CN105161625B - 一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法,所述方法包括:采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积p型层;所述的ITO导电玻璃层的方块电阻是20‑30Ω,透过率在80%‑90%,所述的p型层为氧化亚铜,层厚为30‑50nm;采用超声喷涂方法沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层;在所述的n型层上沉积金属电极层。上述技术方案具有如下有益效果:利用超声喷涂方法制备,可以提高原料使用率,降低生产成本,实现大面积工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及氧化亚铜异质结太阳能电池领域,特别涉及到一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法。
背景技术
Cu2O是天然呈弱P型,无毒环保,铜原料价格低廉等优点,吸引了大量研究人员的注意。Cu2O薄膜制备方法主要有磁控溅射法、金属有机化合物气相沉积法、喷雾热解法、热氧化法、电化学沉积法等。
有机无机杂化钙钛矿材料由于其具有载流子迁移率高扩散长度长、光学禁带宽度可调、双极性传输等特性被科学家引入到有机太阳能电池中,有效地提高了该类太阳能电池的效率。目前钙钛矿材料可以采用多种方法进行制备,比较常用的有一步溶液法、两部溶液法、蒸镀法以及溶液-气相沉积法等。
Herion等人通过溅射法制得ZnO/Cu2O异质结太阳能电池,在器件结的界面处发现富铜区,过量的Zn和Cu2O发生了化学反应是其可能原因。Yakup等人通过化学沉积法将CdO/Cu2O结合形成异质结太阳能电池,在结的界面未发现富铜区,得到的电池开路电压在1~8mV,短路电流1~4μA,但两种材料晶格匹配度不佳,使得两者结合效果并不好。Mittiga A等人制备的MgF2/ITO/ZnO/Cu2O结构电池,效率达到了2%,其中MgF2作为减反层。Tadatsugu Minami等人制备了Al-doped ZnO/Ga2O3/Cu2O结构的电池,得到最高效率达5.38%的器件。近期,Tadatsugu Minami等人通过MgF2/AZO/Al0.025–Ga0.975–O/Cu2O:Na结构,将Cu2O异质结电池进一步提升到6%。目前为止,基于Cu2O制得的异质结太阳能电池效率仍然较低。
发明内容
本发明实施例提供一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法,以实现降低成本,提高原料利用率,实现大面积工业生产。
为了达到上述技术目的,本发明实施例提供了一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法,所述方法包括:
采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积p型层;所述的ITO导电玻璃层的方块电阻是20-30Ω,透过率在80%-90%,所述的p型层为氧化亚铜,层厚为30-50nm;
采用超声喷涂方法沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层;
在所述的n型层上沉积金属电极层。
上述技术方案具有如下有益效果:利用超声喷涂方法制备,可以提高原料使用率,降低生产成本,实现大面积工业生产。
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为本发明实施例一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法流程图;
图2为应用本发明实施例所述方案制备氧化亚铜的异质结太阳能电池器件结构图;
图3为本发明应用实例喷涂装置图;
图4为本发明应用实例制备的氧化亚铜异质结的太阳能电池结构中CH3NH3PbI3的表面光学显微镜图;
图5为本发明应用实例在AM1.5G光照下的钙钛矿太阳能电池的伏安特性曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,为本发明实施例一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法流程图,所述方法包括:
101、采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积p型层;所述的ITO导电玻璃层的方块电阻是20-30Ω,透过率在80%-90%,所述的p型层为氧化亚铜,层厚为30-50nm;
102、采用超声喷涂方法沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层;
103、在所述的n型层上沉积金属电极层。
优选的,采用超声喷涂方法分别在氧化铟锡ITO上沉积一层氧化亚铜作为p型层,在p型层上沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层,可以提高原料使用率,降低生产成本,实现大面积工业生产。所述的ITO导电玻璃层的方块电阻是20-30Ω,透过率在80%-90%;所述的p型层为氧化亚铜,层厚为30-50nm。
优选的,制备喷涂氧化亚铜的前驱液方法为:称量一水乙酸铜(Cu(CH2COO)2·H2O)粉末0.07986g,无水葡萄糖粉末0.036032g,将称量好后的一水乙酸铜与无水葡萄糖粉末混合,加入2ml有机溶剂异丙醇(IPA)和8ml去离子水的混合溶剂中,异丙醇的浓度为99.7%,用磁力搅拌搅拌,直至粉末充分溶解。
进一步地,优选的,一水乙酸铜的为浓度为0.04mol/L,无水葡萄糖的浓度为0.02mol/L,所述溶剂的异丙醇和去离子水的体积比为1:4。
优选的,所述的超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积氧化亚铜的工艺参数为:喷头距离加热衬底的高度为125mm,工作功率为3.4W,超声频率为95kHz,喷涂流量为3ml/h,衬底加热温度为270℃,载气为氮气,氮气的压强为0.06×106Pa。
进一步地,优选的,采用超声喷涂方法制备氧化亚铜的流程为:喷涂30s,停留30s,喷涂30s,停留30s……,不断循环,总时长为15min。
优选的,所述的喷涂的p型层材料还可以是如下材料的一种:硫氰酸亚铜(CuSCN)、碘化亚铜(CuI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)PEDOT:聚苯乙烯磺酸PSS、氧化镍(NiO),厚度为30-50nm。
优选的,所述的有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层的厚度为300-500nm,通过一步喷涂有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3前驱液的方法制备而成的n型层。制备的钙钛矿薄膜更加致密,基本没有空隙,晶粒能够生长到大约20μm左右,且原料的利用率很高,能够大面积制备。
进一步地,优选的,一步喷涂有机无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3的前驱液的质量分数是1%,摩尔比CH3NH3I:PbI2=1:1,然后溶于γ-丁内酯中,65℃的温度下搅拌过夜。
优选的,所述的超声喷涂方法沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层的工艺参数为:喷头距离加热衬底的高度为125mm,工作功率为3.4W,超声频率为95kHz,喷涂流量为65μl/min,载气为氮气,氮气的压强为0.06×106Pa,沉积温度75℃,喷涂时间12min,退火温度为90℃,退火时间60min。
优选的,所述的在n型层上沉积金属电极层,包括:通过热蒸镀或磁控溅射方法沉积金属电极层;所述的金属电极层至少是如下电极层的一种:Al电极、Au电极、Ag电极;层厚为120nm。
针对现有技术中异质结钙钛矿太阳能电池已有的制备方法所存在的不足,本发明实施例通过超声喷涂利用较低的超声波振动能量,对流经超声波换能器前端的液体进行雾化,产生微米级甚至纳米级的细小液滴;通入适当压力的压缩气体,使雾化小液滴在气流作用下,更加细小、均匀,从而达到对待涂物体表面进行精密薄膜沉积的目的。采用超声喷涂方法制备异质结钙钛矿太阳能电池具有很大的应用潜力,该方法可以提高原料使用率,降低生产成本适用于制备大面积工业的太阳能电池。
如图2所示,为应用本发明实施例所述方案制备氧化亚铜的异质结太阳能电池器件结构图,其中包括:21-氧化铟锡ITO导电玻璃;22-p型氧化亚铜层;23-n型钙钛矿CH3NH3PbI3层;24-金属电极层。其制备方案为:首先,选择方块电阻是20-30Ω,透过率在80%-90%透明的氧化铟锡ITO导电玻璃,接着采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积厚度为30-50nm的p型层为氧化亚铜,然后采用超声喷涂方法沉积一层厚度为300-500nm的有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层。如图3所示,为本发明应用实例喷涂装置图,31-超声雾化喷头;32-衬底;33-加热台;34-超声波发生器;35-恒流泵;36-注射器;37-气瓶;38-减压阀。最后利用热蒸镀或磁控溅射方法在n型层上制备120nm的金属电极层。
以下通过应用实例详细说明:
1、选择方块电阻是20Ω,透过率在80%-90%的ITO玻璃作为衬底材料,实验前衬底分别在去离子水,丙酮,酒精中超声15min。
2、p型层氧化亚铜的制备
(1)氧化亚铜前驱液的配制
称量一水乙酸铜(Cu(CH2COO)2·H2O)粉末0.07986g,无水葡萄糖粉末0.036032g,将称量好后的一水乙酸铜与无水葡萄糖粉末混合,加入2ml有机溶剂异丙醇(IPA)和8ml去离子水的混合溶剂中,异丙醇的浓度为99.7%,用磁力搅拌搅拌,直至粉末充分溶解。前驱液中一水乙酸铜的为浓度为0.04mol/L,无水葡萄糖的浓度为0.02mol/L,所述溶剂的异丙醇和去离子水的体积比为1:4。
(2)p型层氧化亚铜的制备
配置好氧化亚铜的前驱液后,将超声喷头距离加热衬底的高度为125mm,工作功率为3.4W,超声频率为95kHz,喷涂流量为3ml/h,衬底加热温度为270℃,载气为氮气,氮气的压强为0.06×106Pa。等一切就绪后,加热台加热至270℃后,开始进行喷涂氧化亚铜。喷涂操作过程为:喷涂30s,停留30s,喷涂30s,停留30s……,不断循环,总时长为15min。喷涂的p型层材料还可以是如下材料的一种:硫氰酸亚铜(CuSCN)、碘化亚铜(CuI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)PEDOT:聚苯乙烯磺酸PSS、氧化镍(NiO),厚度为30-50nm。
3、n型层有机无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3的制备
(1)CH3NH3PbI3前驱液的配制
前驱液的质量分数是1%,摩尔比CH3NH3I:PbI2=1:1,然后溶于γ-丁内酯中,65℃的温度下搅拌过夜。
(2)n型层CH3NH3PbI3层的制备
配置好的CH3NH3PbI3前驱液后,将喷头距离加热衬底的高度为125mm,工作功率为3.4W,超声频率为95kHz,喷涂流量为65μl/min,载气为氮气,氮气的压强为0.06×106Pa,加热台的温度设为75℃。等一切就绪后,加热台加热至75℃后,开始进行喷涂CH3NH3PbI3前驱液,喷涂时间12min。喷涂时间2min,衬底颜色会逐渐变成棕灰色。最后置于90℃的热台上退火60min,得到厚度为300-500nm的CH3NH3PbI3钙钛矿层。
4、利用热蒸镀方法沉积120nm厚的金属电极(Ag、Au、Al)。
实验效果:进行太阳能电池的性能测试,在AM1.5,100mW/cm2标准光强的照射下太阳电池样品的开路电压1.06V,短路电流密度3.9mA/cm2,填充因子70.0%,效率为4.13%。
如图4所示,为本发明应用实例制备的氧化亚铜异质结的太阳能电池结构中CH3NH3PbI3的表面光学显微镜图,图4中比例尺为20μm,可以很明显的看出钙钛矿晶粒生长的非常大,大部分的尺寸都在20μm左右。如图5所示,为本发明应用实例在AM1.5G光照下的钙钛矿太阳能电池的伏安特性曲线。图5的太阳能电池伏安特性曲线中,表征太阳能电池性能的参数主要有开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)、填充因子(FF)及电池的光电转换效率(PCE)。太阳能电池正负极不接负载即电流i=0时输出的电压为开路电压(VOC);太阳能电池在正负极短路即电压u=0时单位受光面积的工作电流为短路电流密度(JSC);填充因子(FF)是单位受光面积的最大输出功率Pmax与JscVoc的比值,FF越大,太阳能电池的性能越好;光电转换效率是单位受光面积的最大输出功率Pmax与入射的太阳光能量密度Pin的百分比。
以上通过应用实例详细介绍了本发明所提供的通过超声喷涂方法制备氧化亚铜异质结的太阳能电池。氧化亚铜层和CH3NH3PbI3层都通过一步喷涂制备而成,所以该方法可以制备大面积致密的薄膜。
综上可见,首先,采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积氧化亚铜作为p型层,同样采用超声喷涂方法在p型层上沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层,可以提高原料使用率,降低生产成本,实现大面积工业生产。
应该明白,公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好,应该理解,过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素,并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中,各种特征一起组合在单个的实施方案中,以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图,即,所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反,如所附的权利要求书所反映的那样,本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此,所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中,其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明,上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说;这些实施例的各种修改方式都是显而易见的,并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此,本公开并不限于本文给出的实施例,而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然,为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的,但是本领域普通技术人员应该认识到,各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此,本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外,就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”,该词的涵盖方式类似于术语“包括”,就如同“包括,”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外,使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种氧化亚铜异质结太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积p型层;所述的ITO导电玻璃层的方块电阻是20-30Ω,透过率在80%-90%,所述的p型层为氧化亚铜,层厚为30-50nm;采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积氧化亚铜的p型层的工艺参数为:喷头距离加热衬底的高度为125mm,工作功率为3.4W,超声频率为95kHz,喷涂流量为3ml/h,衬底加热温度为270℃,载气为氮气,氮气的压强为0.06×106Pa;采用超声喷涂方法在氧化铟锡ITO导电玻璃上沉积氧化亚铜的p型层的流程为:喷涂30s,停留30s,喷涂30s,停留30s……,不断循环,总时长为15min;
采用超声喷涂方法沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层,包括:通过一步喷涂有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3的前驱液的超声喷涂方法,沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层;所述一步喷涂有机无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3的前驱液的质量分数是1%,摩尔比CH3NH3I:PbI2=1:1,然后溶于γ-丁内酯中,65℃的温度下搅拌过夜;所述采用超声喷涂方法沉积一层有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层作为n型层的工艺参数为:喷头距离加热衬底的高度为125mm,工作功率为3.4W,超声频率为95kHz,喷涂流量为65μl/min,载气为氮气,氮气的压强为0.06×106Pa,沉积温度75℃,喷涂时间12min,退火温度为90℃,退火时间60min;
在所述的n型层上沉积金属电极层。
2.如权利要求1所述方法,其特征在于,所述方法包括:
制备氧化亚铜的前驱液,具体为:称量一水乙酸铜Cu(CH2COO)2·H2O粉末0.07986g,无水葡萄糖粉末0.036032g,将称量好后的一水乙酸铜与无水葡萄糖粉末混合,加入2ml有机溶剂异丙醇IPA和8ml去离子水的混合溶剂中,异丙醇的浓度为99.7%,搅拌直至粉末溶解。
3.如权利要求2所述方法,其特征在于,所述的氧化亚铜的前驱液中一水乙酸铜的为浓度为0.04mol/L,无水葡萄糖的浓度为0.02mol/L,所述的混合溶剂中的异丙醇和去离子水的体积比为1:4。
4.如权利要求1所述方法,其特征在于,所述的有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层的厚度为300-500nm。
5.如权利要求1所述方法,其特征在于,所述的在所述的n型层上沉积金属电极层,包括:
通过热蒸镀或磁控溅射方法沉积金属电极层;所述的金属电极层至少是如下电极层的一种:Al电极、Au电极、Ag电极;层厚为120nm。
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CN105161625A (zh) | 2015-12-16 |
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