一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種具有平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，它包括襯底和依次層疊于該襯底上的透明電極、致密層、界面修飾層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和對(duì)電極。本實(shí)用新型通過(guò)在致密層和鈣鈦礦吸光層之間增加界面修飾層，對(duì)致密層進(jìn)行界面修飾來(lái)使其表面形成超薄鈍化層，改善鈣鈦礦吸光層成膜質(zhì)量，降低界面接觸電阻，有效防止致密層與鈣鈦礦吸光層及空穴傳輸層直接接觸，避免鈣鈦礦吸光層發(fā)生分解，降低電子逆向復(fù)合及漏電流的產(chǎn)生，進(jìn)而顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種具有平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，鈣鈦礦太陽(yáng)電池的構(gòu)造通常采用體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和無(wú)空穴輸運(yùn)材料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等。傳統(tǒng)的體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為具有支架層的介觀電池:包括致密層、支架層、吸光層、空穴傳輸層、對(duì)電極。由于金屬齒化物I丐鈦礦材料具有很高的電子遷移率，鈣鈦礦太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)也逐漸由最初的鈣鈦礦敏化、金屬氧化物支架層逐漸發(fā)展到簡(jiǎn)單、高效的平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。平面異質(zhì)結(jié)典型結(jié)構(gòu)為FTO/致密層/鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層/金屬電極。
[0003]但是，對(duì)于平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池，還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:
[0004]( I)致密層采用光活性很強(qiáng)的半導(dǎo)體材料，在紫外光照下，具有光催化效應(yīng)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)與鈣鈦礦吸光層直接接觸，誘導(dǎo)鈣鈦礦吸光層發(fā)生分解，顯著降低電池穩(wěn)定性。
[0005](2)在致密層表面直接生長(zhǎng)鈣鈦礦層，致密層表面缺陷會(huì)導(dǎo)致其與鈣鈦礦層的界面形成復(fù)合中心，增加界面接觸電阻，阻礙電子有效傳輸。
[0006](3)界面效應(yīng)及鈣鈦礦結(jié)晶時(shí)巨大的表面張力使鈣鈦礦層成膜性差，容易形成孤島現(xiàn)象，使鈣鈦礦層的孔洞變多?？昭▊鬏攲佑锌赡芡ㄟ^(guò)孔洞與致密層直接接觸，使漏電流增大。
[0007]以上因素，極大地限制了鈣鈦礦基薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展。在該【技術(shù)領(lǐng)域】，目前的關(guān)鍵問(wèn)題是能夠通過(guò)采用簡(jiǎn)單的技術(shù)手段，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型要求解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述存在的問(wèn)題和不足，提供一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，它能有效防止致密層與鈣鈦礦吸光層及空穴傳輸層直接接觸，避免鈣鈦礦吸光層發(fā)生分解，降低電子逆向復(fù)合及漏電流的產(chǎn)生，進(jìn)而顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
[0009]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0010]一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其包括襯底和依次層疊于該襯底上的透明電極、致密層、界面修飾層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和對(duì)電極。
[0011]上述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，所述界面修飾層厚度為0.5-10nm，優(yōu)選
0.6_5nm0
[0012]上述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，所述致密層的厚度為20_150nm，優(yōu)選35_50nmo
[0013]上述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為100-800nm，優(yōu)選150_350nm。
[0014]上述平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，所述空穴傳輸層的厚度為5_500nm，優(yōu)選10_150nmo
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果表現(xiàn)在:
[0016](I)本實(shí)用新型通過(guò)在致密層和鈣鈦礦吸光層之間增加界面修飾層，避免了致密層與鈣鈦礦層直接接觸，抑制了致密層在紫外光照下產(chǎn)生光催化誘導(dǎo)作用引起的鈣鈦礦吸光層的分解，顯著提高了電池的穩(wěn)定性。
[0017](2)本實(shí)用新型通過(guò)在鈣鈦礦吸光層成膜前，對(duì)致密層表面進(jìn)行界面修飾，致密層表面被鈍化，其表面態(tài)密度及光催化活性均降低。使鈣鈦礦吸光層結(jié)形成更為平滑、致密的結(jié)晶層，減少界面復(fù)合中心，降低接觸電阻，提高了電池的電流密度和開(kāi)路電壓。
[0018](3)本實(shí)用新型增加界面修飾層后，也可以避免致密層與空穴傳輸層直接接觸而產(chǎn)生漏電流，防止光電子逆向復(fù)合，有效的提高電池的填充因子。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型提供的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中各標(biāo)號(hào)表示為:1_襯底、2-透明電極、3-致密層、4-界面修飾層、5-鈣鈦礦吸光層；6_空穴傳輸層；7_對(duì)電極。

【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1是本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖，它包括襯底1，設(shè)置在襯底I上的透明電極2，在透明電極2上形成半導(dǎo)體材料的致密層3，在致密層3上形成界面修飾層4，在界面修飾層4上形成的鈣鈦礦吸光層5，在鈣鈦礦吸光層5上形成的空穴傳輸層6，在空穴傳輸層6上形成的對(duì)電極7。
[0022]本實(shí)用新型的襯底I可以為透明玻璃或透明塑料薄膜，透明電極2可以為銦錫氧化物(ΙΤ0)、氟錫氧化物(FTO)或鋁鋅氧化物(ΑΖ0)，優(yōu)選ITO導(dǎo)電玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃，方塊電阻為5?120 Ω/ □，優(yōu)選8?30Ω/ 口。
[0023]致密層3沉積于透明電極2表面，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件中用作電子傳輸層，起傳輸電子、阻擋空穴、防止電子空穴復(fù)合作用。致密層3可以采用Ti02、SnO2和ZnO中的任意一種半導(dǎo)體材料形成，其制備方法可選用絲網(wǎng)印刷法、旋涂法、氣溶膠噴霧法或原子層沉積法(ALD)。致密層薄膜厚度為20-150nm，優(yōu)選35-50nm，太厚的話，一方面會(huì)阻礙器件中產(chǎn)生電子的傳輸，另一方面會(huì)阻礙太陽(yáng)光的透過(guò)；太薄的話，起不到阻擋空穴的作用，容易產(chǎn)生漏電和電子空穴對(duì)的復(fù)合。
[0024]界面修飾層4沉積于致密層3表面，用于鈍化、平滑致密層表面，降低致密層表面態(tài)密度及光催化活性，抑制電子回傳，防止鈣鈦礦吸光層5、空穴傳輸層6與致密層3直接接觸，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和在光照下的穩(wěn)定性。界面修飾層4可以采用Si02、Al203、ZrO2, SiNx和AlN中的任意一種或兩種絕緣材料形成，其制備方法可選用原子層沉積法(ALD )、物理氣相沉積法(PVD )、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD )、噴涂法和旋涂法中的任意一種。界面修飾層薄膜厚度為0.5-10nm，優(yōu)選0.6_5nm，太厚的話，阻礙電子從鈣鈦礦吸光層5到致密層3的傳輸；太薄的話，薄膜不能完整、均勻的覆蓋在致密層3表面，不能充分起到鈍化和平滑作用。
[0025]鈣鈦礦吸光層5沉積于界面修飾層4表面，用于吸收太陽(yáng)光。鈣鈦礦吸光層5選自化學(xué)通式為ABXmY3-m型晶體結(jié)構(gòu)的一種或多種材料形成，其中A=CH3NH3、C4H9NH3^ NH2=CHNH2 ；B=Pb,Sn ；X, Y= Cl、Br、I ;m=l、2、3。鈣鈦礦吸光層5可通過(guò)液相一步法、液相兩步法、氣相共蒸發(fā)沉積法和氣相輔助液相法中的任意一種方式實(shí)現(xiàn)，形成有機(jī)無(wú)機(jī)混合結(jié)晶薄膜的厚度為100-800nm，優(yōu)選150_350nm，太厚的話，電子和空穴不能及時(shí)傳輸?shù)酵怆娐范趦?nèi)部復(fù)合；太薄的話，不能充分吸收太陽(yáng)光。
[0026]空穴傳輸層6沉積于鈣鈦礦吸光層5表面，起傳輸空穴、阻擋電子的作用?？昭▊鬏攲?選用具有高空穴遷移率的材料，可以選擇有機(jī)材料，也可以選擇無(wú)機(jī)材料，其中有機(jī)材料選自Spiro-0MeTAD、P3HT、PCPDTBT、PEDOT:PSS、NPB和TH)中的任意一種，無(wú)機(jī)材料選自Cu1、CuSCN, N1, V2O5和MoO3中的任意一種，優(yōu)選Spiro-OMeTAD。空穴傳輸層6制備方法為將空穴傳輸材料均勻分散于有機(jī)溶劑中，形成透明均勻的溶液，將該溶液通過(guò)旋涂法、提拉法或絲網(wǎng)印刷法涂覆在鈣鈦礦吸光層5的表面形成空穴傳輸層薄膜，厚度為5-500nm，優(yōu)選10-150nm，太厚的話，阻礙鈣鈦礦吸光層中空穴向?qū)﹄姌O的傳輸；太薄的話，不足以阻擋電子傳輸，會(huì)造成電子空穴復(fù)合。
[0027]對(duì)電極7沉積于空穴傳輸層6表面，采用具有較高功函數(shù)的材料，可以選擇金屬材料，也可以選擇非金屬材料，其中金屬材料選自金、銀、鋁和鉬中的任意一種，非金屬材料選自碳和PEDOT: PSS,其制備方法可選用真空熱蒸鍍法或絲網(wǎng)印刷法。
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例1
[0030]ITO導(dǎo)電玻璃/45nm的致密層致密層/3nm的Al2O3界面修飾層/21nm厚的CH3NH3PbI3鈣鈦礦吸光層/10nm的空穴傳輸層/10nm的金膜形成對(duì)電極，即太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)如圖1 所示:G/IT0/Ti02/Al203/CH3NH3PbI3/spiro-0MeTAD/Au，有效面積為
0.09cm2，光電轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)見(jiàn)表I，測(cè)試條件:光譜分布AM1.5G，光照強(qiáng)度1000W/m2，AAA太陽(yáng)光模擬器(日本SAN-EI公司XES-502S+ELS155型)，1-V曲線用Keithly2400型數(shù)字源表進(jìn)行測(cè)量，所有測(cè)試均在大氣環(huán)境(25°C、45RH%)下進(jìn)行。
[0031]表1:實(shí)施例和對(duì)比例數(shù)據(jù)
[0032]
Γ開(kāi)is電 mm 轉(zhuǎn)參手套箱存放?
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[0033]以上實(shí)施例只是用于幫助理解本實(shí)用新型的核心思想，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也應(yīng)落入本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，它包括襯底和依次層疊于該襯底上的透明電極、致密層、界面修飾層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和對(duì)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述的界面修飾層厚度為0.5-10nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述界面修飾層厚度為0.6-5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述致密層的厚度為20-150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述致密層的厚度為35-50nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為100-800nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述鈣鈦礦吸光層的厚度為150-350nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層的厚度為5-500nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述空穴傳輸層的厚度為優(yōu)選10-150nm。
【文檔編號(hào)】H01L51/46GK204029873SQ201420452750
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】侯麗新, 劉賢豪, 王亞麗, 陳月霞 申請(qǐng)人:中國(guó)樂(lè)凱集團(tuán)有限公司