技术领域
[0001] 本
发明涉及
太阳能电池,特指一种
钙钛矿结构太阳能电池及其制备方法。
背景技术
[0002] 现采用液态
电解质的染料敏化太阳能电池(DSC)的效率虽然已经达到12%【A.Yella, et al. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency,Science,2011,334,629–634 】,但这类DSC的
电解质容易发生
泄漏;为此,固态敏化太阳能电池得到了广泛的研究,如CsSnI3作为空穴导体的固态DSCs的光电转换效率达到了8.5%【Chung, I.et al. All-solid-state dye-sensitized solar cells with high efficiency,Nature,2012,485:486–489】,但其效率仍低于液态电解质DSCs;最近,一种新型有机无机杂化钙钛矿结构电池取得了突破性的进展,效率超过了液态DSC;这种新型有机无机杂化钙钛矿电池结构是,在FTO玻璃上生长一层二
氧化钛(TiO2,n 型
半导体),然后在其上沉积钙钛矿结构的CH3NH3PbI3,再
旋涂一层2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)
氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD,p型有机空穴导体),最后
真空蒸发一层金(Au)
电极,形成p-i-n结构电池,如图1所示,该类电池效率已突破15%【Julian Burschka, Norman Pellet, et al. Sequential depositionas a route tohigh-performance perovskite-sensitized solar cells.nature,2013, 499,316–319;Mingzhen Liu. Michael B. Johnston & Henry J. Snaith. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature, 501,395–398.】,是迄今为止,除了
硅太阳能电池,效率最高的太阳能电池,但是spiro-OMeTAD价格高,其上的金电极价格也高。
发明内容
[0003] 针对背景技术中的p-i-n杂化钙钛矿电池所存在的问题,本发明提出一种新的结构和制备方法,首先是在掺杂氟的SnO2(FTO)导电玻璃先沉积一层氧化钛或氧化锌n型层,然后再沉积一层杂化钙钛矿结构CH3NH3PbI3,接着沉积p型硅
薄膜,最后沉积金属电极层;其中,氧化锌(ZnO)或氧化钛(TiO2)层利用
原子层沉积(ALD)方法制备,该方法可以制备出非常致密的氧化物,并且膜厚可以准确控制;钙钛矿结构的CH3NH3PbI3可以通过溶液法或共蒸发方法制备;p型硅薄膜可以通过
等离子体化学气相沉积(PECVD)方法制备;金属电极可以通
过热蒸发或溅射方法制备,其特点在于利用p型硅薄膜取代spiro-OMeTAD有机p型层,一是成本低,二是容易实现大面积生产,三是提高电池的
稳定性。
[0004] 一种钙钛矿结构太阳能电池,所述太阳能电池从下至上依次为FTO导电玻璃层、n型层、杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层、P型层和金属电极,其特征在于;所述P型层为p型硅薄膜。
[0005] 所述的n型层为氧化钛或氧化锌层,层厚为5-15nm。
[0006] 所述的FTO导电玻璃层的
方块电阻是10-15Ω,透过率在78-83%。
[0007] 所述的钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层的层厚为300-500nm。
[0008] 所述p型硅薄膜的层厚为5-15nm。
[0009] 所述金属电极为Al电极,层厚为100nm。
[0010] 一种钙钛矿结构太阳能电池的制备方法,包括在FTO导电玻璃先沉积n型层的步骤,然后再在n型层上制备一层杂化钙钛矿结构CH3NH3PbI3的步骤,接着在杂化钙钛矿结构CH3NH3PbI3层上沉积p型层的步骤,最后在p型层上沉积金属电极层的步骤;其特征在于:通过等离子体化学气相沉积方法制备p型层。
[0011] CH3NH3PbI3有机/无机杂化钙钛矿通过二维取向无机
框架把有机组分有序地结合在一个单分子上,有机
聚合物镶嵌在无机材料框架中;由于钙钛矿层结构中有有机胺,其耐热
温度比较低,结构的稳定性相对较差,因此在沉积p型硅上,要采用低温沉积工艺,并且等离子体功率要低。
[0012] 所述的通过等离子体化学气相沉积方法制备p型层的工艺参数为:沉积温度o70-90C,射频功率为15-30W,
硼的掺杂比例0.5-2%。
[0013] 所述的氧化锌或氧化钛层利用原子层沉积方法制备,该方法可以制备出非常致密的氧化物,并且膜厚可以准确控制。
[0014] 所述的钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层通过溶液法或共蒸发方法制备。
[0015] 所述的金属电极通过热蒸发或溅射方法制备。
[0016] 实现本发明的技术方案为:选择方块电阻是10-15Ω,透过率在78-83%的FTO玻璃作为衬底材料。
[0017] 1、利用ALD方法沉积5-15nm厚的ZnO或TiO2层。
[0018] 2、利用溶液方法沉积300-500nm厚的CH3NH3PbI3层。
[0019] 3、利用PECVD方法制备5-15nm厚的p型Si层。
[0020] 4、利用热蒸发方法制备100nm厚的
铝层。
附图说明
[0021] 图1为有机/无机杂化
钙钛矿太阳能电池结构图。
具体实施方式
[0022]
实施例11、选择方块电阻是10Ω,透过率在80%的FTO玻璃作为衬底材料。
[0023] 2、利用ALD技术生长10 nm厚的ZnO层沉积条件:反应温度200℃,在反应腔室通入Zn(CH2CH3)2 (DEZ)1 s,氮气清洗1.5 s,通
水500 ms,氮气清洗1s,重复上述过程100 次。
[0024] 3、CH3NH3PbI3钙钛矿层的制备(1)CH3NH3I异丙醇溶液配制
将盛有20ml甲胺的圆底烧瓶放置在0℃的
冰水中,将22ml
氢碘酸边滴加边搅拌进烧瓶中,滴加完成后继续冰水浴中搅拌2h,形成无色透明的CH3NH3I溶液;溶液用旋转
蒸发器烘干,然后用乙醚洗涤干净,得到白色的CH3NH3I晶体,将定量的CH3NH3I晶体溶在异丙醇中,溶液浓度为10mg/ml。
[0025] (2)PbI2溶液的配备将适量的淡黄色PbI2粉末在冰水浴中加到DMF(N.N-二甲基甲酰胺)中,然后加热到
70℃将PbI2粉末溶解,得到淡黄色PbI2溶液,溶液浓度为1mol/L.
(3)PbI2膜的制备
在
手套箱中,将淡黄色PbI2溶液旋涂到TiO2致密层上,70℃下烘10min,得到亮黄色的PbI2层。
[0026] (4)完成CH3NH3PbI3钙钛矿层的制备然后将已经旋涂好的基底浸入到CH3NH3I溶液中20s,基底
颜色迅速的从亮黄色变为棕黑色,取出后放到干净的异丙醇中,洗去多余的CH3NH3I,最后放置在70℃中烘10min,得到厚度为400nm的CH3NH3PbI3钙钛矿层。
[0027] 4、利用PECVD生长一层10 nm 厚的p型硅层所用硅烷为氢稀释过的硅烷,其中SiH4/SiH4+H2 的比例为5 %,硼烷为氢稀释过的硼烷,[B2H6]/ [B2H6+ H2]的比例是0.5 %。
[0028] 生长条件:氢稀释的硅烷流量10 sccm,氢稀释的硼烷流量1 sccm,氢气流量50 sccm,射频功率15 W,生长温度70℃,生长时间15min。
[0029] 5、 利用热蒸发方法沉积100nm厚的铝膜。
[0030] 本底真空1 10-4Pa,加热电极
电流40A。
[0031] 实施效果:最后进行电池的性能测试,在AM1.5,100mW/cm2标准光强的照射下,太阳电池样品的开路
电压0.98 V,
短路电流8.7 mA,填充因子0.65,效率为5.54 %。
[0032] 实施例21、选择方块电阻是15Ω,透过率在83%的FTO玻璃作为衬底材料。
[0033] 2、利用ALD技术生长10 nm厚的TiO2层水和四异丙醇钛作为源,在基底上生长10nm厚的致密的TiO2层;生长工艺为:钛源加热温度70℃,腔室反应温度270℃。通钛源1s,氮气吹扫5s,通水汽200ms,氮气吹扫2s,完成一个循环,共需160循环。
[0034] 3、共蒸发制备CH3NH3PbI3钙钛矿层将10mg CH3NH3I晶体和10 mgPbI粉末分别放入两个钨舟中,给两个钨舟同时加热,本-4
底真空1 10 Pa,加热电极电流是25A,在TiO2层上沉积500nm厚的CH3NH3PbI3钙钛矿层;
o
衬底加热温度80 C,沉积时间10 min。
[0035] 4、利用PECVD生长一层10 nm 厚的p型硅层所用硅烷为氢稀释过的硅烷,其中SiH4/SiH4+H2 的比例为5 %,硼烷为氢稀释过的硼烷,[B2H6]/ [B2H6+ H2]的比例是0.5 %。
[0036] 生长条件:氢稀释的硅烷流量10 sccm,氢稀释的硼烷流量1 sccm,氢气流量50 sccm,射频功率20 W,生长温度80℃,生长时间10min。
[0037] 5、利用热蒸发方法沉积100nm厚的铝膜。
[0038] 本底真空1 10-4Pa,加热电极电流40A。
[0039] 实施效果:最后进行电池的性能测试,在AM1.5,100mW/cm2标准光强的照射下,太阳电池样品的开路电压0.95 V,短路电流11.5 mA,填充因子0.69,效率为7.53 %。