CN108807689A - 一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法；通过引入光栅结构改变器件结构，将到达阴极界面的电磁场限制在阴极界面附近，使得阴极界面附近的电场强度增大，本征吸收增强，并且在有源层靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子，通过纳米粒子的局域震荡特性进一步将电磁场引入到有源层，实现电磁场强度以及载流子产生速率的再调节；经过合理设计的复合光栅结构设计，光栅的参数变化对其增强电池性能的影响较小，工艺容差大。器件界面的光栅具有可调节性，可以选择在衬底制备光栅结构并复制到整个器件中或者仅针对阴极层与电子传输层的界面设置光栅结构。

Description

一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别是一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池具有低成本，高能量转换效率的优势，被视作未来极具开发潜力的薄膜太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池的有源层材料对太阳光具有强吸收系数，导致有源层中电磁场强度迅速减弱，电磁场在有源层内分布不均匀。有源层内的电磁场分布不均会导致载流子产生速率不平衡：在入射光一侧载流子产生速率快，在背离入射光一侧载流子产生速率慢。载流子产生速率的不平衡会导致载流子分布不平衡，影响电子和空穴的迁移和扩散，进而影响钙钛矿太阳能电池的载流子收集效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过引入光栅结构改变器件结构，将到达阴极界面的电磁场限制在阴极界面附近，使得阴极界面附近的电场强度增大，本征吸收增强，并且在有源层一侧掺入纳米粒子，通过纳米粒子的局域震荡特性可以进一步将电磁场引入到有源层中，形成复合纳米光栅结构，实现了电磁场强度以及载流子产生速率的再调节。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，钙钛矿太阳能电池为多层复合结构，结构上从上至下分别包括了阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层、阳极层和衬底，阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层、阳极层和衬底中的一个或多个层级界面采用光栅结构设计，最终保证阴极层和空穴传输层界面形成光栅结构，有源层中靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子，纳米粒子折射率低于有源层的折射率。
其中，光栅结构的光栅周期为100-1000nm，光栅高度为30-300nm。
其中，光栅结构中的光栅具有周期性振幅变换。
优选的，衬底或有源层的界面采用光栅结构设计。
其中，纳米粒子为无机纳米粒子、惰性金属纳米粒子或金属和介质构成的核-壳结构的纳米粒子中的一种或几种混合。
其中，纳米粒子采用均匀分布或随机分布的方式掺入有源层，纳米粒子与空穴传输层的距离0-200nm。
优选的，纳米粒子的粒径为20nm-200nm。
其中，纳米粒子的形状为纳米球、纳米棒、纳米三角形或纳米方形中的一种或几种混合。
本发明同时还公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层，通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层和有源层；
步骤2：在有源层中靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子；
步骤3：在步骤2的有源层上通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层，蒸镀阴极层；
上述步骤中的空穴传输层与阴极层的界面采用光栅结构设计。
其中，步骤2中纳米粒子采用蒸镀退火直接在有源层上形成纳米粒子或刮涂的方法掺入纳米粒子。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过结构优化设计，引入光栅结构改变器件结构，将到达阴极界面的电磁场限制在阴极界面附近，使得阴极界面附近的电场强度增大，本征吸收增强，并且在有源层靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子，通过纳米粒子的局域震荡特性可以进一步将电磁场引入到有源层中，形成复合纳米光栅结构，实现了电磁场强度以及载流子产生速率的再调节，相较于电池器件中仅有单独光栅或单独纳米粒子的结构，这种复合纳米光栅结构对载流子产生速率的再调节效果不会因为光栅和粒子尺寸参数改变而发生急速的变化，工艺容差大。
2.经过合理设计的制备步骤，光栅结构参数具有较大的调节范围，在器件界面的光栅设置具有可调节性，可以选择在衬底制备光栅结构并复制到整个器件中或者仅针对阴极层和电子传输层的界面设置光栅结构，纳米粒子的掺入也可以相应选择蒸镀退火直接形成或刮涂的方式掺入有源层。
附图说明
图1为本发明实施例2中的结构示意图。
图2为本发明实施例3中的结构示意图。
图3为本发明实施例4中的结构示意图。
图4为传统的钙钛矿太阳能电池器件结构示意图。
主要部件符号说明：
1：阴极层，2：电子传输层，3：有源层，4：空穴传输层，5：阳极层，6：衬底，7：纳米粒子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本发明公开了一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，钙钛矿太阳能电池为多层复合结构，结构上从上至下分别包括了阴极层1、电子传输层2、有源层3、空穴传输层4、阳极层5和衬底6，阴极层1、电子传输层2、有源层3、空穴传输层4、阳极层5和衬底6中的一个或多个层级界面采用光栅结构设计，有源层3中靠近电子传输层2一侧掺入纳米粒子7，纳米粒子7折射率低于有源层3的折射率。
光栅结构的光栅周期为100-1000nm，光栅高度为30-300nm，光栅结构中的光栅具有周期性振幅变换。
纳米粒子7为无机纳米粒子、惰性金属纳米粒子或金属和介质构成的核-壳结构的纳米粒子中的一种或几种混合，纳米粒子7采用均匀分布或随机分布的方式掺入有源层3，纳米粒子7与空穴传输层4的距离0-200nm，纳米粒子7的粒径为20nm-200nm。
具体制备步骤如下：
步骤1：在衬底6通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层5，通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层4和有源层3；
步骤2：在有源层3中靠近电子传输层2一侧掺入纳米粒子7；
步骤3：在步骤2的有源层3上通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层2，蒸镀阴极层1；
上述步骤中的空穴传输层4与阴极层1的界面采用光栅结构设计
其中，步骤2中纳米粒子7采用蒸镀退火直接在有源层3上形成纳米粒子7或刮涂的方法掺入纳米粒子7。
实施例2
本实施例以实施例1为基础，其中，阴极层1、电子传输层2和有源层3的界面采用光栅结构设计，光栅结构为周期性正弦形光栅，光栅周期为100nm，光栅高度为30nm，纳米粒子7为球形无机硅纳米粒子，纳米粒子7采用溶胶凝胶法制备先行制备，粒径为20nm，纳米粒子7与空穴传输层4的距离0nm，即纳米离子7掺入空穴传输层4中，如图1所示，具体制备方法为：
步骤1：在衬底6上通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层5通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层4和有源层3；
步骤2：在有源层3中靠近电子传输层2一侧通过刮涂方法掺入纳米粒子7；
步骤3：在步骤2的有源层3上通过纳米压印、全息曝光或光刻的方法制备出光栅结构，通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层2，蒸镀阴极层1。
实施例3
本实施例与实施例2中钙钛矿太阳能电池的层级设计及其制备方法相同，其中光栅结构为周期性矩形光栅，光栅周期为500nm，光栅高度为150nm，纳米粒子7为三角形银纳米粒子，粒径为70nm，纳米粒子7与空穴传输层4的距离100nm，如图2所示，具体制备方法为：
步骤1：在衬底6上通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层5通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层4和有源层3；
步骤2：在有源层3中靠近电子传输层2一侧，通过蒸镀银薄膜，退火直接形成三角形银纳米粒子；
步骤3：在步骤2的有源层3上通过纳米压印、全息曝光或光刻的方法制备出光栅结构，通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层2，蒸镀阴极层1。
实施例4
本实施例以实施例1为基础，其中，衬底6界面采用光栅结构设计，光栅结构为周期性正弦形光栅，光栅周期为1000nm，光栅高度为300nm，纳米粒子7为具有核壳结构的二氧化硅包纳米金球粒子，其中纳米金球粒子采用化学还原法合成，并通过溶胶凝胶法在纳米金球粒子表面包裹二氧化硅层，纳米粒子7的粒径为200nm，纳米粒子7与空穴传输层4的距离200nm，如图3所示，具体制备方法为：
步骤1：在衬底6上通过纳米压印、全息曝光或光刻的方法制备出光栅结构，通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层5通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层4和有源层3；
步骤2：在有源层3中靠近电子传输层2一侧，通过刮涂方法掺入纳米粒子7；
步骤3：在步骤2的有源层3上通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层2，蒸镀阴极层1；
通过在衬底6上纳米压印光栅结构，以此为基础的上层结构可以完全复制衬底6上的光栅形貌,使光栅结构贯穿在整个器件结构中。
实施例5
实验对比：本实施例以实施例2、3、4所设计的钙钛矿太阳能电池为实验对象，比传统的钙钛矿太阳能电池为对比，传统的钙钛矿太阳能电池结构如图4所示，进行以下计算：红光反射率、红光本征吸收率、短路电流、光电转换效率，各组项目的检测方法均参照标准方法，此处不再赘述。
注：上述实验中各组钙钛矿太阳能电池的器件层级厚度均控制一致，有源层有效厚度一致。
从上表中可以分析得出：实施例2、3、4所设计的钙钛矿太阳能电池对红光具有明显的吸收增强作用，与传统钙钛矿太阳能电池相比，实施例2、3、4中器件的钙钛矿材料对红光的吸收率提升了9.3%-19%，光电转换效率提升了5.8%-7.7%。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池为多层复合结构，结构上从上至下分别包括了阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层、阳极层和衬底，其特征在于，所述阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层、阳极层和衬底中的一个或多个层级界面采用光栅结构设计，所述有源层中靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子，所述纳米粒子折射率低于有源层的折射率。
2.如权利要求1所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述光栅结构的光栅周期为100-1000nm，光栅高度为30-300nm。
3.如权利要求2所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述光栅结构中的光栅具有周期性振幅变换。
4.如权利要求3所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述阴极层与电子传输层界面采用光栅结构设计。
5.如权利要求1所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述纳米粒子为无机纳米粒子、惰性金属纳米粒子或金属和介质构成的核-壳结构的纳米粒子中的一种或几种混合。
6.如权利要求5所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述纳米粒子采用均匀分布或随机分布的方式掺入有源层，纳米粒子与空穴传输层的距离0-200nm。
7.如权利要求6所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述纳米粒子的粒径为20-200nm。
8.如权力要求5所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述纳米粒子的形状为纳米球、纳米棒、纳米三角形或纳米方形中的一种或几种混合。
9.一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于制备权利要求1-8所述任一种钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：
步骤1：在衬底通过蒸镀或溅射的方法制备半透明阳极层，通过蒸镀或刮涂的方法依次制备空穴传输层和有源层；
步骤2：在有源层中靠近电子传输层一侧掺入纳米粒子；
步骤3：在步骤2的有源层上通过蒸镀或刮涂的方法依次制备电子传输层，蒸镀阴极层；
上述步骤中的空穴传输层与阴极层的界面采用光栅结构设计。
10.如权利要求9所述一种含有复合纳米光栅的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2中纳米粒子采用蒸镀退火直接在有源层上形成纳米粒子或刮涂的方法掺入纳米粒子。
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