CN106784146A - 一种甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗叠层薄膜电池组装技术 - Google Patents
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Abstract
本发明属于叠层电池组装技术，特别涉及一种甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装技术，电池结构依次包括甲胺铅碘前子电池、可调带隙非晶硅锗后子电池以及两电池间的空气隔层；所述前子电池光吸收层材料为钙钛矿结构的CH3NH3PbI3，后子电池为可调带隙的非晶硅锗合金材料。采用这该种子电池具有可调带隙的叠层电池结构，可以实现各电池之间能带的匹配，改善光生载流子的传输效率，拓展了太阳光谱吸收范围。该种电池还采用了四终端的电池结构，避免了子电池间电流的匹配，从而构造出高性能的叠层电池。本发明还公开了一种四终端叠层电池的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于叠层太阳能电池领域特别涉及一种甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装技术。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新兴的固态薄膜电池，从2009年诞生至今效率已从当初的3.8％提升至22.1％，是一种极具发展前景的新型太阳能电池，其具有制备简单和成本低廉的特点，但也具有单层电池所具有的通病：带隙单一，对于太阳光这种拥有较宽能量分布的光来说只能将高于其禁带宽度一定范围内的光子转化为电能，其他高于其带隙的能量会以热的形式释放掉，而低于其带隙能量的光子一般不会激发产生电子-空穴对，从而白白浪费掉了许多太阳光能量。于是人们设计出了叠层电池，这种叠层电池具有一个带隙较大的顶电池、中间层和窄带隙的底电池组成，通过这种宽窄带隙电池的搭配，可以使波长较短的光被宽带隙顶电池吸收，而波长较长的光被带隙较窄的底电池吸收，从而可以最大程度上将光能转换为电能。
将制备方法简单的钙钛矿电池和技术成熟的非晶硅锗电池组合成叠层电池被认为是一种具有很大发展潜力的新型太阳能电池制备技术；而现在的叠层电池多为串联结构，需要两结电池具有良好的电流匹配，故一种四终端的叠层电池被设计出来。这种电池结构简单，大大拓宽了光吸收范围，且无需子电池之间的电流匹配，因此，降低了成本的同时容易获得更高的光电转换效率。
在叠层电池中顶电池与底电池之间的带隙搭配尤为重要，通过合理的带隙搭配，可以拓展太阳光谱吸收范围，实现更高效的光生载流子传递过程，减少复合现象的发生，所以可调带隙的光吸收层材料成为了研究的关键点，通过调节叠层电池中一层或多层的带隙宽度从而研究对电池整体的影响，最终找出最优的带隙搭配。
非晶硅锗合金是一种锗掺杂的非晶硅半导体材料，纯相非晶硅的禁带宽度一般在1.7±0.05eV，锗是一种原子半径比碳大的元素，由半导体第一性原理可知这种掺杂会减小非晶硅禁带宽度的大小，掺杂后的硅锗合金带隙约为1.25eV。
发明内容
本发明的目的在于克服以上不足，采用一种较为简单的方法制备出甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层电池的方法，叠层电池的结构为：电极、电子传输层、甲胺铅碘光吸收层、空穴传输层、ITO、空气层、电极、p-a-SiC:H、i-a-SiGe:H、n:a-Si:H、基底，提高了电池效率，为开发高性能的叠层电池提供了一种新思路。
为了克服已经存在的技术不足，本发明的技术方案为：
一种基于四终端可调带隙的甲胺铅碘/非晶硅叠层薄膜电池，包括电极、电子传输层、甲胺铅碘光吸收层、空穴传输层、ITO、空气层、电极、p型非晶硅锗、本征非晶硅锗、n型非晶硅锗、基底。本发明首次提出了具有甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装技术。解决了叠层电池之间能带匹配问题，同时采用四终端结构简化了叠层电池的制备工艺。通过旋涂法制备了甲胺铅碘光吸收层，且其厚度为300-400nm之间。常用无机电子传输材料有TiO2、ZnO、SnO2等，有机电子传输材料有PCBM等，通过旋涂法制备的PCBM电子传输层厚度为30-100nm，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，常用的有机空穴传输层材料有PEDOT:PSS、spiro-OMeTAD、P3HT等，无机空穴传输层材料有CuI、CuSCN、NiO等，通过旋涂的PEDOT:PSS空穴传输层厚度为200nm左右，通过旋涂法制备的BCP电极修饰层厚度为8nm，通过真空蒸镀法制备的Ag电极厚度约为10-20nm；同时采用PECVD在金属衬底上制备出p-i-n型的可调带隙非晶硅锗薄膜子电池。
基于具有甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装步骤：1、以ITO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备空穴传输层；3、制备可调带隙的甲胺铅碘层薄膜；4、制备电子传输层；5在电子传输层上制备金属电极修饰层；6、在修饰层上制备金属电极；7、使用RF-PECVD制备非晶硅锗子电池；8、将钙钛矿电池与非晶硅锗电池进行组装。
甲胺铅碘光吸收层制备方法：
将碘化铅溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上70℃加热搅拌12h。将退火后的基片放入手套箱内，然后置于匀胶机上以4000rpm均匀旋涂碘化铅与溴化铅的混合前驱体溶液，重启匀胶机在相同的转速下滴加一滴一定浓度的碘甲胺溶液，最后将涂好的基片放置到加热板上100℃退火10min。
非晶硅锗子电池的制备方法：
直接采用PECVD的方法依次沉积上p-a-SiC:H、i-a-SiGe:H、n:a-Si:H薄膜即可。
本发明的有益效果:本发明属于叠层太阳能电池领域，特别涉及一种具有甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装技术。通过使用两步法制备可调带隙的甲胺铅碘吸光层，再与可调带隙的非晶硅锗电池组装形成完整电池。通过调节非晶硅锗太阳能电池的带隙宽度，使之与甲胺铅碘太阳能电池带隙相匹配，通过制备具有甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池，优化了各子电池之间能带的配合，优化了电池的制备流程，同时也保留了叠层电池光吸收范围广的优势，可以更为容易的获得高的能量转换效率。本发明的制备技术与传统单结钙钛矿电池相比，能量转换效率高，与传统叠层太阳能电池相比，工艺简单、易操作，比较适合大批量工业生产。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的电池结构图。
Claims (9)
1.一种甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装技术，其制备步骤如下：1、以ITO玻璃作为窗口层进行部分刻蚀；2、制备空穴传输层；3、制备甲胺铅碘层薄膜；4、制备电子传输层；5在电子传输层上制备金属电极修饰层；6、在电极修饰层上制备金属电极；7将制备好的甲胺铅碘子电池与可调带隙p-i-n型非晶硅锗子电池进行组装，从而获得叠层电池。
2.如权利要求1一种具有甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装技术，其制备方法如下：
(1)将ITO玻璃切成16.5mm宽的长条，紧接着沿玻璃条长边贴上宽为10mm的透明胶带，然后用锌粉以及盐酸与水体积比为1:5的混合溶液对玻璃条上未粘胶条部分刻蚀15分钟，用稀盐酸清洗剩下的锌粉，将刻蚀完成的ITO玻璃切成16.5*17.5mm大小的玻璃片，先用碱液超声清洗30~60min，再用体积比为1:1的无水乙醇与水的混合溶液超声清洗30min，清洗完毕放入干燥箱内烘干备用。
3.(2)将匀胶机设为转速5000rpm、加速度3500rpm/min的工作模式，将PEDOT:PSS均匀旋涂在刻蚀好的ITO玻璃表面，然后置于加热板上135℃退火10~15min。
4.(3)将碘化铅溶于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后置于磁力搅拌器上70℃加热搅拌12h。
5.(4)在上述(2)的条件下，将退火后的基片放入手套箱内，然后置于匀胶机上以4000rpm均匀旋涂碘化铅与溴化铅的混合前驱体溶液，重启匀胶机在相同的转速下滴加一滴一定浓度的碘甲胺溶液，最后将涂好的基片放置到加热板上100℃退火10min。
6.(5)在上述(4)的条件下，旋涂浓度为15-20mg/ml的PCBM的氯苯溶液，最后旋涂BCP（浴铜灵）的乙醇溶液，将制备好的样品取出，用真空热蒸发镀膜仪蒸镀金属电极，其中电极厚度为10—20nm。
7.(6)采用RF-PECVD（射频等离子体增强化学气相沉积）在清洗好的基片上依次PECVD等薄膜生长技术一次沉积生长上p、i、n三种非晶硅锗薄膜，其中沉积本征非晶硅锗层时选取不同的硅烷气体浓度，以调节非晶硅锗合金薄膜带隙。
8.(7)将之前制备完成的甲胺铅碘电池和非晶硅锗电池进行组装，形成完整的叠层电池。
9.如权利要求1所述的一种具有甲胺铅碘/可调带隙非晶硅锗四终端叠层薄膜电池组装方法，制备了四终端叠层电池，且拥有良好的光电性能。
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