CN105552230A - 基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池 - Google Patents

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王乐
段瑞飞
李晋闽
王军喜
黄芳
吴瑞伟
王克超
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Abstract

一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，包括：一钙钛矿单晶衬底；一空穴传输层，其制作在钙钛矿单晶衬底的下面；一下电极，其制作在空穴传输层的下面；一空穴阻挡层，其制作在钙钛矿单晶衬底上；一上电极，其制作在空穴阻挡层上。本发明的太阳能电池对300-800nm的光有超过90％的吸收率，单晶的钙钛矿层能够减少复合中心，提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池。
背景技术
随着世界人口数量的不多增加和社会文明的不断进步，能源形势紧张，各国越来越重视开发可再生能源以及清洁能源，对能源提出了越来越高的要求。除了有效利用现有的矿物能源外，发展可再生能源是社会发展的必然选择。在众多可再生能源中，太阳能由于具有储量丰富、绿色环保和价格低廉等优点被誉为最具前景的选择之一。当前太阳能电池可以将丰富的自然光转化为电能，而且不造成环境污染。研究高效的太阳能电池对于缓解紧张的能源形势具有十分重大的意义。
一种钙钛矿机构的有机无机杂化材料CH3NH3PbX3(元素X为卤素Cl、Br、I)在光伏领域引发了一场革命。从2009年至今，工艺简单、成本低廉的钙钛矿薄膜太阳电池的效率由3.8％迅速提高至20.1％。基于介孔钙钛矿薄膜的电池已取得了超过16.7％的认证光电转换效率，基于平板异质结结构电池光电转换效率达到20.3％，已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率。钙钛矿薄膜电池与传统单晶硅太阳能电池的结合也大大提高了太阳能电池的效率。
钙钛矿具有优异的光学性质和电学性质。最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3)，它是直接带隙半导体材料，带隙约为1.5eV。其消光系数高，约400纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。光激发的激子束缚能只有0.030eV，说明在室温下大部分激子会很快分离为自由载流子。电子和空穴表现出很小的有效质量和很高的迁移率(电子：7.5cm2V-1s-1，空穴：12.5cm2V-1s-1)，复合时间为几百纳秒，这导致很长的载流子扩散距离(100-1000nm)。少量氯元素的掺杂可以提高电子迁移率，显示出了更加优异的光电性能。
上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。此外，这种材料制备简单，将含有PbI3和CH3NH3I的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。钙钛矿的沉积过程决定薄膜形貌的一致性以及覆盖率等，影响器件的工作特性。
相比于薄膜材料，钙钛矿单晶有完美的晶格排列和更低的缺陷密度。因此钙钛矿单晶有着更好的光电性能，同时也能大大提高材料的稳定性。通过合理地优化界面间能级匹配和载流子输运，基于钙钛矿单晶对太阳能电池有更高的光电转换效率和更好的稳定性。
但目前钙钛矿单晶薄膜制备技术难以突破，且大面积低厚度的钙钛矿单晶制备技术还不成熟，还没有对基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池的研究。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高光电转换效率的钙钛矿单晶太阳电池。该太阳能电池对300-800nm的光有超过90％的吸收率，单晶的钙钛矿层能够减少复合中心，提高太阳能电池的光电转换效率。
本发明提出一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，包括：
一钙钛矿单晶衬底；
一空穴传输层，其制作在钙钛矿单晶衬底的下面；
一下电极，其制作在空穴传输层的下面；
一空穴阻挡层，其制作在钙钛矿单晶衬底上；
一上电极，其制作在空穴阻挡层上。
本发明和提高一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，包括：
一钙钛矿单晶衬底；
一空穴传输层，其制作在钙钛矿单晶衬底上的部分区域；
一空穴阻挡层，其制作在钙钛矿单晶衬底上的部分区域，并与空穴传输层错位排列；
一下电极，其制作在空穴传输层的上面；
一上电极，其制作在空穴阻挡层上。
本发明具有的有益效果是：
1、钙钛矿单晶吸光层不仅能保证对300-800nm波段超过90％的吸收，同时较少的缺陷密度可以保证较低的光生载流子复合和较大的扩散长度，可以充分的吸收、利用太阳光，提高光电转换效率。
2、相比于钙钛矿多晶薄膜在空气中极易分解，钙钛矿单晶在空气中的稳定性要好得多(没有观察到钙钛矿单晶材料在空气中的分解现象)，可以大大提高器件的稳定性。
3、与单晶硅太阳能电池工艺相比，钙钛矿单晶太阳电池工艺简单，实现以较低的成本制备高效稳定的太阳能电池。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明第一实施例的结构示意图；
图2是本发明第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，图1是本发明的第一实施例，本发明提供一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，包括：
一钙钛矿单晶衬底10，所述钙钛矿单晶衬底10的材料为CH3NH3PbX3，元素X为卤素元素Cl、Br或I，所述钙钛矿单晶衬底10的厚度为300-500μm；所述钙钛矿单晶衬底10具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，载流子的扩散距离和寿命较长；
一空穴传输层20，其制作在钙钛矿单晶衬底10的下面，所述空穴传输层20的材料为2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴或PEDOT：PSS等固态空穴传输材料；所述空穴传输层20以阻止钙钛矿单晶衬底10的载流子与下电极40中的载流子复合；
一下电极40，其制作在空穴传输层20的下面，所述下电极40的材料为铝、银或金等常用金属电极；
一空穴阻挡层30，其制作在钙钛矿单晶衬底10上，所述空穴阻挡层30的材料为氧化钛、氧化铝或氧化锌；所述空穴阻挡层30以阻止钙钛矿单晶衬底10的载流子与上电极50中的载流子复合；
一上电极50，其制作在电子传输层30上，所述上电极50的材料为ITO、FTO或者银纳米线等的透明电极，上电极50一侧为太阳光入射侧，电极有较高的透明度，以保证入射的太阳光进入钙钛矿单晶衬底10而被吸收。
请再参阅图2所示，为本发明的第二实施例，该第二实施例与第一实施例基本相同，不同处在于，是将空穴传输层20、空穴阻挡层30、下电极40和上电极50制作在钙钛矿单晶衬底10的同一侧。
其中空穴传输层20，其制作在钙钛矿单晶衬底10上的部分区域；空穴阻挡层30，其制作在钙钛矿单晶衬底10上的部分区域，并与空穴传输层20错位排列；下电极40，其制作在空穴传输层20的上面；上电极50，其制作在电子传输层30上。
实施例1
将15摩尔PbBr2和16.5摩尔CH3NH3Br混合，溶解于10mlDMF中，充分溶解后过滤，装入密封容器中加热。采用过饱和溶液结晶法制备出较大面积高质量的钙钛矿单晶作为衬底。将钙钛矿单晶衬底在100℃左右退火5-10分钟。将配制好的Spiro-OmeTAD溶液旋涂在钙钛矿单晶表面，匀胶机转速2000-4000rpm，时间20-60s。待旋涂液溶剂挥发后，采用电子束蒸发在空穴传输层上沉积金属电极(70-100nmAl和150-300nmAu)。在钙钛矿单晶另一面采用溅射法沉积氧化钛薄膜作为空穴阻挡层，厚度50-80nm。采用电子束蒸发在空穴阻挡层上沉积ITO作为透明电极，厚度200-300nm。
实施例2
将9摩尔PbBr2、1molPbCl2和10摩尔CH3NH3Br混合，溶解于8mlDMF中，充分溶解后过滤，装入密封容器中加热。采用过饱和溶液结晶法制备出较大面积高质量的钙钛矿单晶。将钙钛矿单晶在100℃左右退火5-10分钟。采用合适的掩模版挡住钙钛矿单晶表面的一部分，将配制好的Spiro-OmeTAD溶液旋涂在钙钛矿单晶表面部分区域，匀胶机转速2000-4000rpm，时间20-60s。待旋涂液溶剂挥发后，使用同样的掩模版，采用电子束蒸发在空穴传输层上沉积金属电极(70-100nmAl和150-300nmAu)。使用相反的掩模版，在钙钛矿单晶同一面未沉积金属电极区域，采用溅射法沉积含1.5％氧化锌的氧化铝作薄膜为空穴阻挡层，厚度50-80nm。采用电子束蒸发在空穴阻挡层上沉积金属Ag作为电极，厚度200-300nm。
图1是本发明实施例1中基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池的结构示意图，两电极位于钙钛矿单晶衬底10异侧，须采用透明电极作为上电极50保证较好的光输入。
图2是本发明实施例2中基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池的结构示意图，两电极位于钙钛矿单晶衬底10同侧，制备过程中须采用合适的掩模版保证两电极不接触。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (8)

1.一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，包括：
一钙钛矿单晶衬底；
一空穴传输层，其制作在钙钛矿单晶衬底的下面；
一下电极，其制作在空穴传输层的下面；
一空穴阻挡层，其制作在钙钛矿单晶衬底上；
一上电极，其制作在空穴阻挡层上。
2.一种基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，包括：
一钙钛矿单晶衬底；
一空穴传输层，其制作在钙钛矿单晶衬底上的部分区域；
一空穴阻挡层，其制作在钙钛矿单晶衬底上的部分区域，并与空穴传输层错位排列；
一下电极，其制作在空穴传输层的上面；
一上电极，其制作在空穴阻挡层上。
3.根据权利要求1或2所述的基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，其中钛矿单晶衬底的材料为CH3NH3PbX3，元素X为卤素元素Cl、Br或I。
4.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，其中上电极的材料为ITO、FTO或者银纳米线的透明电极。
5.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，其中下电极的材料为铝、银或金。
6.根据权利要求1或2所述的基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，其中空穴阻挡层的材料为氧化钛、氧化铝或氧化锌。
7.根据权利要求1或2所述的基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，其中空穴传输层的材料为2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴或PEDOT：PSS的固态空穴传输材料。
8.根据权利要求2所述的基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池，其中下电极和上电极的材料为铝、银或金。
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