CN104485421B - 一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池及其制备方法，本发明的电池包括衬底、纳米线、钙钛矿以及电介质，所述纳米线经过掺杂形成轴向pin结，并生长于所述衬底上；所述钙钛矿填充于相邻所述纳米线的i区之间，所述电介质填充于相邻所述纳米线的p区之间以及相邻所述纳米线n区之间。本发明将钙钛矿与III‑V族纳米线结合起来，可以大幅拓展吸收光谱，提高光电转换效率，同时降低了成本。

Description

一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料应用技术领域，更具体涉及一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池及其制备方法。
背景技术
发展廉价、高效的太阳能技术一直是人们永恒的追求。一种新型的钙钛矿型太阳能电池以极低的制造成本、简单的器件结构、理想的转换效率迅速掀起了一场光伏技术的革命，有望成为兼顾成本与效率的新一代太阳能电池。从2009年至今短短5年时间里，钙钛矿型太阳能电池的转换效率已从3.8％提高至15.7％，且经研究证明，未来其转换效率有望突破20％。尽管钙钛矿型太阳能电池的效率提升速度非常惊人，但受钙钛矿材料带隙的限制，其转换效率的进一步提升将遇到瓶颈。以常用钙钛矿材料CH3NH3PbI3为例，其带隙为1.51eV，即只能吸收可见光至800nm波长的光谱范围。经计算，单节钙钛矿CH3NH3PbI3电池转换效率的理论极限为31.2％，因此仅依靠优化器件的制备工艺无法实现钙钛矿型太阳能电池转换效率的大幅提升。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在保证成本低的情况下，提高钙钛矿型太阳能电池转换效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池，包括衬底、纳米线、钙钛矿以及电介质；
所述纳米线经过掺杂形成轴向pin结，并生长于所述衬底上，所述钙钛矿填充于相邻所述纳米线的i区之间，所述电介质填充于相邻所述纳米线的p区之间以及相邻所述纳米线n区之间。
优选地，所述钙钛矿包裹所述纳米线的i区，所述电介质包裹所述纳米线的p区和n区。
优选地，所述太阳能电池还包括第一电极和第二电极；所述第一电极的材质为透明材质并且覆盖于不于衬底相连的所述纳米线的p区或n区上；所述第二电极覆盖于所述衬底的外部。
优选地，所述纳米线以阵列形式排列；所述纳米线的i区的长度远大于所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度，所述纳米线的i区的长度比所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度大至少5倍。
优选地，所述纳米线的材料为III-V族化合物半导体；所述钙钛矿的化学式为CH3NH3PbI3；所述第一电极的材料为铟锡氧化物；所述衬底的材料为硅晶体；所述电介质材料为聚酰亚胺。
本发明还公开了一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、所述纳米线经过掺杂形成轴向pin结，并在衬底上生长；
S2、在相邻所述纳米线的p区或n区之间填充电介质；
S3、在所述电介质上、相邻所述纳米线的i区之间填充钙钛矿，所述钙钛矿与纳米线侧面紧密接触；
S4、在所述钙钛矿上、相邻所述纳米线的n区或p区之间填充电介质。
优选地，所述方法还包括以下步骤：
S5、在步骤S4的电介质上、所述纳米线n区或p区沉积第一电极；所述第一电极为透明材质；
S6、在所述衬底的外部沉积第二电极。
优选地，所述钙钛矿包裹所述纳米线i区，所述电介质包裹所述纳米线的p区和n区。
优选地，所述纳米线的i区的长度远大于所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度；所述纳米线的i区的长度比所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度大至少5倍；所述纳米线以阵列形式排列。
优选地，所述纳米线的材料为III-V族化合物半导体；所述钙钛矿的化学式为CH3NH3PbI3；所述第一电极的材料为铟锡氧化物；所述衬底的材料为硅晶体；所述电介质材料为聚酰亚胺。
(三)有益效果
本发明提供了一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池及其制备方法，本发明的太阳能电池在硅衬底的纳米线生长pin结，并且由于所述硅衬底的存在使所述纳米线垂直于所述硅衬底生长；将钙钛矿材料填充到纳米线阵列间隙，钙钛矿与纳米线侧壁紧密接触，并在纳米线阵列底部以及顶部旋涂聚酰亚胺，以避免钙钛矿与纳米线的pin结的p区，n区相接触，其有益效果在于：
首先，垂直排布的纳米线阵列具有强烈的“光阱”效应，可显著提高对光谱的吸收；同时，在纳米线直径小于一定值(一般为几十纳米)时，垂直单根纳米线会表现出显著的“微聚光”效应，即能够吸收数倍于自身投影面积的光，转换效率可以突破薄膜材料中的肖克利·奎伊瑟极限，基于上述效率提高机制，纳米线可以在极低填充比的条件下达到与薄膜材料相当的转换效率，从而大大降低材料的成本；另一方面，纳米线极小的横截面积使其对衬底的选择非常灵活，III-V族纳米线可以在廉价的Si衬底上生长，从而进一步降低器件的成本；
其次，将钙钛矿填充至纳米线阵列间隙，可以有效拓展钙钛矿的吸收光谱，从而提高太阳能电池的转换效率；
再次，III-V族纳米线可充当钙钛矿材料中光生载流子的传输通道，其电子迁移率高于钙钛矿型太阳能电池中广泛应用的TiO2、ZnO等电子传输材料，故传输性能更为理想；此外，由于自身带隙较宽，钙钛矿材料同时充当了纳米线的钝化层，可以进一步提高纳米线阵列的光电转换效率；
因此，将钙钛矿与III-V族纳米线组合起来，在大幅拓展吸收光谱提高电池的光电转换能力的同时降低了制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个较佳实施例的一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明的一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池制备方法的流程图；
图3为本发明的一个较佳实施例的一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池制备方法的流程图；
图4至图9为本发明的一个较佳实施例的一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池制备过程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
图1为本发明的一个较佳实施例的一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池的结构示意图；所述一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池，包括衬底8、纳米线1、钙钛矿6以及电介质5；
所述纳米线1经过掺杂形成pin结，并生长于所述衬底8上，所述pin结为所述纳米线的轴向pin结；所述钙钛矿5填充于相邻所述纳米线的i区之间，所述电介质填充于相邻所述纳米线的p区之间以及相邻所述纳米线n区之间；图中2为所述纳米线的顶部，3为所述纳米线的中部，4为所述纳米线的底部，所述纳米线的中部为所述pin结的i区，所述纳米线的顶部为所述pin结的p区或n区，所述纳米线的底部为所述pin结的n区或p区。
优选地，所述钙钛矿6包裹所述纳米线的i区，所述电介质包裹所述纳米线的p区和n区。所述填充于纳米线轴向pin结阵列底部4的电介质材料厚度略高于轴向pin结p区(或n区)上部，即纳米线底部4，以保证钙钛矿不与pin结p区(或n区)接触，所述电介质优选材料为聚酰亚胺；钙钛矿填充厚度略低于轴向pin结n区(或p区)下部，即纳米线顶部2，以保证钙钛矿仅与pin结i区，即纳米线中部3相接触，所述钙钛矿的优选材料为CH3NH3PbI3。钙钛矿材料填充在纳米线阵列的间隙，与窄带隙的纳米线i区同时吸收太阳光谱进行光电转换，有效拓宽电池的吸收光谱。钙钛矿材料中的光生载流子通过扩散进入纳米线i区，在内建电场的作用下迅速进入两侧掺杂区和电极，而III-V族纳米线作为电子输运通道，其电子迁移率远远高于传统钙钛矿太阳能电池中使用的TiO2和ZnO，电子传输性能更为理想。此外，该结构的一个附加优势是宽带隙的钙钛矿材料对纳米线起到了表面钝化作用，有利于提高纳米线阵列的光电转效率。
优选地，所述太阳能电池还包括第一电极7和第二电极9；所述第一电极7为透明材质并且覆盖于不于衬底相连的所述纳米线的顶部2(所述纳米线的p区或n区)上或覆盖于不于所述衬底相连的所述电介质5以及不于衬底相连的所述纳米线的顶部2(所述纳米线的p区或n区)上；所述第一电极的优选材料为铟锡氧化物，以保证太阳光可以透过；所述第二电极9覆盖于所述衬底8的外部，外部电压可以通过掺杂的衬底8加到本发明的太阳能电池上，所述衬底8优选材料为硅晶体，其掺杂情况与纳米线底部4相同。
优选地，所述纳米线1以阵列形式排列，其材料为III-V族化合物半导体，为了达到与钙钛矿材料的带隙匹配，优选材料为In0.51Ga0.49As和InAs0.57P0.43。每一个纳米线pin结构成太阳能电池的一个基本单元，当有光子入射且光子能量大于禁带宽度时，价带上的电子发生受激吸收，跃迁到导带，产生光生“电子-空穴”对。这些“电子-空穴”对在自建电场的作用下，电子向n区即n区漂移，空穴向p区即p区漂移，形成光生电流，从而将光能转化为电能。所述纳米线的i区的长度远大于所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度；主要起到吸收太阳光，分离载流子的作用，与pn结太阳能电池相比，pin结构更有利于提高光的吸收、转化效率。
本发明还公开了一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池的制备方法，如图2所示，所述方法采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)设备和超高真空多功能溅射镀膜系统等设备，具体步骤包括：
S1、所述纳米线1经过掺杂形成轴向pin结，并在衬底8上生长；
S2、在相邻所述纳米线1的底部4，即纳米线的p区或n区之间填充电介质5；
S3、在步骤2所述电介质5上、相邻所述纳米线的中部3，即纳米线的i区之间填充钙钛矿6，所述钙钛矿6与纳米线1侧面紧密接触；
S4、在所述钙钛矿6上、相邻所述纳米线的顶部2，即纳米线的n区或p区之间填充电介质5。
优选地，所述方法还包括以下步骤，如图3所示：
S5、在步骤S4中的电介质5上、所述纳米线的顶部2，即纳米线的n区或p区沉积第一电极7；所述第一电极7为透明材质；
S6、在所述衬底8的外部沉积第二电极9。
优选地，所述钙钛矿6包裹所述纳米线的i区，所述电介质包裹所述纳米线的p区和n区。所述填充于纳米线轴向pin结阵列底部4的电介质材料厚度略高于轴向pin结p区(或n区)上部，即纳米线底部4，以保证钙钛矿不与pin结p区(或n区)接触，所述电介质优选材料为聚酰亚胺；钙钛矿填充厚度略低于轴向pin结n区(或p区)下部，即纳米线顶部2，以保证钙钛矿仅与pin结i区，即纳米线中部3相接触，所述钙钛矿的优选材料为CH3NH3PbI3。钙钛矿材料填充在纳米线阵列的间隙，与窄带隙的纳米线i区同时吸收太阳光谱进行光电转换，有效拓宽电池的吸收光谱。钙钛矿材料中的光生载流子通过扩散进入纳米线i区，在内建电场的作用下迅速进入两侧掺杂区和电极，而III-V族纳米线作为电子输运通道，其电子迁移率远远高于传统钙钛矿太阳能电池中使用的TiO2和ZnO，电子传输性能更为理想。此外，该结构的一个附加优势是宽带隙的钙钛矿材料对纳米线起到了表面钝化作用，有利于提高纳米线阵列的光电转效率。
优选地，所述太阳能电池还包括第一电极7和第二电极9；所述第一电极7为透明材质并且覆盖于不于所述衬底相连的所述电介质5和不于衬底相连的所述纳米线的顶部2(所述纳米线的p区或n区)上；所述第一电极的优选材料为铟锡氧化物，以保证太阳光可以透过；所述第二电极9覆盖于所述衬底8的外部，外部电压可以通过掺杂的衬底8加到本发明的太阳能电池上，所述衬底8优选材料为硅晶体，其掺杂情况与纳米线底部4相同。
优选地，所述纳米线1以阵列形式排列，其材料为III-V族化合物半导体，为了达到与钙钛矿材料的带隙匹配，优选材料为In0.51Ga0.49As和InAs0.57P0.43。每一个纳米线pin结构成太阳能电池的一个基本单元，当有光子入射且光子能量大于禁带宽度时，价带上的电子发生受激吸收，跃迁到导带，产生光生“电子-空穴”对。这些“电子-空穴”对在自建电场的作用下，电子向n区即n区漂移，空穴向p区即p区漂移，形成光生电流，从而将光能转化为电能。所述纳米线的i区的长度远大于所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度；主要起到吸收太阳光，分离载流子的作用，与pn结太阳能电池相比，pin结构更有利于提高光的吸收、转化效率。
上述步骤S2中以及步骤S4电介质通过旋涂方式填充。所述III-V族化合物是元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb形成的化合物，主要包括镓化砷(GaAs)、磷化铟(InP)和氮化镓等；所述衬底8为n型或p型衬底。
上述衬底8为(111)晶向，保证纳米线能够垂直于衬底生长。
现有技术中，提升钙钛矿型太阳能电池转换效率的有效途径是拓展电池的吸收光谱，一种直观的拓展光谱的方式是将钙钛矿型太阳能电池与一节窄带隙电池组成双节串联结构。在2014年材料研究学会会议上，美国斯坦福大学材料学家Michael McGehee报道了将钙钛矿材料与铜、铟、镓和硒(CIGS)合金串联的太阳能电池，但转换效率仅为18.6％，稍高于CIGS电池本身的效率(17％)；其中一个很重要的原因是钙钛矿(1.51eV)与CIGS的带隙(1.06-1.63eV)并不匹配，二者串联的理论转换效率相比单节电池无明显优势。
根据匹配理论，与钙钛矿材料最匹配的材料带隙为0.77eV，形成的双节串联电池转换效率的理论极限可以达到43.9％，远远高于单节钙钛矿型太阳能电池的理论转换效率。要实现0.77eV带隙，III-V族的In0.51Ga0.49As或InAs0.57P0.43是理想的选择。然而传统III-V族薄膜太阳能电池的成本非常高，有可能显著降低钙钛矿型太阳能电池的性价比。本发明的一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池及其制备方法，本发明的太阳能电池在硅衬底的纳米线生长pin结，将钙钛矿材料填充到纳米线阵列间隙，钙钛矿与纳米线侧壁紧密接触，并在纳米线阵列底部以及顶部旋涂聚酰亚胺，以避免钙钛矿与纳米线的pin结的p区，n区相接触，其有益效果在于：首先，垂直排布的纳米线阵列具有强烈的“光阱”效应，可显著提高对光谱的吸收；同时，在纳米线直径小于一定值时，垂直单根纳米线会表现出显著的“微聚光”效应，即能够吸收数倍于自身投影面积的光，转换效率可以突破薄膜材料中的肖克利·奎伊瑟极限，基于上述效率提高机制，纳米线可以在极低填充比的条件下达到与薄膜材料相当的转换效率，从而大大降低材料的成本；另一方面，纳米线极小的横截面积使其对衬底的选择非常灵活，III-V族纳米线可以在廉价的Si衬底上生长，从而进一步降低器件的成本；其次，将钙钛矿填充至纳米线阵列间隙，可以有效拓展钙钛矿的吸收光谱，从而提高太阳能电池的转换效率；再次，III-V族纳米线可充当钙钛矿材料中光生载流子的传输通道，其电子迁移率高于钙钛矿型太阳能电池中广泛应用的TiO2、ZnO等电子传输材料，故传输性能更为理想；此外，由于自身带隙较宽，钙钛矿材料同时充当了纳米线的钝化层，可以进一步提高纳米线阵列的光电转换效率；因此，将钙钛矿与III-V族纳米线组合起来，在大幅拓展吸收光谱提高电池的光电转换能力的同时降低了制作成本。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池，包括衬底、纳米线、钙钛矿以及电介质，其特征在于，
所述纳米线经过掺杂形成轴向pin结，并生长于所述衬底上；所述钙钛矿填充于相邻所述纳米线的i区之间，所述电介质填充于相邻所述纳米线的p区之间以及相邻所述纳米线n区之间。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿包裹所述纳米线的i区，所述电介质包裹所述纳米线的p区和n区。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括第一电极和第二电极；所述第一电极的材质为透明材质并且覆盖于不与衬底相连的所述纳米线的p区或n区上；所述第二电极覆盖于所述衬底的外部。
4.根据权利要求1至3任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米线以阵列形式排列；所述纳米线的i区的长度比所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度大至少5倍。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述纳米线的材料为III-V族化合物半导体；所述钙钛矿的化学式为CH3NH3PbI3；第一电极的材料为铟锡氧化物；所述衬底的材料为硅晶体；所述电介质材料为聚酰亚胺。
6.一种钙钛矿/纳米线混合型太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述纳米线经过掺杂形成轴向pin结，并生长于衬底上；
S2、在相邻所述纳米线的p区或n区之间填充电介质；
S3、在所述电介质上、相邻所述纳米线的i区之间填充钙钛矿，所述钙钛矿与纳米线侧面紧密接触；
S4、在所述钙钛矿上、相邻所述纳米线的n区或p区之间填充电介质。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S5、在步骤S4的电介质上、所述纳米线的n区或p区沉积第一电极；所述第一电极为透明材质；
S6、在所述衬底的外部沉积第二电极。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述钙钛矿包裹所述纳米线i区，所述电介质包裹所述纳米线的p区和n区。
9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，所述纳米线的i区的长度比所述纳米线的p区长度以及纳米线的n区长度大至少5倍；所述纳米线以阵列形式排列。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述纳米线的材料为III-V族化合物半导体；所述钙钛矿的化学式为CH3NH3PbI3；第一电极的材料为铟锡氧化物；所述衬底的材料为硅晶体；所述电介质材料为聚酰亚胺。
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