CN106252513A - 基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法,该电池包括基底、在所述基底上形成的绒面金属背反射层、在绒面金属背反射层上形成的电子传输层、在电子传输层上形成的钙钛矿吸收层、在钙钛矿吸收层上形成的空穴传输层、在空穴传输层上形成的具有减反射性能的透明导电前电极;太阳光从透明导电前电极方向入射,穿过透明导电前电极,到达电池底部的光被绒面金属背反射层的绒面以一定的角度反射回电池内部,延长光在钙钛矿吸收层内的吸收光程从而实现对光管理。本发明电池不仅结构简单,且能显著提升电池的光学吸收。

Description

基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于钛矿太阳电池技术领域,具体涉及一种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着全球生态环境和能源短缺问题的日益严峻,清洁可再生的太阳能光伏发电受到各国的普遍重视。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。经过短短几年的发展,其器件效率便从3.8%提升到22%,并且以月为单位不断刷新。钙钛矿太阳电池受到全世界光伏领域高度关注的原因,除了它在短时间内达到第一代晶体硅电池的高效率水平,更重要的是其低成本的制备方法,这为低迷中的光伏行业带来了曙光。在现有技术基础上,进一步提高效率和降低成本并推进其产业化,实现环境友好,是其必然的发展趋势。
[0003]传统结构钙钛矿太阳电池由透明导电玻璃(平面)、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属对电极构成,光从玻璃表面入射,吸收层厚度介于300-500nm之间。|丐钛矿吸收层的主要成分为CH3NH3PbX3,其中X为1、Br或Cl中的一种或两种。
[0004]目前,高效钙钛矿太阳电池的吸收层中无一例外地使用了重金属元素Pb,当实现大规模市场化应用时,势必会对环境造成影响,并增加回收成本。虽然有科研机构研究采用Sn取代Pb,但电池效率却非常不理想。
[0005]为了降低对环境的影响,另一个可行的办法是在电池制备中尽量减少Pb的使用量,即减薄吸收层的厚度,实现超薄钙钛矿太阳电池(吸收层厚度50-150nm)。但在传统结构钙钛矿太阳电池中,由于光在电池中传播时没有散射效果,并且玻璃表面存在10%左右的反射损失,因此当大幅减小吸收层的厚度时,电池的光学吸收也会急剧下降,从而显著降低电池效率。
发明内容
[0006]本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池及其制备方法,该钙钛矿太阳电池不仅结构简单,而且能显著提升电池的光学吸收。
[0007]为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0008] —种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池,包括基底、在所述基底上形成的绒面金属背反射层、在绒面金属背反射层上形成的电子传输层、在电子传输层上形成的钙钛矿吸收层、在钙钛矿吸收层上形成的空穴传输层、在空穴传输层上形成的具有减反射性能的透明导电前电极;太阳光从透明导电前电极方向入射,穿过透明导电前电极,到达电池底部的光被绒面金属背反射层的绒面以一定的角度反射回电池内部,延长光在钙钛矿吸收层内的吸收光程从而实现对光管理。
[0009]所述绒面金属背反射层的绒面形貌粗糙度介于20-200nm,横向特征尺寸10-2000nm。
[0010]所述绒面金属背反射层为Au、Ag或Al中的一种或者两种的合金。
[0011]本发明中,所述绒面金属背反射层可以通过采用绒面基底,将绒面形貌传导给金属背反射层而形成;或者采用平面基底,直接在背反射层上形成绒面形貌;或者采用大特征尺寸绒面基底,在基底上继续沉积小尺寸绒面金属背反射层,从而形成绒面形貌特征尺寸广域分布的绒面金属背反射层。
[0012] 所述电子传输层为Al掺杂氧化锌AZO,Al原子分数介于0.1-5%。
[0013] 所述钙钛矿吸收层为CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI (3-x)Clx中的一种。
[0014] 所述空穴传输层为Spiro-OMe TAD、P3HT、PTAA中的至少一种。
[0015]所述透明导电前电极为透明导电膜氧化铟锡ΙΤ0。
[0016]所述基底是柔性或刚性基底。
[0017]本发明的目的还在于提供一种基于绒面光管理结构钙钛矿太阳电池的制备方法,包括如下步骤:
[0018] (I)基底清洗;
[0019] (2)在基底上顺序沉积绒面金属背反射层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、透明导电前电极;
[0020]其中,所述绒面金属背反射层采用直流磁控溅射沉积方法沉积在基底上;
[0021 ]所述电子传输层采用射频磁控溅射方法沉积在绒面金属背反射层上;
[0022]所述钙钛矿吸收层采用有机-无机源共蒸发的方法或两步顺序真空沉积后退火的方法沉积在电子传输层上;
[0023]所述空穴传输层采用真空蒸镀或旋涂的方法沉积在钙钛矿吸收层上;
[0024]所述透明导电前电极采用热蒸发、电子束蒸发或射频磁控溅射的方法沉积在空穴传输层上。
[0025]其中,采用脉冲直流磁控溅射的方法在基底上沉积绒面金属背反射层的厚度为100-500nm,沉积温度为100-400°C,溅射Ar气压为0.1-10Pa,溅射功率为50-300W;
[0026]采用射频磁控溅射的方法将电子传输层AZO沉积于绒面金属背反射层上的厚度为20-200nm,沉积温度为0-400°C,溅射Ar气压为0.l-10Pa,溅射功率为100-300W,膜层方块电阻为5-200 Ω /□;
[0027]所述钛矿吸收层的厚度为50-150nm,所述空穴传输层的厚度为1-1OOnm,所述透明导电前电极厚度为20-200nm,方块电阻为5-100 Ω/□,
[0028]本发明钙钛矿太阳电池中,光从透明导电前电极方向入射,光直接入射到电池的透明导电前电极上,前电极没有基底遮挡,因此可以消除基底寄生吸收损失及基底的表面反射损失;通过调控透明导电前电极的厚度,还可以实现电池前电极的减反功能,能使更多的光进入电池内部,再加上绒面金属背反射层的高反射高散射特性能使到达电池底部的光以一定的角度反射回电池内部,延长光在吸收层内的吸收光程,从而能使更多的光进入电池内部并被吸收层充分吸收。具有减反效果的透明导电前电极与具有高反射高散射特性的绒面金属背反射层共同作用形成的光管理结构,使得本发明钙钛矿太阳电池的Pb含量只有常规结构钙钛矿太阳电池的1/5-1/3,能大幅降低对环境的影响,但电池的光学吸收并不会下降。
[0029]且本发明由于采用基底-绒面金属背反射层一电子传输层-钙钛矿吸收层-空穴传输层-透明导电前电极的层结构,使得该钙钛矿太阳电池不仅结构简单,制作相对简单。
附图说明
[0030]图1出示了本发明的一种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
[0031]下面,结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明,但本发明并不局限于所列的实施例。
[0032] 实施例1
[0033]参见图1所示,一种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池,包括:
[0034]基底I;绒面金属背反射层2;电子传输层3;钙钛矿吸收层4;空穴传输层5;透明导电前电极6,入射太阳光7从透明导电前电极6方向入射;
[0035]该实施例1中,基底I采用不锈钢基底,绒面金属背反射层2采用Ag,电子传输层3采用ΑΖ0,钙钛矿吸收层4采用CH3NH3PbI3,空穴传输层5采用Spiro-OMeTAD,透明导电前电极6采用ΙΤ0。
[0036] 其制备过程包括如下步骤:
[0037]基底清洗:首先将不锈钢基底置于含电子清洗液的清洗槽中超声振荡清洗,水温40-100°C,清洗时间30-100min;而后将不锈钢基底移至不加任何清洗剂的去离子水槽中,作进一步超声振荡清洗,水温40-100 °C,清洗时间30-100min;清洗完成后,使用氮气枪吹干。
[0038]采用脉冲直流磁控溅射的方法在基底上沉积金属背反射层Ag:基底温度100-4000C,溅射气压1-1OPa,溅射功率50-300W,Ag膜厚度50_300nm;通过调控温度和沉积时间,控制Ag膜的粗糙度,粗糙度为20-100nm,绒面形貌横向特征尺寸为50-1000nmo
[0039]采用射频磁控溅射的方法在Ag膜上沉积电子传输层ΑΖ0:基底温度200-400°C,溅射Ar气压0.Ι-lPa,溅射功率200-400W,膜厚50-200nm,方块电阻为10-200 Ω/□,ΑΖ0中Al原子分数为1-2%。
[0040]采用两步顺序真空沉积的方法在电子传输层上沉积CH3NH3PbI3吸收层:首先在真空环境下热蒸发PbI2粉末,电流10-100A,沉积时间5-20min;而后热蒸发CH3NH3I粉末,电流10-100A,沉积时间5-20min;取出后在加热板上退火形成钙钛矿吸收层,退火温度50-200°C,膜厚50-150nmo
[0041 ]采用旋涂的方法在钙钛矿吸收层上沉积空穴传输层Spiro-OMeTAD:转速1000-2000rpm,膜层厚度 10-100nm。
[0042]采用热蒸发铟锡合金的方法在空穴传输层上沉积ΙΤ0:温度100-400°C,氧气压
0.l-10Pa,膜层厚度50-200nm,方块电阻为10-80 Ω/□。
[0043] 实施例2:
[0044]本实施例与实施例1的不同之处在于:
[0045]在步骤(I)中所述不锈钢基底表面带有绒面形貌,横向特征尺寸为1_2μπι,基底绒面形貌会传导给后续膜层;在步骤(2)中沉积Ag膜时温度为常温,所形成的Ag膜不会发生结晶形成粗糙表面,因此其绒面形貌特征尺寸与基底的绒面形貌一致。
[0046] 实施例3:
[0047]本实施例与实施例2的不同之处在于:
[0048]在步骤⑵中沉积Ag膜时采用加温溅射,温度为100-400°C,Ag膜自身会形成特征尺寸为50-1000nm的绒面形貌;此外,基底的大尺寸绒面形貌会传导给Ag膜,最终Ag膜会形成特征尺寸广泛分布(50_2000nm)的绒面形貌。
[0049]以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池,其特征在于,包括基底、在所述基底上形成的绒面金属背反射层、在绒面金属背反射层上形成的电子传输层、在电子传输层上形成的钙钛矿吸收层、在钙钛矿吸收层上形成的空穴传输层、在空穴传输层上形成的具有减反射性能的透明导电前电极;太阳光从透明导电前电极方向入射,穿过透明导电前电极,到达电池底部的光被绒面金属背反射层的绒面以一定的角度反射回电池内部,延长光在钙钛矿吸收层内的吸收光程从而实现对光管理。
2.根据权利要求1所述基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述绒面金属背反射层的绒面形貌粗糙度介于20-200nm,横向特征尺寸10-2000nmo
3.根据权利要求1或2所述基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述绒面金属背反射层为Au、Ag或Al中的一种或者两种的合金。
4.根据权利要求1所述的基于绒面光管理结构钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述电子传输层为Al掺杂氧化锌AZO,Al原子分数介于0.1-5%。
5.根据权利要求1所述的基于绒面光管理结构钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述钙钛矿吸收层为 CH3NH3PbI3 和 CH3NH3PbI (3—X)C1X 中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于绒面光管理结构钙钛矿太阳电池其特征在于,所述空穴传输层为Spiro-0MeTAD、P3HT、PTAA中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的基于绒面光管理结构钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述透明导电前电极为透明导电膜氧化铟锡ΙΤ0。
8.根据权利要求1所述基于绒面光管理结构的钙钛矿太阳电池,其特征在于,所述基底是柔性或刚性基底。
9.一种基于绒面光管理结构钙钛矿太阳电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: (1)基底清洗; (2)在基底上顺序沉积绒面金属背反射层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、透明导电前电极; 其中,所述绒面金属背反射层采用直流磁控溅射沉积方法沉积在基底上; 所述电子传输层采用射频磁控溅射方法沉积在绒面金属背反射层上; 所述钙钛矿吸收层采用有机-无机源共蒸发的方法或两步顺序真空沉积后退火的方法沉积在电子传输层上; 所述空穴传输层采用真空蒸镀或旋涂的方法沉积在钙钛矿吸收层上; 所述透明导电前电极采用热蒸发、电子束蒸发或射频磁控溅射的方法沉积在空穴传输层上。
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