一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能電池，特指一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法。首先是在摻雜氟的SnO2(FTO)導電玻璃先沉積一層氧化鈦或氧化鋅n型層，然后再沉積一層雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3，接著沉積p型硅薄膜，最后沉積金屬電極層；其中，氧化鋅或氧化鈦層利用原子層沉積方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制；鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3可以通過溶液法或共蒸發(fā)方法制備；p型硅薄膜可以通過等離子體化學氣相沉積方法制備；金屬電極可以通過熱蒸發(fā)或濺射方法制備，其特征在于利用p型硅薄膜取代spiro-OMeTAD有機p型層，成本低，容易實現(xiàn)大面積生產(chǎn)，能提高電池的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池，特指一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)采用液態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池(DSC)的效率雖然已經(jīng)達到12%【A.Yella, et al.Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-basedredox electrolyte exceed 12 percent efficiency, Science, 2011, 334, 629 - 634 】，但這類DSC的電解質(zhì)容易發(fā)生泄漏；為此，固態(tài)敏化太陽能電池得到了廣泛的研究，如CsSnI3作為空穴導體的固態(tài)DSCs的光電轉(zhuǎn)換效率達到了 8.5%【Chung, 1.et al.All-solid-state dye-sensitized solar cells with high efficiency, Nature, 2012,485:486 - 489】，但其效率仍低于液態(tài)電解質(zhì)DSCs ;最近，一種新型有機無機雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)電池取得了突破性的進展，效率超過了液態(tài)DSC;這種新型有機無機雜化鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)是，在FTO玻璃上生長一層二氧化鈦(Ti02，η型半導體)，然后在其上沉積鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3,再旋涂一層2，2’，7，7’ -四[N，N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’ -螺二芴(spiro-OMeTAD, p型有機空穴導體),最后真空蒸發(fā)一層金(Au)電極,形成p_i_n結(jié)構(gòu)電池，如圖1所不，該類電池效率已突破15%【Julian Burschka, Norman Pellet, et al.Sequential depositionas a route tohigh-performance perovskite—sensitized solarcells, nature, 2013, 499, 316 - 319 ；Mingzhen Liu.Michael B.Johnston & HenryJ.Snaith.Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapourdeposition.Nature, 501，395 - 398.】,是迄今為止，除了娃太陽能電池，效率最高的太陽能電池，但是spiro-OMeTAD價格高，其上的金電極價格也高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對【背景技術(shù)】中的p-1-n雜化鈣鈦礦電池所存在的問題，本發(fā)明提出一種新的結(jié)構(gòu)和制備方法，首先是在摻雜氟的SnO2 (FTO)導電玻璃先沉積一層氧化鈦或氧化鋅η型層，然后再沉積一層雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3,接著沉積P型硅薄膜，最后沉積金屬電極層；其中，氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(TiO2)層利用原子層沉積(ALD)方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制；鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3可以通過溶液法或共蒸發(fā)方法制備；Ρ型硅薄膜可以通過等離子體化學氣相沉積(PECVD)方法制備；金屬電極可以通過熱蒸發(fā)或派射方法制備，其特點在于利用P型娃薄膜取代spiro-OMeTAD有機p型層，一是成本低，二是容易實現(xiàn)大面積生產(chǎn)，三是提高電池的穩(wěn)定性。
[0004]一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，所述太陽能電池從下至上依次為FTO導電玻璃層、η型層、雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3層、P型層和金屬電極，其特征在于；所述P型層為P型硅薄膜。
[0005]所述的η型層為氧化鈦或氧化鋅層，層厚為5_15nm。
[0006]所述的FTO導電玻璃層的方塊電阻是10-15 Ω，透過率在78-83%。[0007]所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3層的層厚為300_500nm。
[0008]所述P型娃薄膜的層厚為5_15nm。
[0009]所述金屬電極為Al電極，層厚為lOOnm。
[0010]一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，包括在FTO導電玻璃先沉積η型層的步驟，然后再在η型層上制備一層雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3的步驟，接著在雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3層上沉積P型層的步驟，最后在P型層上沉積金屬電極層的步驟；其特征在于:通過等離子體化學氣相沉積方法制備P型層。
[0011 ] CH3NH3PbI3有機/無機雜化鈣鈦礦通過二維取向無機框架把有機組分有序地結(jié)合在一個單分子上，有機聚合物鑲嵌在無機材料框架中；由于鈣鈦礦層結(jié)構(gòu)中有有機胺，其耐熱溫度比較低，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對較差，因此在沉積P型硅上，要采用低溫沉積工藝，并且等離子體功率要低。
[0012]所述的通過等離子體化學氣相沉積方法制備P型層的工藝參數(shù)為:沉積溫度70-90°C，射頻功率為15-30W，硼的摻雜比例0.5_2%。
[0013]所述的氧化鋅或氧化鈦層利用原子層沉積方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制。
[0014]所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3層通過溶液法或共蒸發(fā)方法制備。
[0015]所述的金屬電極通過熱蒸發(fā)或濺射方法制備。
[0016]實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為:
選擇方塊電阻是10-15 Ω，透過率在78-83%的FTO玻璃作為襯底材料。
[0017]1、利用ALD方法沉積5-15nm厚的ZnO或TiO2層。
[0018]2、利用溶液方法沉積300-500nm厚的CH3NH3PbI3層。
[0019]3、利用PECVD方法制備5_15nm厚的p型Si層。
[0020]4、利用熱蒸發(fā)方法制備IOOnm厚的鋁層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為有機/無機雜化鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0022]實施例1
1、選擇方塊電阻是?ο Ω，透過率在80%的FTO玻璃作為襯底材料。
[0023]2、利用ALD技術(shù)生長10 nm厚的ZnO層
沉積條件:反應溫度200°C，在反應腔室通入Zn (CH2CH3)2 (DEZ) I S，氮氣清洗1.5 S，通水500 ms,氮氣清洗Is,重復上述過程100次。
[0024]3、CH3NH3PbI3-鈦礦層的制備
(I)CH3NH3I異丙醇溶液配制
將盛有20ml甲胺的圓底燒瓶放置在(TC的冰水中，將22ml氫碘酸邊滴加邊攪拌進燒瓶中，滴加完成后繼續(xù)冰水浴中攪拌2h，形成無色透明的CH3NH3I溶液；溶液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器烘干，然后用乙醚洗滌干凈，得到白色的CH3NH3I晶體，將定量的CH3NH3I晶體溶在異丙醇中，溶液濃度為10mg/ml。[0025](2) PbI2溶液的配備
將適量的淡黃色PbI2粉末在冰水浴中加到DMF (N.N-二甲基甲酰胺)中，然后加熱到70°C將PbI2粉末溶解，得到淡黃色PbI2溶液，溶液濃度為lmol/L.(3)PbI2膜的制備
在手套箱中，將淡黃色PbI2溶液旋涂到TiO2致密層上，70°C下烘lOmin，得到亮黃色的PbI2 層。
[0026](4)完成CH3NH3PbI3鈣鈦礦層的制備
然后將已經(jīng)旋涂好的基底浸入到CH3NH3I溶液中20s，基底顏色迅速的從亮黃色變?yōu)樽睾谏?，取出后放到干凈的異丙醇中，洗去多余的CH3NH3I,最后放置在70°C中烘lOmin，得到厚度為400nm的CH3NH3PbI3鈣鈦礦層。
[0027]4、利用PECVD生長一層10 nm厚的p型硅層
所用硅烷為氫稀釋過的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2的比例為5 %，硼烷為氫稀釋過的硼烷，[B2H6]/ [B2H6+ H2]的比例是 0.5 %。
[0028]生長條件:氫稀釋的娃燒流量10 sccm,氫稀釋的硼燒流量I sccm,氫氣流量50sccm，射頻功率15 W，生長溫度70°C，生長時間15min。
[0029]5、利用*玉發(fā)方法沉積IOOnm厚的鋁膜。
[0030]本底真空I 10_4Pa，加熱電極電流40A。
[0031]實施效果:最后進行電池的性能測試，在AMl.5,10 Omff/cm2標準光強的照射下,太陽電池樣品的開路電壓0.98 V，短路電流8.7 mA，填充因子0.65，效率為5.54 %。
[0032]實施例2
1、選擇方塊電阻是15 Ω，透過率在83%的FTO玻璃作為襯底材料。
[0033]2、利用ALD技術(shù)生長10 nm厚的TiO2層
水和四異丙醇鈦作為源，在基底上生長IOnm厚的致密的Ti02層；生長工藝為:鈦源加熱溫度70°C，腔室反應溫度270°C。通鈦源ls，氮氣吹掃5s，通水汽200ms，氮氣吹掃2s，完成一個循環(huán)，共需160循環(huán)。
[0034]3、共蒸發(fā)制備CH3NH3PbI3鈣鈦礦層
將IOmg CH3NH3I晶體和10 mgPbl粉末分別放入兩個鎢舟中，給兩個鎢舟同時加熱，本底真空I X 10_4Pa，加熱電極電流是25A，在TiO2層上沉積500nm厚的CH3NH3PbI3鈣鈦礦層；襯底加熱溫度80 °C，沉積時間10 min。
[0035]4、利用PECVD生長一層10 nm厚的p型硅層
所用硅烷為氫稀釋過的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2的比例為5 %，硼烷為氫稀釋過的硼烷，[B2H6]/ [B2H6+ H2]的比例是 0.5 %。
[0036]生長條件:氫稀釋的娃燒流量10 sccm,氫稀釋的硼燒流量I sccm,氫氣流量50sccm,射頻功率20 W，生長溫度80°C，生長時間IOmin。
[0037]5、利用熱蒸發(fā)方法沉積IOOnm厚的鋁膜。
[0038]本底真空丄丄(T4Pa,加熱電極電流40A。
[0039]實施效果:最后進行電池的性能測試，在AMl.5,10 Omff/cm2標準光強的照射下,太陽電池樣品的開路電壓0.95 V，短路電流11.5 mA，填充因子0.69，效率為7.53 %。
【權(quán)利要求】
1.一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，所述太陽能電池從下至上依次為FTO導電玻璃層、η型層、雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3層、P型層和金屬電極，其特征在于；所述P型層為P型硅薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于:所述的η型層為氧化鈦或氧化鋅層，層厚為5-15nm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于:所述的FTO導電玻璃層的方塊電阻是10-15 Ω，透過率在78-83%。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于:所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 CH3NH3PbI3 層的層厚為 300-500nm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于:所述P型硅薄膜的層厚為5-15nm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池，其特征在于:所述金屬電極為Al電極，層厚為lOOnm。
7.如權(quán)利要求1所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，包括在FTO導電玻璃先沉積η型層的步驟，然后再在η型層上制備一層雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3的步驟，接著在雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3層上沉積P型層的步驟，最后在P型層上沉積金屬電極層的步驟；其特征在于:通過等離子體化學氣相沉積方法制備P型層。
8.如權(quán)利要求7所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述的通過等離子體化學氣相沉積方法制備P型層的工藝參數(shù)為:沉積溫度70-90°C，射頻功率為15-30W，硼的摻雜比例0.5-2%。
9.如權(quán)利要求7所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述的氧化鋅或氧化鈦層利用原子層沉積方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制。
10.如權(quán)利要求7所述的一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的CH3NH3PbI3層通過溶液法或共蒸發(fā)方法制備；所述的金屬電極通過熱蒸發(fā)或濺射方法制備。
【文檔編號】H01L51/46GK103700768SQ201310650505
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】袁寧一, 董旭, 丁建寧, 胡宏偉, 房香 申請人:常州大學