CN107768523A - 一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，其特征在于，所述太阳能电池的结构从下至上依次为：透明导电衬底1、P型钙钛矿薄膜2、N型钙钛矿薄膜3、抗反射层4、金属电极5。本发明的优点在于：（1）利用同质结钙钛矿薄膜构成太阳能电池充分发挥钙钛矿良好的光吸收性能，避免了载流子在输运过程中由于材料晶格不匹配而复合，提高了载流子迁移率；（2）利用抗反射层疏水增透的作用，一方面增加电池对太阳光的吸收，另一方面有效阻隔金属电极与钙钛矿薄膜之间的物理接触，防止界面电荷复合引发的能量和电荷损失，并有效阻隔空气中的水氧进入导致钙钛矿薄膜降解，从而提高钙钛矿薄膜太阳能电池的稳定性和光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于新能源领域，具体涉及一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
2009年，第一块基于有机无机杂化钙钛矿半导体材料的太阳能电池，实现了3.8%的光电转换效率，短短几年时间里，其转换效率已达到22.1%，因此，钙钛矿太阳能电池材料在2013年被Science期刊评为10大科学突破之一。目前，超过20%的认证效率都仅局限于小面积钙钛矿薄膜太阳能电池。对于大面积钙钛矿薄膜太阳能电池，最近，上海交通大学材料科学与工程学院金属复合材料国家重点实验室的韩礼元教授团队，他们在无溶液免真空条件下，制备出了有效面积为36.1平方厘米的大面积钙钛矿薄膜太阳能电池,并且其光电转换效率达到了12.1%。
理论计算表明，制造太阳能电池的材料能带宽度为1.4-1.5ev时，可以实现高效率的光电转换。传统硅的能带宽度为1.12ev，较为接近太阳能电池材料的最佳能带宽度，对于单晶硅来说，电子挣脱硅原子的束缚形成自由电荷所需的光子能量为1.1ev，而当这些电子到达电极进入电流回路中电压损失了0.4ev，这些优点使得硅太阳能电池商业化。但是，硅是间接带隙材料，且价格较高。钙钛矿太阳能电池具有与商业硅太阳能电池相似的高开路电压，在电子挣脱束缚进入电流回路的过程中，钙钛矿电池损失也为0.4ev，与硅太阳能电池损失相同。而钙钛矿为直接带隙半导体，且其禁带宽度为1.55ev，与制造太阳能电池材料的最佳能带宽度非常接近，其电导率和载流子迁移率高。不仅如此，钙钛矿材料因其消光系数高而具有良好的光吸收性能，很薄的厚度能吸收几乎全部的可见光用于光电转换，尤其在吸收蓝光和绿光上，明显强于硅电池。另外，钙钛矿来源于碱性岩或蚀变的辉石岩中，取之不尽，用之不竭，且其廉价，可溶液制备，能耗低，材料的制作过程简便，可用于大规模生产。但要实现市场化应用还面临许多问题，如电池器件的稳定性、光电转换效率以及钙钛矿材料对空气和水的耐受性等等。
发明内容
为了充分吸收太阳光并有效提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和光电转换效率，本发明提供了一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法，其特征在于，所述太阳能电池的结构从下至上依次为：透明导电衬底、P型钙钛矿薄膜、N型钙钛矿薄膜、抗反射层、金属电极。所述透明导电衬底是ITO导电玻璃或FTO导电玻璃或石墨烯或有机柔性透明导电塑料；所述钙钛矿薄膜是CH3NH3PbI3或CH3NH3PbBr3或CH3NH3PbCl3；所述抗反射层是二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；所述金属电极为金属银电极或铝电极；所述太阳能电池的制备过程包括以下步骤：首先，取一块干净的透明导电衬底，利用一步溶液法或两步溶液法或双源气相沉积法或气相辅助溶液法在透明导电衬底上依次沉积P型钙钛矿薄膜和N型钙钛矿薄膜；然后，利用化学气相沉积法或物理气相沉积法或溶胶凝胶法在N型钙钛矿薄膜表面沉积抗反射层；最后，利用真空蒸镀法或丝网印刷法在抗反射层表面和透明导电衬底上分别沉积金属正面和背面电极，即制得所述的钙钛矿薄膜太阳能电池。本发明的优点在于：（1）利用同质结钙钛矿薄膜构成太阳能电池能够充分发挥钙钛矿良好的光吸收性能，很薄的厚度能吸收几乎全部的可见光用于光电转换，尤其在吸收蓝光和绿光上，明显强于硅电池，再且，同质结太阳能电池能够避免载流子在输运过程中由于材料晶格不匹配而复合，提高了载流子迁移率；（2）利用抗反射层疏水增透的作用，一方面增加太阳能电池对太阳光的吸收，另一方面有效阻隔金属电极与钙钛矿薄膜之间的物理接触，防止界面电荷复合引发的能量和电荷损失，并且，抗反射层所具有的多孔致密的结构特点能够有效阻隔空气中的水氧进入导致钙钛矿薄膜降解。基于这些优点，因而本发明能够有效提高钙钛矿薄膜太阳能电池的稳定性和光电转换效率。
附图说明：
图1是本发明提供的一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池的层结构示意图。
附图1标号说明：
1－透明导电衬底；
2－P型钙钛矿薄膜；
3－N型钙钛矿薄膜；
4－抗反射层；
5－金属电极。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明内容不仅限于实施例中涉及的内容。
本发明按附图1所示结构，它包括从下至上依次分布的透明导电衬底1，P型钙钛矿薄膜2，N型钙钛矿薄膜3，抗反射层4，金属电极5。
实施例一：一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，按照以下步骤操作：
首先，取一块干净的FTO导电玻璃，利用气相辅助溶液法在FTO导电玻璃上依次沉积P型钙钛矿薄膜和N型钙钛矿薄膜；然后，利用化学气相沉积法在N型钙钛矿薄膜表面沉积二氧化硅薄膜；最后，利用丝网印刷法在二氧化硅薄膜表面和FTO导电玻璃上分别沉积金属铝电极，即制得所述的钙钛矿薄膜太阳能电池。
实施例二：
首先，取一块干净的ITO导电玻璃，利用双源气相沉积法在ITO导电玻璃上依次沉积P型钙钛矿薄膜和N型钙钛矿薄膜；然后，利用溶胶凝胶法在N型钙钛矿薄膜表面沉积氮化硅薄膜；最后，利用真空蒸镀法在氮化硅薄膜表面和ITO导电玻璃上分别沉积金属银电极，即制得所述的钙钛矿薄膜太阳能电池。
实施例三：
首先，取一块干净的有机柔性透明导电塑料，利用一步溶液法在有机柔性透明导电塑料上依次沉积P型钙钛矿薄膜和N型钙钛矿薄膜；然后，利用物理气相沉积法在N型钙钛矿薄膜表面沉积氮化硅薄膜；最后，利用丝网印刷法在氮化硅薄膜表面和有机柔性透明导电塑料上分别沉积金属铝电极，即制得所述的钙钛矿薄膜太阳能电池。
实施例四：
首先，取一块干净的石墨烯，利用两步溶液法在石墨烯上依次沉积P型钙钛矿薄膜和N型钙钛矿薄膜；然后，利用物理气相沉积法在N型钙钛矿薄膜表面沉积氮化硅薄膜；最后，利用真空蒸镀法在氮化硅薄膜表面和石墨烯上分别沉积金属银电极，即制得所述的钙钛矿薄膜太阳能电池。
Claims (5)
1.一种同质结钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池的结构从下至上依次为：透明导电衬底、P型钙钛矿薄膜、N型钙钛矿薄膜、抗反射层、金属电极。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述透明导电衬底是ITO导电玻璃或FTO导电玻璃或石墨烯或有机柔性透明导电塑料。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿薄膜是CH3NH3PbI3或CH3NH3PbBr3或CH3NH3PbCl3。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述抗反射层是二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
5.一种如权利要求书1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，首先，取一块干净的透明导电衬底，利用一步溶液法或两步溶液法或双源气相沉积法或气相辅助溶液法在透明导电衬底上依次沉积P型钙钛矿薄膜和N型钙钛矿薄膜；然后，利用化学气相沉积法或物理气相沉积法或溶胶凝胶法在N型钙钛矿薄膜表面沉积抗反射层；最后，利用真空蒸镀法或丝网印刷法在抗反射层表面和透明导电衬底上分别沉积金属正面和背面电极，即制得所述的钙钛矿薄膜太阳能电池。
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