎳的氧化物層。厚度控制在5_50nm范圍內(nèi)；
3)制備得到電子傳輸層:接著旋涂已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合物，烘干(300°C — 400°C)，制備得到電子傳輸層，厚度控制在10-100nm之間；
4)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；
5)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；
6)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；
7)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。
[0007]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(FT0，fluorinedoped tin oxide)、招鋅氧化物(ΑΖ0, aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明電極材料。過渡層為Ni的氧化物，包含但不限于Ni0、Ni02。電子傳輸層為四元氧化物，由N1、Mg、L1、0四種元素構(gòu)成，且Li / Mg的摩爾比介于1:10與1:3之間。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。
[0008]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— I 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)20%以上。本發(fā)明采用了納米級(jí)含鎳過渡層，不僅能夠提升P — I 一 N異質(zhì)結(jié)撲獲吸收光子的能力，而且大大提升了該電池的時(shí)間穩(wěn)定性。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、低成本、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。
[0009]
【具體實(shí)施方式】
下面通過結(jié)合附圖與實(shí)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(duì)本發(fā)明的限制。
【附圖說明】
[0010]
附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為透光/透明電極層、2為過渡層、3為電子傳輸層、4為吸光層、5為電子吸收層、6為空穴傳輸層和7為頂電極。
[0011]實(shí)施例1
1)采用ΙΤ0導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備N1層，厚度35nm;
3)按照摩爾比1:1:5的比例配置已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合溶液，旋涂于過渡層上，于300°C烘干，制備得到電子傳輸層，厚度控制在10nm ;
4)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50nm;
5)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60nm的電子吸收層；
6)制備空穴傳輸層:
將異丙氧基鈦與乙醇鈮按30:1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；
7)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150nm的銀層。
[0012]進(jìn)行電池性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過程中采用在100mW/cm2太陽能模擬器(Newport)AM1.5G光照下進(jìn)行，測(cè)得光電轉(zhuǎn)化率衛(wèi)20.5%。
[0013]實(shí)施例2
1)采用鋁鋅氧化物ΑΖ0導(dǎo)電玻璃作為透光/透明電極層；
2)采用噴涂熱分解技術(shù)在導(dǎo)電玻璃表面制備Ni02層；厚度50nm;
3)按照摩爾比1:1:3的比例配置已酸丙酮鎳、醋酸鋰、乙酸鎂四水合物的混合溶液，旋涂于過渡層上，于40(TC烘干，制備得到電子傳輸層；厚度60nm ;
4)制備吸光層:
a.配制PbI2溶液，濃度為0.5Mol/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；厚度340nm ;
5)制備電子吸收層
采用PC