CN105489760A

CN105489760A - 钙钛矿太阳电池透明导电衬底、制备方法及太阳电池

Info

Publication number: CN105489760A
Application number: CN201511008418.8A
Authority: CN
Inventors: 盛赟; 王磊; 陈奕峰
Original assignee: Changzhou Trina Solar Energy Co Ltd
Current assignee: Changzhou Trina Solar Energy Co Ltd
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2016-04-13

Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：由上至下依次包括玻璃层(1-1)、高透光TCO层(1-3)、高电导TCO层(1-4)，所述高透光TCO层(1-3)是一层厚度均匀的薄膜，透光率≥85%，所述高电导TCO层(1-4)是一层由交错的互联线(1-4a)构成的网状结构，电阻率≤6e-4??cm。本发明还公开了一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底的制备方法以及一种太阳电池。本发明的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，兼顾了电导性和透光性，为钙钛矿太阳电池的发展和产业化应用提供了便利。

Description

钙钛矿太阳电池透明导电衬底、制备方法及太阳电池

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿太阳电池，尤其涉及一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底及其制备方法，同时，本发明还涉及一种包含上述透明导电衬底的太阳电池，属于太阳电池技术领域。

背景技术

随着全球生态环境和能源短缺问题的日益严峻，太阳能光伏发电受到各国普遍关注。目前，产业化晶体硅的电池转换效率稳定约19%（单晶）和17～18%（多晶），进一步提升效率存在技术和成本的制约瓶颈。尽管一些高效硅电池技术不断得以提出，但是这些高效太阳电池制备工艺复杂、量产中品质不易控制、对设备要求高，因此，难以实现量产。除了硅太阳电池以外，其它类型的化合物薄膜电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池等，其电池转换效率多年来未有显著突破。近年来，一种称之为“钙钛矿太阳电池”的新型电池技术引起了科研人员的广泛关注，其电池转换效率在短短的数年时间内从3.8%提升至目前的20.1%，并以月为单位不断刷新。钙钛矿体系是指一类与钙钛矿CaTiO₃具有相似晶体结构的有机-无机杂化物体系的总称。钙钛矿具有复杂的电学和光学特性，其核心光电转换材料具有廉价、容易制备的特点，这为其大规模、低成本制造提供了可能。

钙钛矿太阳电池一般地基于ITO或FTO导电玻璃衬底。在含介孔层的器件结构中，由衬底向上依次形成衬底、TiO致密层、介孔层、钙钛矿层、空穴传输层、上电极；在平面的器件结构中，由衬底向上依次形成衬底、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、上电极。在这两种常见结构钙钛矿太阳电池中，太阳光从衬底一面入射，被钙钛矿层吸收，激发形成电子和空穴，被导电衬底和上电极收集，实现光电流输出。衬底作为入射光的窗口，需要由良好的光学透射率（300至800nm光谱段）；而作为收集电子的电极，需要由良好的电导性。实验室制备的钙钛矿太阳电池已经获得20%以上的转换效率，但有效器件面积较小，往往只有1cm²以下，无法实际应用。产业化钙钛矿太阳电池的应用要求实现大面积。然而，随着器件面积增加，钙钛矿太阳电池的转换效率明显下降，特别是填充因子。主要的原因是随着器件面积增加，衬底ITO或FTO层横向输运电阻增加，导致串联电阻增加。

透明导电氧化物（transparentconductiveoxide,TCO）是常用的透明导电材料，用于太阳电池、平板显示、触控显示等领域。使用的材料有：氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）、掺铝氧化锌（AZO)、铟镓锌氧化物（IGZO）等。TCO的电导性和透光性是相互制约的：增加TCO的掺杂浓度会提高薄膜的电导性，但会降低薄膜的透光性；增加TCO的厚度会提高薄膜的横向电导，但同样会降低薄膜的透光性。

对于钙钛矿太阳电池，无论通过掺杂或增加薄膜厚度来提高TCO衬底的电导性，改善填充因子，都会增加入射光在TCO层的吸收，降低光电流，限制装换效率的提升。因此，需要设计一种兼顾电导性和透光性的TCO层，用于大面积钙钛矿太阳电池的衬底，从而促进钙钛矿太阳电池的产业化。

发明内容

本发明针对现有技术中，钙钛矿太阳电池的透明导电层电导性和透光性无法兼顾的技术问题，提供一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底及其制备方法，使钙钛矿太阳电池的透明导电衬底兼顾电导性和透光性，促进钙钛矿太阳电池的发展和产业化应用。

为此，本发明采用如下技术方案：

钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：由上至下依次包括玻璃层(1-1)、高透光TCO层(1-3)、高电导TCO层(1-4)，所述高透光TCO层(1-3)是一层厚度均匀的薄膜，透光率≥85%，所述高电导TCO层(1-4)是一层由交错的互联线(1-4a)构成的网状结构，电阻率≤6e-4??cm。

进一步地，所述TCO选自氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）、掺铝氧化锌（AZO)、铟镓锌氧化物（IGZO）中的一种或多种。

进一步地，所述高透光TCO层(1-3)的厚度是20至300nm。

进一步地，所述每条互联线(1-4a)的厚度是100至500nm，宽度是10至200μm。

进一步地，在所述玻璃层(1-1)与高透光TCO层(1-3)之间还具有SiO2层(1-2)，SiO2层的厚度为100-300nm。

本发明的另一方面，还提供一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底的制备方法，包括如下步骤：

A.使用碱性清洗液、丙酮、酒精和水清洗玻璃基片，并烘干；

B.溅射制备高透光TCO层(1-3)，通过控制工艺条件，使该层的透光率≥85%，厚度在20至300nm之间；

C.透过模板掩膜，溅射制备网状的高电导TCO层(1-4)，通过控制工艺条件，使该层的电阻率≤6e-4??cm，每条互联线(1-4a)的厚度在100至500nm之间，宽度是10至200μm；

D.高温退火，气氛是氮气(N2)，温度控制在150-250℃之间，时间0.5-2小时；

E.在经上述步骤D制备的透明导电衬底上依次制备钙钛矿太阳电池的各层。

进一步地，在上述步骤A和步骤B之间还包括下述步骤：

A1.溅射制备SiO2层(1-2)，厚度为100至300nm。

一种太阳电池，在上述透明导电衬底（2-1）上依次设置有电子传输层（2-2）、钙钛矿光吸收层（2-3）、空穴传输层（2-4）和金属上电极（2-5）。

一种太阳电池，在上述透明导电衬底（2-1）上依次设置有TiO致密层（2-6）、介孔层（2-7）、钙钛矿光吸收层（2-3）、空穴传输层（2-4）和金属上电极（2-5）。

本发明利用较低电导率的TCO具有较好的透光性的特性，以均匀的薄膜形成一层高透光TCO层（1-3），作为钙钛矿太阳电池的电子传输层，减少入射光在高透光TCO层（1-3）的吸收，从而获得良好的光电流；利用网状的高电导TCO层(1-4)形成电学互联的网状薄膜收集电子，减少电子传输层的横向电阻，改善填充因子，同时，网状的高电导TCO层(1-4)，有助于减少入射光在该部分的吸收。因此，本发明的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，兼顾了电导性和透光性，为钙钛矿太阳电池的发展和产业化应用提供了便利。本发明提供的钙钛矿太阳电池透明导电衬底的制备方法，流程简单，且可以兼容利用现有TCO玻璃的制备工艺。本发明可以用于制备典型的基于介孔结构的和平面薄膜型的钙钛矿太阳电池，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的透明导电衬底的结构示意图；

图2为本发明的透明导电衬底应用于平面薄膜型钙钛矿太阳电池的结构示意图；

图3为本发明的透明导电衬底应用于介孔型钙钛矿太阳电池的结构示意图；

其中，1-1为玻璃层，1-2为SiO2层，1-3为高透光TCO层，1-4为高电导TCO层，1-4a为互联线，2-1为透明导电衬底，2-2为电子传输层，2-3为钙钛矿光吸收层，2-4为空穴传输层,2-5为金属上电极，2-6为TiO致密层，2-7为介孔层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，本发明中与现有技术相同的部分将参考现有技术。

实施例1：

本发明的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，由上至下依次包括玻璃层1-1，高透光TCO层1-3和高电导TCO层1-4，其中，所述高透光TCO层1-3是一层厚度均匀的薄膜，厚度是20至300nm，透光率≥85%，所述高电导TCO层1-4是一层由交错的互联线1-4a构成的网状结构，每条互联线1-4a的厚度是100至500nm，宽度是10至200μm，电阻率≤6e-4??cm。在本实施例中，高透光TCO层1-3的电阻率是1e-3??cm，厚度是100nm，透光率90%；高电导TCO层1-4的电阻率是4e-4??cm，厚度是200nm，互联线1-4a包括水平方向的纬线和垂直方向的经线，经线和纬线相互交错，每一互联线的宽度是100μm，厚度为300nm，相邻两经线或纬线之间的间距为300μm。

TCO选自氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）、掺铝氧化锌（AZO)、铟镓锌氧化物（IGZO）中的一种或多种，在本实施例中，TCO选用ITO。

实施例2：

如图1所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：在所述玻璃层1-1和高透光TCO层1-3之间还包括一层SiO2层1-2，厚度为200nm。TCO选用FTO。

实施例3：

本实施例与实施例2的不同之处在于：TCO选用AZO，且高透光TCO层1-3的电阻率是8e-4??cm，厚度是50nm，透光率85%；高电导TCO层1-4的电阻率是2e-4??cm，厚度是300nm，互联线1-4a包括水平方向的纬线和垂直方向的经线，经线和纬线相互交错，每一互联线的宽度是100μm，厚度为300nm，相邻两经线或纬线之间的间距为300μm。

实施例4：

本实施例与实施例2的不同之处在于：TCO选用IGZO，且高透光TCO层1-3的电阻率是1e-3??cm，厚度是50nm，透光率90%；高电导TCO层1-4的电阻率是6e-4??cm，厚度是500nm，互联线1-4a包括水平方向的纬线和垂直方向的经线，经线和纬线相互交错，每一互联线的宽度是100μm，厚度为500nm，相邻两经线或纬线之间的间距为200μm。

实施例5：

本实施例与实施例2的不同之处在于：TCO选用ITO，且高透光TCO层1-3的电阻率是1e-3??cm，厚度是250nm，透光率85%；高电导TCO层1-4的电阻率是2e-4??cm，厚度是150nm，互联线1-4a包括水平方向的纬线和垂直方向的经线，经线和纬线相互交错，每一互联线的宽度是80μm，厚度为200nm，相邻两经线或纬线之间的间距为300μm。

实施例6：

本发明还提供一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底的制备方法，包括如下步骤：

B.溅射制备高透光TCO层1-3，通过控制工艺条件，使该层的透光率≥85%，厚度在20至300nm之间；

实施例7：

本实施例与实施例5的不同之处在于：在步骤A和步骤B之间还包括下述步骤：

A1.溅射制备SiO2层(1-2)，厚度为100至300nm。

本实施例对应于实施例2提供的钙钛矿太阳电池透明导电衬底的制备。

实施例8：

如图2所示，本发明本发明的另一方面，提供一种太阳电池，在上述透明导电衬底上依次设置有电子传输层（2-2）、钙钛矿光吸收层（2-3）、空穴传输层（2-4）和金属上电极（2-5）。本实施例是实施例1-4在平面薄膜型钙钛矿太阳电池上的具体应用。

实施例9：

如图3所示，本发明本发明的另一方面，提供一种太阳电池，在上述透明导电衬底上依次设置TiO致密层（2-6）、介孔层（2-7）、钙钛矿光吸收层（2-3）、空穴传输层（2-4）和金属上电极（2-5）。本实施例是实施例1-4在介孔型钙钛矿太阳电池上的具体应用。

当然，本发明还有其他实施方式，上文所列仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1.钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：由上至下依次包括玻璃层(1-1)、高透光TCO层(1-3)、高电导TCO层(1-4)，所述高透光TCO层(1-3)是一层厚度均匀的薄膜，透光率≥85%，所述高电导TCO层(1-4)是一层由交错的互联线(1-4a)构成的网状结构，电阻率≤6e-4??cm。

2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：所述TCO选自氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）、掺铝氧化锌（AZO)、铟镓锌氧化物（IGZO）中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：所述高透光TCO层(1-3)的厚度是20至300nm。

4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：所述每条互联线(1-4a)的厚度是100至500nm，宽度是10至200μm。

5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：在所述玻璃层(1-1)与高透光TCO层(1-3)之间还具有SiO2层(1-2)，SiO2层的厚度为100-300nm。

6.一种钙钛矿太阳电池透明导电衬底的制备方法，用于制备权利要求1-4任一所述的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，用于制备权利要求5所述的钙钛矿太阳电池透明导电衬底，其特征在于：在上述步骤A和步骤B之间还包括下述步骤：

A1.溅射制备SiO2层(1-2)，厚度为100至300nm。

8.一种包含权利要求1-5任一所述钙钛矿太阳电池透明导电衬底的太阳电池，其特征在于：在所述透明导电衬底（2-1）上依次设置有电子传输层（2-2）、钙钛矿光吸收层（2-3）、空穴传输层（2-4）和金属上电极（2-5）。

9.一种包含权利要求1-5任一所述钙钛矿太阳电池透明导电衬底的太阳电池，其特征在于：在所述在上述透明导电衬底（2-1）上依次设置有TiO致密层（2-6）、介孔层（2-7）、钙钛矿光吸收层（2-3）、空穴传输层（2-4）和金属上电极（2-5）。