CN106129053A - 一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池，这种四端串联太阳能电池由半透明平面异质结钙钛矿太阳能电池和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池串联而成。该串联太阳能电池能弥补钙钛矿太阳能电池不能吸收近红外光这一缺点，有效吸收紫外光、可见光和近红外光，提升太阳能电池效率，为钙钛矿的最终商业化提供了新的思路。

Description

一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池领域。
背景技术
随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭，新能源特别是太阳能电池成为国内外研究关注的一个热点。目前无机硅太阳能电池已产业化，然而其成本太高，有机太阳能电池效率又太低，前景都不明朗。钙钛矿太阳能电池自2009年第一次报道以来，以其超低成本溶液法制备工艺而受到研究人员的青睐，能量转换效率由最初的3.8％提升到了20.1％，随着研究的不断深入，电池的效率极有可能超过目前发展成熟的单晶硅太阳能电池。
钙钛矿吸光层的带隙约为1.5eV，能很好的吸收可见光，然而，对近红外区域表现为透明，直接导致钙钛矿太阳能电池的效率降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述背景技术的不足，提供一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池。
本发明所涉及的一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池，包括半透明钙钛矿太阳能电池和铜铟镓硒太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池与钙钛矿太阳能电池串联，将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极连接起来，得到串联电池。钙钛矿太阳能电池由下至上依次包括：
1)透明衬底
透明衬底为石英材质硬质玻璃衬底或柔性PET或柔性PEN衬底。石英材质硬质玻璃衬底耐高温、可见光透过率高、并能透过紫外线和红外线。
2)第一透明电极层
第一透明电极层位于透明衬底之上，为金属氧化物、碳电极材料、超薄金属或者导电高分子材料PEDOT:PSS PH1000材料；金属氧化物包括氧化铟锡(ITO)、氟化的氧化锡(FTO)或氧化锌纳米线；碳电极材料包括石墨烯薄膜、氧化还原石墨烯(RGO)、石墨烯墙、石墨烯纳米带、石墨烯量子点、碳纳米管(CNT)或碳纤维；石墨烯薄膜为单层、双层或多层，对其进行掺杂可有效降低方阻；超薄金属包括Ag、Au、Cu、Al或Ni；第一透明电极层采用氧化铟锡(ITO)或FTO则厚度为100-200纳米；方块电阻小于10Ω/□。第一透明电极层采用超薄金属，则厚度小于20纳米。
3)半透明功能层
半透明功能层位于第一透明电极层之上，由下至上依次为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层或者为电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层；
空穴传输层材料为Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS AI4083或PTAA，厚度为40-200纳米；
钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-XClX、PbI2/MAI、PbCl2/MAI、PbI2/FAI、PbI2/PbCl2/MAI或PbI2/MACl/MAI，厚度小于200纳米；
电子传输层材料为TiO2、ZnO、PCBM或C60，厚度为30-200纳米；
4)第二透明电极层
第二透明电极层位于半透明功能层之上；
所述第二透明电极为纯导电层或电子提取层/导电层复合结构。导电层材料为超薄金属、导电高分子或碳导电材料，超薄金属厚度小于20纳米。所述电子提取层为Rhodamine 101、LiF、CsCO3、PEIE或PEI，其厚度为0.5-1纳米。
5)减反层
位于第二透明电极层之上；减反层材料为MoOx、WO3或V2O5，MoOx的厚度为1-50纳米。
铜铟镓硒太阳能电池由下至上依次包括：具有SiO2层的玻璃衬底；阳极为Mo，厚度为20-2000纳米之间；铜铟镓硒吸光层，厚度为0.1-10微米；缓冲层为CdS，厚度为10-200纳米，与铜铟镓硒形成异质结，使光生激子分离和输出；窗口层为ZnO，厚度为10-1000纳米；阴极为ZnO:Al，厚度在20-2000纳米之间；减反层为MgF2，厚度为50-150纳米。
本发明所涉及的一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)半透明钙钛矿太阳能电池制备
透明衬底上制备第一透明电极层，并对该第一透明电极层进行图形化，随后，对其进行清洗、干燥及表面亲水性改善。
在超净间中在第一透明电极层上制备空穴传输层，在水氧含量均低于1ppm的手套箱中，采用溶液法在空穴传输层上依次制备钙钛矿吸光层、电子传输层；或者在超净间中在第一透明电极层上制备电子传输层，在水氧含量均低于1ppm的手套箱中，在电子传输层上依次制备钙钛矿吸光层、空穴传输层。
将制备好的基片迅速放入真空蒸发镀膜机内，蒸镀形成第二透明电极层和减反层，完成钙钛矿电池的制备。
2)铜铟镓硒太阳能电池制备
该电池制备在具有SiO2层的玻璃衬底之上，由直流磁控溅射沉积阳极，铜铟镓硒层由低温共蒸发制得，缓冲层CdS由化学浴沉积或溶胶凝胶制得，窗口层ZnO由射频溅射或溶胶凝胶法制得，采用射频溅射制备阴极。阴极上蒸镀减反层，降低反射损失，得到铜铟镓硒太阳能电池。
3)将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极连接起来，得到高效率串联电池。
本发明是一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池，铜铟镓硒带隙低于钙钛矿材料，铜铟镓硒吸光层能完美的吸收近红外光，减少太阳光能量的损失，将钙钛矿太阳能电池和铜铟镓硒电池串联起来，可同时吸收紫外光、可见光和近红外，极大的提升电池效率。同时，优化工艺参数、引入电子提取层、增加减反层，提升串联太阳能电池能量转换效率。
附图说明
图1为本发明的实施例1中一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池的结构示意图；其中，101是透明衬底，102是第一透明电极层，103是空穴传输层，104是钙钛矿吸光层，105是电子传输层，106是第二透明电极层，107是减反层，108是铜铟镓硒太阳能电池，109是导线；
图2为铜铟镓硒太阳能电池的结构示意图，其中201是具有SiO2层的玻璃衬底，202是阳极Mo，203是铜铟镓硒吸光层，204是缓冲层，205是窗口层，206是阴极，207是减反层MgF2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池的工作原理为：当太阳光照射到电池上，钙钛矿吸光层吸收可见光、紫外光，铜铟镓硒吸光层吸收近红外光，在吸光层内产生激子，激子运动到吸光层/载流子(电子、空穴)传输层界面，在自建电场的作用下，电子和空穴分离，电子传输层传输电子到达阴极，空穴传输层传输空穴到达阳极，形成串联光电流。载流子传输层包括电子传输层和空穴传输层。
钙钛矿太阳能电池由下至上依次包括：透明衬底、第一透明电极层、半透明功能层、第二透明电极层、减反层。半透明功能层位于第一透明电极层之上，由下至上依次为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层或者为电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层。当第一透明电极层紧挨着空穴传输层位于其下，则为电池阳极；当第一透明电极层紧挨着电子传输层位于其下，则为电池阴极。第一透明电极层为阳极，第二透明电极层则为电池阴极；第一透明电极层为阴极，第二透明电极层则为电池阳极。
实施例1
一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池的结构如图1所示。钙钛矿太阳能电池从下往上依次为：透明衬底101、第一透明电极层102、空穴传输层103、钙钛矿吸光层104、电子传输层105、第二透明电极层106、减反层107。第二透明电极层106从下往上依次为下层电子提取层、上层电子提取层、导电层。透明衬底101为石英玻璃，第一透明电极层102(阳极)为ITO，厚度为110nm；空穴传输层103为PEDOT:PSS AI4083，厚度为60nm；钙钛矿吸光层104为CH3NH3PbI3，厚度为150nm，电子传输层105为PCBM，厚度为50nm；下层电子提取层为Rhodamine101，厚度为1nm；上层电子提取层为LiF，厚度为1nm；导电层为超薄Ag，厚度为10nm；减反层107为MoOX，厚度为1nm。
铜铟镓硒太阳能电池108结构如图2所示。铜铟镓硒太阳能电池108从下往上依次为：具有SiO2层的玻璃衬底201；阳极Mo202，厚度为800nm；铜铟镓硒吸光层203，厚度为2um；缓冲层204为CdS，厚度为50nm；窗口层205为ZnO，厚度为30nm；阴极206为ZnO:Al，厚度为400nm；减反层MgF2207，厚度为110nm。
实施例1中钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
在石英玻璃(透明衬底)上溅射镀膜形成ITO阳极(第一透明电极层)，方阻低于10Ω/□。在洁净环境中旋转涂布AI4083(空穴传输层)，转速5000RPM。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3(钙钛矿吸光层)、PCBM(电子传输层)、Rhodamine101，将1:1摩尔比的MAI/PbI2溶在DMF中形成40wt％的CH3NH3PbI3前驱体溶液，在60度下加热30分钟，之后加入100ul HI/1ml钙钛矿溶液，将钙钛矿前驱体70度加热，在4500RPM的转速下旋转涂布200秒，100度下退火2分钟，形成厚度约为150nm的钙钛矿吸光层。将PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的转速下制得厚度约为50nm的电子传输层。在2000RPM转速下，制备1纳米Rhodamine101(0.05wt％，IPA)。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀1纳米LiF和10纳米超薄Ag电极，沉积减反层MoOX，完成钙钛矿电池的制备。
实施例1中铜铟镓硒太阳能电池的制备方法如下：
在具有SiO2层的玻璃衬底之上，由直流磁控溅射沉积阳极Mo，铜铟镓硒层由低温共蒸发制得，CdS由化学浴沉积得到，采用射频溅射制备ZnO和ZnO:Al，沉积减反层MgF2，得到铜铟镓硒太阳能电池。
将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极用导线109连接起来，得到高效率串联电池。这种串联太阳能电池的能量转换效率可以达到20％。
实施例2
钙钛矿太阳能电池从下往上依次为：透明衬底、第一透明电极层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、下层电子提取层、上层电子提取层、导电层、减反层。透明衬底为石英玻璃，第一透明电极层(阳极)为三层石墨烯薄膜，每层厚度为0.34nm；空穴传输层为PEDOT:PSS AI4083，厚度为60nm；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3-XClX，厚度为160nm；电子传输层为PCBM，厚度为50nm；下层电子提取层为Rhodamine101，厚度为0.5nm；上层电子提取层为LiF，厚度为0.5nm；导电层为超薄Ag，厚度为8nm；减反层为MoOX，厚度为2nm。
铜铟镓硒太阳能电池从下往上依次为：具有SiO2层的玻璃衬底；阳极为Mo，厚度为800nm；铜铟镓硒吸光层，厚度为2um；缓冲层为CdS，厚度为50nm；窗口层为ZnO，厚度为30nm；阴极为ZnO:Al，厚度为400nm；减反层为MgF2，厚度为110nm。
实施例2中钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
在铜箔上通过CVD工艺生长石墨烯薄膜，之后将其转移至石英玻璃上，其方阻低于200Ω/□。在洁净环境中旋转涂布AI4083，形成约60纳米的薄膜。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3-XClX、PCBM、Rhodamine101，CH3NH3PbI3-XClX由0.08M PbCl2、0.97MPbI2和1M MAI溶在体积比为3:7的DMSO/GBL混合有机溶剂中，将钙钛矿前驱体70度加热，旋涂条件为第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的时候用160ul无水甲苯萃取，得到表面光滑的钙钛矿薄膜，在100度下退火20分钟，形成厚度约为160nm的钙钛矿吸光层。将PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的转速下制得厚度约为50nm的电子传输层。在2000RPM转速下，制备0.5纳米Rhodamine101(0.03wt％，IPA)。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀0.5纳米LiF和8纳米超薄Ag电极，沉积减反层MoOX，完成钙钛矿电池的制备。
实施例2中铜铟镓硒太阳能电池的制备方法同实施例1。
将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极连接起来，得到高效率串联电池。这种串联太阳能电池的能量转换效率可以达到18％。
实施例3
钙钛矿太阳能电池从下往上依次为：透明衬底、第一透明电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、第二透明电极层、减反层。透明衬底为石英玻璃，第一透明电极层(阴极)为FTO，厚度为100nm；电子传输层为ZnO纳米薄膜，厚度为40nm；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3，厚度为160nm；空穴传输层为PTAA，膜厚50nm；第二透明电极层(阳极)为超薄Ag，厚度为12nm；减反层为MoOX，厚度为2nm。
铜铟镓硒太阳能电池从下往上依次为：具有SiO2层的玻璃衬底；阳极为Mo，厚度为800nm；铜铟镓硒吸光层，厚度为2um；缓冲层为CdS，厚度为50nm；窗口层为ZnO，厚度为30nm；阴极为ZnO:Al，厚度为400nm；减反层为MgF2，厚度为110nm。
实施例3中钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
配制5.3％ZnO纳米溶胶，在2000rpm转速下旋涂制备ZnO电子传输层，在150度下干燥10min，在FTO玻璃上得到40nm厚的纳米薄膜。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3(钙钛矿吸光层)、PTAA(空穴传输层)，将1:1摩尔比的MAI/PbI2溶在DMF中形成40wt％的CH3NH3PbI3前驱体溶液，在60度下加热30分钟，之后加入100ul HI/1ml钙钛矿溶液，将钙钛矿前驱体70度加热，在4000RPM的转速下旋转涂布200秒，100度下退火2分钟，形成厚度约为160nm的钙钛矿吸光层。在3000rpm转速下旋转涂布加有Li-TFSI and t-BP的PTAA溶液，形成50nm厚的空穴传输层。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀12纳米超薄Ag电极和减反层MoOX，完成钙钛矿电池的制备。
实施例3中铜铟镓硒太阳能电池的制备方法同实施例1。
将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极连接起来，得到高效率串联电池。这种串联太阳能电池的能量转换效率可以达到17.5％。
实施例4
钙钛矿太阳能电池从下往上依次为：透明衬底、第一透明电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、第二透明电极层、减反层。透明衬底为石英玻璃，第一透明电极层(阴极)为三层石墨烯薄膜，每层厚度为0.34nm；电子传输层为TiO2纳米薄膜，厚度为30nm；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3-XClX，厚度为200nm；空穴传输层为spiro-OMeTAD，膜厚180nm；第二透明电极层为超薄Ag，厚度为10nm；减反层为MoOX，厚度为10nm。
铜铟镓硒太阳能电池从下往上依次为：具有SiO2层的玻璃衬底；阳极为Mo，厚度为800nm；铜铟镓硒吸光层，厚度为2um；缓冲层为CdS，厚度为50nm；窗口层为ZnO，厚度为30nm；阴极为ZnO:Al，厚度为400nm；减反层为MgF2，厚度为110nm。
实施例4中钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
在超净环境中，使用喷雾高温分解法在石墨烯衬底上制备30nm TiO2电子传输层。将基片转移至手套箱中，旋涂制得吸光层CH3NH3PbI3-XClX和空穴传输层spiro-OMeTAD，CH3NH3PbI3-XClX由0.08M PbCl2、0.97M PbI2和1M MAI溶在体积比为3:7的DMSO/GBL混合有机溶剂中，将钙钛矿前驱体70度加热，旋涂条件为第一步1000RPM(20秒)、第二步4500RPM(60秒)，在40秒的时候用160ul无水甲苯萃取，得到表面光滑的钙钛矿薄膜，在100度下退火20分钟，形成厚度约为200nm的钙钛矿吸光层。旋涂加有Li-TFSI and t-BP的spiro-OMeTAD溶液，形成180nm厚的空穴传输层。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀10纳米超薄Ag电极和减反层MoOX，完成钙钛矿电池的制备。
实施例4中铜铟镓硒太阳能电池的制备方法同实施例1。
将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极连接起来，得到高效率串联电池。这种串联太阳能电池的能量转换效率可以达到19％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种高效铜铟镓硒/钙钛矿串联太阳能电池，其特征在于，包括半透明钙钛矿太阳能电池和铜铟镓硒太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池与钙钛矿太阳能电池串联，将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和铜铟镓硒太阳能电池的阴极连接起来，得到串联电池；钙钛矿太阳能电池由下至上依次包括：
1)透明衬底
透明衬底为石英材质硬质玻璃衬底或柔性PET或柔性PEN衬底；
2)第一透明电极层
第一透明电极层位于透明衬底之上，为ITO、FTO或石墨烯薄膜，石墨烯薄膜为2-4层；第一透明电极层采用ITO或FTO则厚度为100-110纳米,方块电阻小于10Ω/□；
3)半透明功能层
半透明功能层位于第一透明电极层之上，由下至上依次为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层或者为电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层；
空穴传输层材料为Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS AI4083或PTAA，厚度为50-180纳米；
钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-XClX，厚度为150-200纳米；
电子传输层材料为TiO2、ZnO或PCBM，厚度为30-50纳米；
4)第二透明电极层
第二透明电极层位于半透明功能层之上；
所述第二透明电极为纯导电层或电子提取层/导电层复合结构；导电层材料为超薄金属，厚度为8-12纳米；所述电子提取层为Rhodamine 101、LiF，其厚度为0.5-1纳米；
5)减反层
位于第二透明电极层之上；减反层材料为MoOx，厚度为1-10纳米；
当第一透明电极层紧挨着空穴传输层位于其下，则为电池阳极；当第一透明电极层紧挨着电子传输层位于其下，则为电池阴极；第一透明电极层为阳极，第二透明电极层则为电池阴极；第一透明电极层为阴极，第二透明电极层则为电池阳极；
铜铟镓硒太阳能电池由下至上依次包括：具有SiO2层的玻璃衬底；阳极为Mo；铜铟镓硒吸光层；缓冲层为CdS，与铜铟镓硒形成异质结，使光生激子分离和输出；窗口层为ZnO；阴极为ZnO:Al；减反层为MgF2。
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