一種平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括襯底、透明電極、太陽(yáng)光吸收混合層、空穴傳輸層和金屬背電極，太陽(yáng)光吸收混合層為具有介孔的柱陣列支架結(jié)構(gòu)層，柱陣列上下表面、柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)填充有鈣鈦礦功能材料。本發(fā)明中由鈣鈦礦功能材料和柱陣列結(jié)構(gòu)所組成的太陽(yáng)光吸收混合層，同時(shí)具有平面和介孔兩種鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)，能夠較大幅度地提高電池光電特性。太陽(yáng)光吸收混合層由金屬氧化物支架和鈣鈦礦填充物構(gòu)成，太陽(yáng)光吸收混合層的上表面為空穴傳輸層平面，太陽(yáng)光吸收混合層的下表面為電子傳輸層平面，這種規(guī)整的堆棧結(jié)構(gòu)表觀有利于采光和載流子的傳輸，能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率。
【專利說(shuō)明】一種平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制作方法，尤其涉及一種平面-介孔混合鈣鈦 礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝 置，簡(jiǎn)稱光伏。晶硅基技術(shù)依然是目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)光伏的主要手段，但晶硅生產(chǎn)成本太高、容 易造成環(huán)境污染，且工業(yè)用硅需求量大。自2009年以來(lái)，鈣鈦礦作為一種成熟的、歷史悠久 的功能材料，在近、現(xiàn)代工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用?；阝}鈦礦ABX結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池有 可能大幅度提高對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化利用，具有制作工藝簡(jiǎn)單、原材料來(lái)源廣泛、造價(jià)低廉等優(yōu) 點(diǎn)。一般A為甲胺基（CH 3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。
[0003] 近幾年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池高速發(fā)展，從2009年到2013年，短短4年將其轉(zhuǎn)化效 率從3. 8%提高到16. 2%，超越了染料敏化、有機(jī)薄膜等所謂第三代太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展速度。 新型的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)際上是一種多層功能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的微納堆棧型結(jié)構(gòu)，玻 璃層上是ΙΤ0或摻雜F的氧化錫（FT0)，其上是Ti0 2、A1203或者ZnO作為介孔支架，然后填 充鈣鈦礦材料形成的太陽(yáng)光吸收混合層，其上是空穴傳輸層，最后是背電極Ag。
[0004] 自從2009年，A. Kojima等首先采用了鈣鈦礦材料作為太陽(yáng)能電池的吸光材料，隨 著研究的深入，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率不斷提高。2012年，M.M. Lee等人和H.S. Kim等 分別報(bào)道了高效的固態(tài)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，大大的提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效 率。之后，Pablo Docampo等用有機(jī)、無(wú)機(jī)兩種蒸發(fā)源共沉積的方式制備a^NHfblhCld^ 膜，獲得厚度均勻、致密的功能層平板異質(zhì)結(jié)，轉(zhuǎn)化效率達(dá)15%。而Michael D. McGehee等利 用混合級(jí)聯(lián)有機(jī)電池覆蓋在CIGS上的方式實(shí)現(xiàn)了 21. 4%的轉(zhuǎn)化效率，是目前報(bào)道的最高轉(zhuǎn) 化效率，而且制備成本低廉。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制作方法，能 夠提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0006] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括襯底、透明電極、太陽(yáng) 光吸收混合層、空穴傳輸層和金屬背電極，所述的太陽(yáng)光吸收混合層為具有介孔的柱陣列 支架結(jié)構(gòu)層，柱陣列上下表面、柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)填充有鈣鈦礦功能材料。
[0007] 所述的太陽(yáng)光吸收混合層為Ti02、ZnO或A120 3材料制成的具有介孔的柱陣列結(jié) 構(gòu)。
[0008] 所述的鈣鈦礦功能材料采用CH3NH3PbI3_ xClx或MAPblCl鈣鈦礦功能材料。
[0009] 所述的透明電極的制作材料采用ΙΤ0或FT0。
[0010] 所述的空穴傳輸層的制作材料采用P3HT、spiro-OMeTAD或PTAA。
[0011] 所述的金屬背電極的制作材料采用Al、Cu或Au。
[0012] 一種如權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法，包 括以下步驟： A :在襯底普通玻璃上淀積一層ΙΤ0或FT0薄膜，形成透明電極； B:在透明電極上制備一層金屬氧化物顆粒的支架結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)為具有介孔的柱陣列 結(jié)構(gòu)； C:在太陽(yáng)光吸收混合層的柱陣列上下表面、柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)填充鈣鈦礦 功能材料； D :在太陽(yáng)光吸收混合層的上表面覆蓋空穴傳輸層以及金屬背電極。
[0013] 所述B步驟中，以金屬氧化物微細(xì)顆粒膠體為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，利用氣壓納米壓印技術(shù) 將金屬氧化物顆粒介質(zhì)壓印成具有柱狀陣列結(jié)構(gòu)的支架結(jié)構(gòu)，低溫退火讓金屬氧化物微細(xì) 顆粒之間進(jìn)行微小量的熱熔擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的柱狀陣列結(jié)構(gòu)并同時(shí)形成柱內(nèi)介孔間隙。
[0014] 所述C步驟中，通過(guò)旋涂鈣鈦礦功能材料，利用微波晶化的方式形成致密均勻的 鈣鈦礦層，重復(fù)旋涂和晶化過(guò)程，驅(qū)使鈣鈦礦功能材料在太陽(yáng)光吸收混合層的柱陣列上下 表面、柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)完全、均勻、致密的填充和晶化。
[0015] 本發(fā)明中，太陽(yáng)光吸收混合層中的柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)填充的鈣鈦礦功 能材料，能夠形成致密均勻的光吸收組織結(jié)構(gòu)，而柱陣列結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)光吸收混合層又具有 陷光效應(yīng)，驅(qū)使入射太陽(yáng)光在微陣列中多次折射、反射，有利于提高光能量的吸收，進(jìn)而激 發(fā)載流子的產(chǎn)生，提高光電轉(zhuǎn)換效率。由鈣鈦礦功能材料和柱陣列結(jié)構(gòu)所組成的太陽(yáng)光吸 收混合層，同時(shí)具有平面和介孔兩種鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)，能夠較大幅度地提高電池光電特性。 太陽(yáng)光吸收混合層由金屬氧化物支架和鈣鈦礦填充物構(gòu)成，太陽(yáng)光吸收混合層的上表面為 空穴傳輸層平面，太陽(yáng)光吸收混合層的下表面為電子傳輸層平面，這種規(guī)整的堆棧結(jié)構(gòu)表 觀有利于采光和載流子的傳輸，能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明所述平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明所述平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)制作方法的流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明所述平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，從下至上依次包 括襯底1、透明電極2、太陽(yáng)光吸收混合層3、空穴傳輸層4和金屬背電極5,太陽(yáng)光吸收混合 層3為具有介孔的柱陣列支架結(jié)構(gòu)，柱陣列6上下表面、柱陣列6間隙及柱內(nèi)介孔間隙9內(nèi) 填充有鈣鈦礦功能材料8。
[0018] 本實(shí)施例中： 襯底1材料可采用玻璃等透明材料。
[0019] 透明電極2位于襯底1的內(nèi)側(cè)表面上，具有傳輸電子的作用。材料可以是銦錫氧 化物（ΙΤ0)、氟錫氧化物（FT0)等常用的透明電極2材料。
[0020] 為了能夠較好地起到太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的作用，太陽(yáng)光吸收混合層3的柱陣列6結(jié)構(gòu)所 用材料采用常見(jiàn)的金屬氧化物，如氧化鈦（Ti0 2)、氧化鋅（ZnO)、氧化錯(cuò)（A1203)等,其中氧 化鈦（Ti〇2)是目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件中最常用的支架材料。
[0021] 鈣鈦礦功能材料8采用鈣鈦礦晶體制備，其作用是吸收入射光。本發(fā)明中在太陽(yáng) 能吸收混合層中柱陣列6上下表面、柱陣列6間隙及柱內(nèi)介孔間隙9內(nèi)填充的鈣鈦礦功能 材料8,能夠形成平面-介孔的混合結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)是指柱陣列6間隙內(nèi)填充的鈣鈦礦功能 材料8所形成的結(jié)構(gòu)，介孔結(jié)構(gòu)是指柱內(nèi)介孔間隙9內(nèi)填充的鈣鈦礦功能材料8所形成的 結(jié)構(gòu)，平面-介孔的混合結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高對(duì)入射光的吸收，以提高電池的轉(zhuǎn)化效率。本 發(fā)明所述鈣鈦礦功能材料8可采用CH 3NH3PbI3_xClx或MAPblCl。
[0022] 空穴傳輸層4材料一般為具有較高空穴遷移率的材料，如P3HT、spiro-OMeTAD或 PTAA。
[0023] 金屬背電極5的制作材料采用Al、Cu或Au。
[0024] 本發(fā)明中，柱陣列6上下表面、柱陣列6間隙及柱內(nèi)介孔間隙9內(nèi)填充的鈣鈦礦功 能材料8,能夠形成致密均勻的光吸收組織結(jié)構(gòu)，而柱陣列6結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)光吸收混合層3又 具有陷光效應(yīng)，驅(qū)使入射太陽(yáng)光在微陣列中多次折射、反射，有利于提高光能量的吸收，進(jìn) 而激發(fā)載流子的產(chǎn)生，提高光電轉(zhuǎn)換效率。由鈣鈦礦功能材料8和柱陣列6所組成的太陽(yáng) 光吸收混合層3結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有平面和介孔兩種鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)效果，能夠較大幅度地提 高電池光電特性，有利于采光和載流子傳輸，能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率。
[0025] 如圖2所示，本發(fā)明所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法，包 括以下步驟： A :在襯底1普通玻璃上利用熱蒸發(fā)技術(shù)淀積一層ΙΤ0或FT0薄膜，形成透明電極2。
[0026] B :在透明電極2上制備一層金屬氧化物顆粒7的支架結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)為具有介孔 的柱陣列6結(jié)構(gòu)；金屬氧化物顆采用Ti02、ZnO或A1 203材料； 具體制作時(shí)，以金屬氧化物微細(xì)顆粒膠體為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，利用氣壓納米壓印技術(shù)將金屬 氧化物顆粒7介質(zhì)壓印成支架結(jié)構(gòu)，低溫退火讓金屬氧化物微細(xì)顆粒之間進(jìn)行微小量的熱 熔擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的柱狀陣列結(jié)構(gòu)并同時(shí)形成柱內(nèi)介孔間隙9。柱狀陣列結(jié)構(gòu)具有一定的陷 光效應(yīng)，能夠驅(qū)使入射太陽(yáng)光在微陣列中多次折射、反射，有利于提高光能量的吸收，進(jìn)而 激發(fā)載流子的產(chǎn)生。
[0027] C :在太陽(yáng)光吸收混合層3的柱陣列6上下表面、柱陣列6間隙及柱內(nèi)介孔間隙9 內(nèi)填充鈣鈦礦功能材料8,鈣鈦礦功能材料8可以采用CH 3NH3PbI3_xClx或MAPblCl ; 具體制作時(shí)，通過(guò)旋涂鈣鈦礦功能材料8,利用微波晶化的方式形成致密均勻的鈣鈦 礦層，多次重復(fù)旋涂和晶化過(guò)程，驅(qū)使鈣鈦礦功能材料8在太陽(yáng)光吸收混合層3的柱陣列6 上下表面、柱陣列6間隙及柱內(nèi)介孔間隙9內(nèi)完全、均勻、致密的填充和晶化，能夠?qū)崿F(xiàn)平 面-介孔兩種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在單一器件中的有機(jī)結(jié)合，獲得混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池新 結(jié)構(gòu)。
[0028] D :在太陽(yáng)光吸收混合層3的上表面覆蓋空穴傳輸層4以及金屬背電極5。
[0029] 本發(fā)明中，利用低成本的納米壓印技術(shù)局域化金屬氧化物顆粒7,形成柱狀陣列結(jié) 構(gòu)支架結(jié)構(gòu)，并在柱陣列6上下表面、柱陣列6之間和柱內(nèi)部介孔間隙9填充鈣鈦礦功能材 料8,可以實(shí)現(xiàn)平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池新結(jié)構(gòu)。具有快速、低成本、高精度的特 點(diǎn)。利用微波技術(shù)進(jìn)行晶化，與常規(guī)晶化方法相比，能夠極大地節(jié)省制備時(shí)間。同時(shí)，利用 微波晶化技術(shù)的均勻性、快速性特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多批次涂覆實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦功能材料8在柱陣列6上 下表面、柱陣列6間隙、柱內(nèi)部介孔間隙9內(nèi)的充分填充，再結(jié)晶過(guò)程能夠提高鈣鈦礦功能 材料8的結(jié)晶度。本發(fā)明經(jīng)過(guò)微波的調(diào)控，能夠形成理想的鈣鈦礦層，具有實(shí)現(xiàn)方便、制備 迅速、可控性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括襯底、透明電極、太 陽(yáng)光吸收混合層、空穴傳輸層和金屬背電極，其特征在于：所述的太陽(yáng)光吸收混合層為具有 介孔的柱陣列支架結(jié)構(gòu)層，柱陣列上下表面、柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)填充有鈣鈦礦 功能材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于：太陽(yáng) 光吸收混合層為Ti02、ZnO或A1 203材料制成的具有介孔的柱陣列結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述 的鈣鈦礦功能材料采用CH3NH 3PbI3_xClx或MAPblCl鈣鈦礦功能材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述 的透明電極的制作材料采用IT0或FT0。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述 的空穴傳輸層的制作材料采用P3HT、spiro-OMeTAD或PTAA。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述 的金屬背電極的制作材料采用Al、Cu或Au。
7. -種如權(quán)利要求1所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法，其特 征在于，包括以下步驟： A :在襯底普通玻璃上淀積一層IT0或FT0薄膜，形成透明電極； B:在透明電極上制備一層金屬氧化物顆粒的支架結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)為具有介孔的柱陣列 結(jié)構(gòu)； C:在太陽(yáng)光吸收混合層的柱陣列上下表面、柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)填充鈣鈦礦 功能材料； D :在太陽(yáng)光吸收混合層的上表面覆蓋空穴傳輸層以及金屬背電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于：所述B步驟中，以金屬氧化物微細(xì)顆粒膠體為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，利用氣壓納米壓印技術(shù)將金 屬氧化物顆粒介質(zhì)壓印成具有柱狀陣列結(jié)構(gòu)的支架結(jié)構(gòu)，低溫退火讓金屬氧化物微細(xì)顆粒 之間進(jìn)行微小量的熱熔擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的柱狀陣列結(jié)構(gòu)并同時(shí)形成柱內(nèi)介孔間隙。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的平面-介孔混合鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于：所述C步驟中，通過(guò)旋涂鈣鈦礦功能材料，利用微波晶化的方式形成致密均勻的鈣鈦 礦層，重復(fù)旋涂和晶化過(guò)程，驅(qū)使鈣鈦礦功能材料在太陽(yáng)光吸收混合層的柱陣列上下表面、 柱陣列間隙及柱內(nèi)介孔間隙內(nèi)完全、均勻、致密的填充和晶化。
【文檔編號(hào)】H01L51/48GK104157787SQ201410393915
【公開(kāi)日】2014年11月19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】段智勇, 王盼, 蘇宇鋒, 鄭國(guó)恒, 鐘英輝, 李冬雪, 王文 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)