CN108847446B - 基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池及其制备方法 - Google Patents

基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池及其制备方法，本发明的太阳电池从照光面开始依次是透明衬底、光子发射极层、介电层、透明电子传输层、三维钙钛矿光子接收极层、空穴传输层、金属电极层，其中光子发射极层是由氧化锌的孔洞阵列和填充在其孔洞中的二维钙钛矿材料组成，且氧化锌的孔洞为通孔，二维钙钛矿材料的等效禁带宽度大于光子接收极的禁带宽度，介电层厚度小于光子发射极层所发射光子的波长。本发明利用二维钙钛矿的热声子瓶颈效应和量子限域效应作为热载流子吸收层高效发射光子，将太阳光谱定向优化调制，实现了通过近场光学耦合的方式利用热载流子的太阳电池结构。

Description

基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池及其制 备方法
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，尤其涉及一种基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池及其制备方法。
背景技术
热载流子热化是太阳电池效率损耗的主要来源之一，如果能够捕获热载流子，则可以降低此损失，有效增加太阳电池能量转换效率。很多低维半导体材料包括二维有机无机杂化钙钛矿材料中已经观察到热声子瓶颈效应，利用此效应可以有效减缓热载流子的冷却过程，但是如何抽取热载流子实现热载流子电池一直是科学难题。以往的热载流子电池设计都是通过电学耦合来抽取热载流子，但是具有较长热载流子弛豫时间的材料往往导电性能很差，不足以有效导出载流子成为电耦合抽取热载流子方案的难以逾越的障碍。
发明内容
本发明目的为：为了克服现有技术中的不足，针对热载流子电池设计中电耦合的缺陷，提出了一种基于近场光耦合的方法抽取热载流子的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，从照光面开始依次是透明衬底、光子发射极层、介电层、透明电子传输层、三维钙钛矿光子接收极层、空穴传输层、金属电极层。所述光子发射极层由氧化锌的孔洞阵列和填充在所述氧化锌的孔洞阵列孔洞中的二维钙钛矿材料组成。所述孔洞为通孔，其孔洞直径为100nm～50um，深度为10～1000nm，间距为50nm～10um。所述二维钙钛矿材料的等效禁带宽度大于光子接收极的禁带宽度，所述的介电层厚度小于光子发射极层所发射光子的波长。
进一步优化的，二维钙钛矿材料是通过热注入法填充在氧化锌的孔洞中。
进一步优化的，介电层为二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜厚度为5nm～1um。
进一步优化的，空穴传输层为spiro-OMeTAD。
进一步优化的，透明衬底为高透光率玻璃，且平均透光率不低于85％。
进一步优化的，金属电极层为厚度为5nm到1um的金薄膜。
如上所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备光子发射极层：首先采用原子层沉积法在透明衬底上制备氧化锌薄膜，再在薄膜上用激光打孔并控制打孔深度为氧化锌薄膜厚度；然后，采用热注入方法使孔洞中填充二维钙钛矿材料；
(2)制备介电层：在步骤(1)制得的光子发射极层表面采用原子层沉积法制备二氧化硅薄膜；
(3)制备透明电子传输层：在步骤(2)制得的介电层表面采用磁控溅射法沉积二氧化钛薄膜；
(4)制备三维钙钛矿光子接收极层：将溶有碘化铅、碘化甲脒和碘化铯的DMF和DMSO的混合溶液旋涂在步骤(3)制得的透明电子传输层表面，然后烘干；
(5)制备空穴传输层：将空穴传输层溶液旋涂在步骤(4)制得的三维钙钛矿光子接收极层表面，然后烘干制得；所述空穴传输层溶液是spiro-OMeTAD的氯苯溶液、锂盐的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶的均匀混合制得。
(6)制备金属电极层：采用蒸发法，在步骤(5)制得的空穴传输层表面沉积金薄膜。
本发明所取得的有益的技术效果有：1)以孔洞阵列作为中心区域场增强共振腔可以使得光子发射极定向发射光子的效率增加；在此基础上进一步控制ZnO孔洞直径为100nm～50um，深度为10～1000nm，间距为50nm～10um，则进一步增加光子发射极定向发射光子的效率。2)以具有热声子瓶颈效应和量子限域效应的二维钙钛矿材料作为热载流子吸收层高效发射光子，将太阳光谱定向优化调制。3)厚度为5nm到1um的氧化物介电层中的强场效应可以增大Purcell因子，阻挡热载流子的电学传递损耗，使能量在光子发射极与接收极之间以近场光学耦合的方式传递，要求是必须小于入射光波长300-1000nm。4)本发明提出了一种可实现的通过近场光学耦合的方式利用热载流子的太阳电池结构，为实现高效太阳电池提供了一种新途径。
附图说明
图1为本发明的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池的结构示意图。
图中的附图标记如下：
1.透明衬底，2.光子发射极层，3.介电层，4.透明电子传输层，5.三维钙钛矿光子接收极层，6.空穴传输层，7.金属电极层。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
实施例1：
一种基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，从照光面开始依次是：透明衬底、光子发射极层、二氧化硅介电层、二氧化钛透明电子传输层、三维钙钛矿光子接收极层、空穴传输层、金属电极层。其制备方法包括如下步骤：
(1)制备光子发射极层：以平均透光率为85％的高透光率玻璃作为透明衬底，然后采用原子层沉积(ALD)法在衬底上沉积10nm厚的ZnO薄膜，再在ZnO薄膜上用激光打孔，制得基片，并控制打孔深度为氧化锌薄膜厚度(即刚好打穿ZnO薄膜)，孔直径50um，孔间间距为10um；然后以(BA)2(MA)3Pb4I13二维钙钛矿薄膜作为微孔洞填充材料，具体的将0.0402g的BAI、0.0477g的MAI、0.1844g的PbI2溶解到1mLDMSO溶剂中，充分溶解并均匀分散后制得混合溶液，再将混合溶液加热到80℃，基片加热到100℃，之后使用热注入的方法逐一向孔洞里注入混合溶液，溶剂挥发之后即形成填充在孔洞中的(BA)2(MA)3Pb4I13二维钙钛矿材料。
(2)制备介电层：在步骤(1)制得的光子发射极层表面采用原子层沉积(ALD)法制备二氧化硅薄膜，厚度约为500nm。
(3)制备透明电子传输层：在步骤(2)制得的介电层表面采用磁控溅射发沉积二氧化钛薄膜。
(4)制备三维钙钛矿光子接收极层：以Cs0.1FA0.9PbI3作为三维钙钛矿层，具体的，将碘化铅1.3mmol，FAI碘化甲脒1.17mmol，碘化铯0.13mmol加到到1mL的DMF和DMSO的混合溶液中，经充分溶解分散后制得混合溶液，其中DMF与DMSO的体积比为4:1，然后通过旋涂法将混合溶液旋涂在步骤(3)制得的透明电子传输层表面，经烘干后制得Cs0.1FA0.9PbI3三维钙钛矿光子接收极层，旋涂的速度为4000转每分钟。
(5)制备空穴传输层：将制备空穴传输层，首先需配制空穴传输层溶液，预先称取520mg的锂盐溶于1mL的乙腈中，搅拌均匀。另取干净的溶液瓶，称取72.3mg的spiro-OMeTAD溶于1mL氯苯中，加入28.8μL的4-叔丁基吡啶和17.5μL的锂盐溶液，过夜搅拌，空穴传输层溶液配制完成。将其旋涂在步骤(4)制得的三维钙钛矿光子接收极层表面，经烘干后制得空穴传输层，旋涂速度为5000转每分钟。
(6)制备金属电极层：采用蒸发法，在步骤(5)制得的空穴传输层表面沉积一层金薄膜作为金属电极层，金薄膜厚度为80nm。
实施例2
一种基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，从照光面开始依次是：透明衬底、光子发射极层、二氧化硅介电层、二氧化钛透明电子传输层、三维钙钛矿光子接收极层、空穴传输层、金属电极层。其制备方法包括如下步骤：
(1)制备光子发射极层：以平均透光率为85％的高透光率玻璃作为透明衬底，然后采用原子层沉积(ALD)法在衬底上沉积10nm厚的ZnO薄膜，再在ZnO薄膜上用激光打孔，制得基片，并控制打孔深度为氧化锌薄膜厚度(即刚好打穿ZnO薄膜)，孔直径50um，孔间间距为500nm；然后以(PEA)2(MA)2Pb3I10二维钙钛矿薄膜作为微孔洞填充材料，具体的将0.144g的PEAI、0.092g的MAI、0.400g的PbI2溶解到1mLDMSO溶剂中，充分溶解并均匀分散后制得混合溶液，再将混合溶液加热到80℃，基片加热到100℃，之后使用热注入的方法逐一向孔洞里注入混合溶液，溶剂挥发之后即形成填充在孔洞中的(PEA)2(MA)2Pb3I10二维钙钛矿材料。
(2)制备介电层：在步骤(1)制得的光子发射极层表面采用原子层沉积(ALD)法制备二氧化硅薄膜，厚度约为1um。
(3)制备透明电子传输层：在步骤(2)制得的介电层表面采用磁控溅射发沉积二氧化钛薄膜。
(4)制备三维钙钛矿光子接收极层：以Cs0.1FA0.9PbI3作为三维钙钛矿层，具体的，将碘化铅1.3mmol，FAI碘化甲脒1.17mmol，碘化铯0.13mmol加到到1mL的DMF和DMSO的混合溶液中，经充分溶解分散后制得混合溶液，其中DMF与DMSO的体积比为4:1，然后通过旋涂法将混合溶液旋涂在步骤(3)制得的透明电子传输层表面，经烘干后制得Cs0.1FA0.9PbI3三维钙钛矿光子接收极层，旋涂的速度为4000转每分钟。
(5)制备空穴传输层：将制备空穴传输层，首先需配制空穴传输层溶液，预先称取520mg的锂盐溶于1mL的乙腈中，搅拌均匀。另取干净的溶液瓶，称取72.3mg的spiro-OMeTAD溶于1mL氯苯中，加入28.8μL的4-叔丁基吡啶和17.5μL的锂盐溶液，过夜搅拌，空穴传输层溶液配制完成。将其旋涂在步骤(4)制得的三维钙钛矿光子接收极层表面，经烘干后制得空穴传输层，旋涂速度为5000转每分钟。
(6)制备金属电极层：采用蒸发法，在步骤(5)制得的空穴传输层表面沉积一层金薄膜作为金属电极层，金薄膜厚度为80nm。

Claims (7)

1.一种基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述太阳电池从照光面开始依次是透明衬底、光子发射极层、介电层、透明电子传输层、三维钙钛矿光子接收极层、空穴传输层、金属电极层；所述光子发射极层由氧化锌微孔洞阵列和填充在所述氧化锌的孔洞阵列孔洞中的二维钙钛矿材料组成；所述孔洞为通孔，其直径为100nm~50um，深度为10~1000nm，间距为50nm~10um；所述二维钙钛矿材料的等效禁带宽度大于光子接收极的禁带宽度，所述的介电层厚度小于光子发射极层所发射光子的波长；
所述二维钙钛矿材料为(BA) 2 (MA) 3 Pb 4 I 13 二维钙钛矿薄膜或(PEA) 2 (MA) 2 Pb 3 I 10 二维钙钛矿薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述二维钙钛矿材料是通过热注入法填充在氧化锌的孔洞中。
3.根据权利要求1所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述介电层为二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜厚度为5nm~1um。
4.根据权利要求1所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层为spiro-OMeTAD。
5.根据权利要求1所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述透明衬底为高透光率玻璃，且平均透光率不低于85%。
6.根据权利要求1所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述金属电极层为厚度为5nm到1um的金薄膜。
7.如权利要求1至6中任一项所述的基于近场光耦合的二维有机无机杂化钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
（1）制备光子发射极层：首先采用原子层沉积法在透明衬底上制备氧化锌薄膜，再在薄膜上用激光打孔并控制打孔深度为氧化锌薄膜厚度；然后，采用热注入方法使孔洞中填充二维钙钛矿材料；
（2）制备介电层：在步骤（1）制得的光子发射极层表面采用原子层沉积法制备二氧化硅薄膜；
（3）制备透明电子传输层：在步骤（2）制得的介电层表面采用磁控溅射法沉积二氧化钛薄膜；
（4）制备三维钙钛矿光子接收极层：将溶有碘化铅、碘化甲脒和碘化铯的DMF和DMSO的混合溶液旋涂在步骤（3）制得的透明电子传输层表面，然后烘干；
（5）制备空穴传输层：将空穴传输层溶液旋涂在步骤（4）制得的三维钙钛矿光子接收极层表面，然后烘干制得；所述空穴传输层溶液是spiro-OMeTAD的氯苯溶液、锂盐的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶均匀混合制得；
（6）制备金属电极层：采用蒸发法，在步骤（5）制得的空穴传输层表面沉积金薄膜。
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