一種高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米功能器件光伏太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，涉及高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備，尤其是一種高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)條件，迄今為止人類(lèi)社會(huì)發(fā)展仍然主要依賴(lài)于化石能源。但化石能源在地球上的分布極不均衡，并且終究會(huì)枯竭。另外燃燒化石能源帶來(lái)的環(huán)境污染、霧霾天氣和溫室效應(yīng)嚴(yán)重威脅人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能電池能夠利用太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，可以為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展提供取之不盡用之不竭的清潔能源，是人類(lèi)社會(huì)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，解決環(huán)境問(wèn)題，尋求可持續(xù)發(fā)展的重要對(duì)策。
[0003]目前硅太陽(yáng)能電池及化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池仍然是太陽(yáng)能電池中主要的商用電池，但是無(wú)論是電池材料本身還是制備技術(shù)都需要較高的成本。新型太陽(yáng)能電池成為各國(guó)競(jìng)相研究的焦點(diǎn)。2009年，日本Miyasaka等人在研究敏化太陽(yáng)電池的過(guò)程中，首次使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3作為敏化劑，拉開(kāi)了鈣鈦礦太陽(yáng)電池研究的序幕。在隨后短短的幾年時(shí)間內(nèi)，鈣鈦礦太陽(yáng)電池技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展([1] Im J H, Lee C R, Lee J ff, et al.Nanoscale, 2011，3: 4088 - 4093.[2]Lee Μ M, Teuscher J, Miyasaka T, et al.Science, 2012, 338: 643 - 647.[3] KimH S, Lee C R, Im J H, et al.Sci Rep, 2012, 2: 591.[4] Burschka J, Pellet N,Moon S J, et al.Nature, 2013, 499: 316 - 319.[5] Liu M, Johnston Μ B, Snaith HJ.Nature, 2013，501: 395 - 398)，能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)了染料敏化太陽(yáng)電池、有機(jī)太陽(yáng)電池和量子點(diǎn)太陽(yáng)電池。2014年第一期英國(guó)《自然(NATURE)》周刊甚至預(yù)計(jì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)達(dá)到20%，也就是達(dá)到目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟的CuInGaSe薄膜太陽(yáng)電池的水平。目前研究的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)研究主要集中于三種，第一種是介孔結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是由染料敏化太陽(yáng)能電池演化而來(lái)，鈣鈦礦材料作為光敏化劑覆蓋在多孔Ti02或A1203上，其結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電玻璃/T1 2或ZnO致密層/鈣鈦礦敏化的多孔T1 2或A1 203層/HTM/金屬電極；第二種是平面異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電玻璃/1102或ZnO致密層/鈣鈦礦層/HTMs/金屬電極，在這種結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦不僅僅是光吸收層，而且充當(dāng)電子和空穴的傳輸層；第三種是無(wú)HTM的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
[0004]鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，而且制備條件多樣，工藝簡(jiǎn)單，核心材料成本低廉。然而其對(duì)材料的質(zhì)量要求較高，且其對(duì)水氧等成分敏感，嚴(yán)重破壞器件的穩(wěn)定性，限制了鈣鈦礦電池的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單，核心材料成本低廉，且有助于提高鈣鈦礦光伏器件的光學(xué)性能和穩(wěn)定性的本發(fā)明涉及光伏電池，提供了一種高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)是:導(dǎo)電襯底、半導(dǎo)體氧化物電子傳輸層、介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層、空穴傳輸層以及金屬對(duì)電極，該高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還包括絕緣緩沖層，所述絕緣緩沖層的引入位置為半導(dǎo)體氧化物電子傳輸層和介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層之間，或者介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層與空穴傳輸層之間。
[0007]進(jìn)一步，所述絕緣緩沖層的厚度為l-5nm,所述絕緣緩沖層為A1203、Zr02、Si02、MgO、Ga203、Zr02、Nb205、Ta205或H f02。所述的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層為CH3NH3PbX3，其中X為 I，C1 或 Br。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供一種上述高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，具體制備步驟如下:
步驟1:將導(dǎo)電基底通過(guò)傳統(tǒng)基片清洗工藝洗滌(乙醇、丙酮、異丙醇交替超聲10-60min)，氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br> 步驟2:將經(jīng)過(guò)步驟1處理后的導(dǎo)電基底上沉積半導(dǎo)體氧化物傳輸層，收集并傳輸電子或者空穴，沉積溫度10-300°C，退火處理溫度300-500°C密封保存；
步驟3:將經(jīng)過(guò)步驟2處理后的沉積有電子傳輸層的導(dǎo)電基底上利用沉積法制備一層絕緣緩沖層；其中，所述絕緣緩沖層材料為A1203、Zr02、Si02、Mg0、Ga203、Zr02、Nb205、Ta205或Hf02。絕緣緩沖層厚度在l_5nm ;
步驟4:將介孔半導(dǎo)體材料采用沉積法沉積到經(jīng)步驟3處理后的導(dǎo)電基底上，熱處理溫度為300-600°C，時(shí)間在0.5-3h之間，即得到介孔層；
步驟5:利用兩步法、一步法或利用氣相輔助液相法在經(jīng)過(guò)步驟4處理后的導(dǎo)電基底上制備有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層，再進(jìn)行退火處理溫度在100-200°C之間，時(shí)間在0.5-3h之間；
步驟6:在經(jīng)過(guò)步驟5處理后的導(dǎo)電基底上旋涂空穴傳輸材料，旋涂轉(zhuǎn)速為100-5000rpm，在濕度低于30%條件下進(jìn)行操作；
步驟7:在經(jīng)過(guò)步驟6處理后的導(dǎo)電基底采用熱蒸鍍金或者銀電極，最終得到高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，電極厚度在20-150nm。
[0009]進(jìn)一步，所述的介孔半導(dǎo)體材料為T(mén)i02、ZnO、A1203、Zr02、Si02顆粒制成的稀釋楽料，稀釋比在1-10:1之間。
[0010]進(jìn)一步，所述的導(dǎo)電襯底為FT0玻璃、ΙΤ0玻璃、柔性PET基底或石墨烯導(dǎo)電基底。
[0011]進(jìn)一步，所述的半導(dǎo)體氧化物傳輸層為ZnO、Ti02、N1或Sn02薄膜或者該種半導(dǎo)體的陣列等高比表面積結(jié)構(gòu)，厚度為10-200nm。
[0012]進(jìn)一步，所述步驟3的沉積方法為磁控濺射法、原子層沉積技術(shù)，溶膠凝膠法、物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積法。
[0013]進(jìn)一步，所述步驟4中的沉積方法包括原子層沉積法、磁控濺射技術(shù)、物理氣相沉積、熱蒸發(fā)法化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法或噴涂法，其中，旋涂法的轉(zhuǎn)速在1000-8000rpm之間；噴涂法的噴涂溫度在100-300°C之間。
[0014]進(jìn)一步，所述步驟6中所述的空穴傳輸材料為2，2’，7，7’-四[N，N-二(4_甲氧基苯基)氨基]_9，9’ -螺二芴spiro-MeOTAD、氧化鎳。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明在傳統(tǒng)的介孔型電池結(jié)構(gòu)中引入了絕緣緩沖層實(shí)現(xiàn)了高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的構(gòu)建。電池中加入緩沖薄層后雖有助于抑制界面處的電子-空穴復(fù)合，但是絕緣材料的引入往往會(huì)降低光電流。然而本發(fā)明通過(guò)界面調(diào)控，加入絕緣緩沖層之后電流不但沒(méi)有下降反而提升，電池性能得到改善，為得到高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新的制備途徑。該種方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，有助于提高鈣鈦礦光伏器件的光學(xué)性能和穩(wěn)定性，具有良好的應(yīng)用前景。引入絕緣層后電池性能明顯提升，器件的重要性能參數(shù)都明顯提升，其中短路電流由14. 77%增加到16. 90%，開(kāi)路電壓由0. 91V增加到0. 94V，填充因子由49. 28%增加到59. 63%，電池效率由8. 86%提升到12. 59%。器件的光電轉(zhuǎn)換效率相比加入緩沖層前提升了 42. 1%。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1本發(fā)明高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2實(shí)例1制得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0018]圖3實(shí)例2制得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0019]圖4實(shí)例3制得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0020]圖5實(shí)例4制得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓曲線圖。
[0021]圖6為本發(fā)明太陽(yáng)能電池與現(xiàn)有技術(shù)的性能對(duì)比曲線示意圖。
[0022]圖中：
1、襯底，2為刻蝕的導(dǎo)電層，3為沉積的半導(dǎo)體氧化物電子傳輸層，4為絕緣緩沖層，5為介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的I丐鈦礦層，6為空穴傳輸層，7、金屬對(duì)電極。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，顯然，所描述的實(shí)例僅僅是本發(fā)明中很小的一部分，而不是全部的實(shí)例。本領(lǐng)域人員在本發(fā)明的啟發(fā)下進(jìn)行變化所獲得的所有其他實(shí)例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0024]如圖1所示，為本發(fā)明一種高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明一種高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)是：襯底1、刻蝕的導(dǎo)電層2、半導(dǎo)體氧化物電子傳輸層3、介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層5、空穴傳輸層6以及金屬對(duì)電極7,該高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還包括絕緣緩沖層4,所述絕緣緩沖層4的引入位置為半導(dǎo)體氧化物電子傳輸層3和介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層5之間，或者介孔層和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦層5與空穴傳輸層6之間。
[0025]所述絕緣緩沖層的厚度為1-5 nm，所述絕緣緩沖層為Al203、Zr02、Si02、Mg0、Ga203、Zr02、Nb205、Ta205或Η A。所述的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合鈣鈦礦為CH3NH3PbX3,其中X為I，Cl或Br。
[0026]本發(fā)明還提供一種上述高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法，具體制備步驟如下：步驟1 :將導(dǎo)電基底通過(guò)傳統(tǒng)基片清洗工藝洗滌（乙醇、丙酮、異丙醇交替超聲
10-60min)，氮?dú)獯蹈蓚溆茫?br>步驟2 :將經(jīng)過(guò)步驟1處理后的導(dǎo)電基底上沉積半導(dǎo)體氧化物傳輸層，收集并傳輸電子或者空穴，沉積厚度為10-200nm，沉積溫度10-300°C，退火處理溫度300-500°C密封保存；步驟3 :將經(jīng)過(guò)步驟2處理后的沉積有電子傳輸層的導(dǎo)電基底上利用沉積法制備一層絕緣緩沖層；其中，所述絕緣緩沖層材料為A1203、Zr02、Si02、M