CN109326717A - 一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池及叠层电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机‑无机杂化钙钛矿太阳能电池及叠层电池。该电池采用正置结构包括导电玻璃、电子传输层、有机‑无机杂化钙钛矿光吸收层，空穴传输层、ALD沉积氮化物、重掺空穴传输层和金属电极；或倒置结构包括导电玻璃、空穴传输层、有机‑无机杂化钙钛矿光吸收层，电子传输层、ALD沉积氮化物、重掺电子传输层和金属电极。ALD沉积氮化物一方面填补电池内部的孔隙，解决孔隙引起的漏电；另一方面，钝化电子传输层或空穴传输层表面缺陷，降低载流子界面复合。重掺杂层提高向外电路传输载流子的能力。将正置或倒置太阳能电池与HIT电池叠加，形成大面积叠层电池。

Description

一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机-无机杂化钙钛矿太阳 能电池及叠层电池
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池及叠层电池。
背景技术
能源与环境是当今全球发展面临的最大挑战。清洁可再生能源之一的光伏发电近年快速发展。目前晶硅电池的发电成本已显著降低，但高效低成本依然是光伏产业良好发展的前提。近年来，有机-无机杂化钙钛矿电池发展迅猛，小面积(小于0.5cm2)最高光电转换效率已突破22％。有机-无机杂化钙钛矿/晶硅底层电池的最高效率也已突破26％。
现有的钙钛矿太阳能电池结构可分为介孔结构和平面结构。平面结构又根据电荷传输方向可分为正向结构和倒置结构。介孔结构一般由FTO导电玻璃、致密电子阻挡层、介孔层、有机/无机杂化钙钛矿光吸收层、HTM层、金属电极组成。介孔层的主要作用是作为支架承载吸光材料。由于介孔材料能够在基底上形成骨架结构，钙钛矿在沉积过程中会进入骨架结构内部，有助于钙钛矿成膜质量的提高。按介孔材料的导电性能进行分类，钙钛矿电池中的介孔材料可以分为半导体介孔材料和绝缘体介孔材料，半导体介孔材料如TiO2、ZnO、NiO等纳米材料；绝缘体介孔材料如Al2O3、ZrO2、SiO2等纳米材料。由于有机/无机杂化钙钛矿光吸收材料是填充在介孔结构中，形貌主要取决于介孔层，因此有机/无机杂化钙钛矿材料沉积技术对电池整体影响相对较小，重复性较好。但介孔层制备通常需要高温烧结，对于大面积制备不利。
相比于介孔结构器件，平面型结构的有机/无机杂化钙钛矿电池没有使用介孔骨架，而是将有机/无机杂化钙钛矿层与两侧的P型半导体和N型半导体直接接触。这避免了介孔骨架对电池制备工艺方面的一些限制，简化了电池结构，使得平面型有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池在材料体系、制备加工工艺等方面得到了很大的应用拓展，并且有助于有机/无机杂化钙钛矿电池在柔性等功能化器件方面的应用。因此，相比于介孔结构钙钛矿太阳能电池，平面型有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池虽然发展较晚，但得到了更广泛的研究。平面结构电池又分为正置结构(n-i-p结构)和倒置结构(p-i-n结构)两类，正置结构器件的光线入射穿过的功能层先后顺序分别为电子传输层、有机-无机杂化钙钛矿层、空穴传输层。倒置结构器件的先后顺序分别为空穴传输层、有机/无机杂化钙钛矿层、电子传输层。
虽然有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池小面积光电转换效率提升很快，但一旦面积略有增加，电池转换效率急剧下降。这是由于大面积有机/无机杂化钙钛矿电池中，有机/无机杂化钙钛矿吸收层通常在500nm左右，有机/无机杂化钙钛矿吸收层中不可避免存在大量孔隙，当制备上电极后，很容易造成漏电。导致大面积有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池效率低下，从而使得有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层电池光电转换效率也低。同时空穴传输层或电子传输层与金属之间界面的载流子复合严重，有机/无机杂化钙钛矿材料的稳定性也较差。大面积电池光电转换效率低和稳定性差，严重限制了该类太阳能电池的产业化发展和商业化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：有机-无机杂化钙钛矿吸收层中存在的孔隙易造成漏电，导致大面积有机-无机杂化钙钛矿电池效率低，大面积有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层电池光电转换效率也低。同时空穴传输层或电子传输层与金属之间界面的载流子复合严重，湿度稳定性较差。为克服上述技术问题，提供了一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：为了提高大面积有机-无机杂化钙钛矿电池的效率：在电子传输层或空穴传输层上面利用原子层沉积(ALD)方法沉积绝缘氮化物，利用ALD方法出色的包覆性，氮化物将从电子传输层或空穴传输层渗透至有机-无机杂化钙钛矿吸收层，填补有机-无机杂化钙钛矿吸收层的孔隙。其中，绝缘氮化物包括氮化铝、氮化硅、氮化镓等。考虑经济性，氮化铝是最佳选择。同时氮化物钝化电子传输层或空穴传输层界面缺陷。为了提高向外电路传输载流子的能力，在氮化物上再叠加重掺电子传输层或重掺空空穴传输层，氮化物/重掺杂层起到了一个钝化隧穿的作用。
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池可以采用两种结构，正置结构和倒置结构。正置有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(A)，包括导电玻璃基底、电子传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、空穴传输层、ALD沉积氮化物、重掺空穴层和金属电极，即从导电玻璃基底开始由下往上依次设置为电子传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层，空穴传输层、ALD沉积氮化物、重掺空穴传输层和金属电极。
有机-无机杂化钙钛矿光吸收层存在的孔隙，在后续的ALD沉积中会被填补覆盖，从而解决电池漏电问题。空穴传输层上ALD沉积的氮化物，还可以降低空穴传输层的界面复合，随后的重掺空穴传输层用来提高空穴传输层与金属层的电接触。本发明方法可以避免由于面积加大造成的电池效率严重下降的问题，同时可以提高电池的开路电压和填充因子。
倒置有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(B)，包括导电玻璃基底、空穴传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、电子传输层、ALD沉积氮化物、重掺杂电子传输层和金属电极，即从导电玻璃基底开始由下往上依次设置为空穴传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层，电子传输层、ALD沉积氮化物、重掺杂电子传输层和金属电极。
有机-无机杂化钙钛矿光吸收层的孔隙，在后续的ALD沉积中会被填补覆盖，从而解决电池漏电问题。电子传输层上的ALD沉积氮化物，还可以降低电子传输层的界面复合；随后的重掺杂电子传输层，可以提高电子传输层与金属层的电接触。本发明可以避免由于面积加大造成的电池效率严重下降的问题，同时可以提高电池的开路电压和填充因子。
在电子传输层或空穴传输层上面沉积氮化物可以解决电池漏电的问题，但同时会导致电子传输层或空穴传输层与金属电极接触不好，为此，随后制备了重掺杂电子传输层或重掺杂空穴传输层，利用隧穿效应，可以提高电子传输层或重掺杂空穴传输层与金属层的电接触。
所述有机-无机杂化钙钛矿吸收层分子式为ABX3，A一般为Cs+、CH3NH3 +(MA+)、NH2CH＝NH2 +(FA+)等；B为Pb2+、Sn2+、Ti4+、Bi3+等；X为Cl-、Br-、I-等。具体包括MAPbI3，CsxMA1-xPbI3(x＝0～0.3)，MAPbI3-xBrx(x＝0～0.2)，FAPbI3等。
所述有机-无机杂化钙钛矿吸收层的制备方法有溶液法，蒸发法，溅射法、刮涂法、旋涂法等。
所述电子传输层是TiO2、SnO2等，空穴传输层是Spiro-OMeTAD、NiO等。
所述重掺空穴传输层为掺Ag的NiO或增加锂盐浓度的spiro-OMeTAD；重掺电子传输层为掺Al的TiO2或SnO2。
所述氮化铝的原子层沉积(ALD)方法制备过程为：使用原子层沉积(ALD)系统沉积AlN层，ALD沉积过程中，分别以三甲基铝(TMA,Al3(CH3)3)和氨气(NH3)作为铝源和氮源，高纯氮气(N2 99.999％)作为载气和清洗气体。每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物100ms，N2吹扫2s，通入NH3 200ms，N2吹扫2s。沉积过程中，反应腔室温度控制在100～150℃。沉积1～10个循环。
为了与晶硅电池结合制备叠层电池，选用HIT晶硅电池做底电池时，由于HIT晶硅电池中非晶硅层不能承受后续温度高于150℃的热处理，为此有机-无机杂化钙钛矿电池制备必须采用全低温工艺。
有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池(C)，从金属电极开始由下往上依次设置为，透明导电层、n型a-Si：H层、本征a-Si：H层、n型单晶硅衬底、本征a-Si：H层、p型a-Si：H层、透明导电层、电子传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、空穴传输层、ALD沉积的氮化物、重掺空穴传输层、透明导电层、金属栅线。
有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池(D)，从金属电极开始由下往上依次设置为，透明导电层，p型a-Si：H层、本征a-Si：H层、n型单晶硅片、本征a-Si：H层、n型a-Si：H层、透明导电层、空穴传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、电子传输层、ALD沉积的氮化物、重掺电子传输层、透明导电层、金属栅线。
所述透明导电层通常是ITO。
本发明的的创新之处：
1、考虑到有机-无机杂化钙钛矿材料对湿度、温度、氧气的敏感性；考虑到需要填补和钝化的孔隙在纳米尺度。为此特别利用具有低温特性、优异的包覆性的原子层沉积(ALD)方法，选择氮源，来沉积氮化物绝缘钝化层。
2、本发明有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池结构与现有电池结构的不同之处在于，增加了氮化物钝化层，增加了重掺杂层。
3、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池采用了全低温工艺配合HIT电池制造叠层电池。
本发明的有益效果：
1、本发明在制备电池的过程中，采用原子层沉积方法沉积氮化物，覆盖有机-无机杂化钙钛矿光吸收层的孔隙，可解决电池漏电问题。ALD沉积的氮化物可钝化电子传输层或空穴传输层的界面复合。电池结构中增加的重掺电子传输层或重掺空穴传输层可提高电子传输层或空穴传输层与金属层的电接触。一方面避免由于面积加大造成的电池效率严重下降的问题，另一方面提高电池的开路电压和填充因子。
2、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的全低温工艺保证了HIT晶硅电池在整个叠层电池制造过程中性能不受影响。
3、本发明采用的钙钛矿太阳能电池制备方法简单、重复性好、成本低；电池效率高、稳定性好。有利于实现工业化大生产。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
附图说明
图1为大面积高效有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(A)的结构示意图；
图2为实施例一的电池在标准测试条件下的J-V曲线；
图3为对比例一的电池在标准测试条件下的J-V曲线；
图4为大面积高效有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(B)的结构示意图；
图5为大面积高效有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池(C)的结构示意图；
图6为大面积高效有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池(D)的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
大面积高效有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(A)的结构示意图如图1所示，包括导电玻璃基底101、电子传输层102、钙钛矿光吸收层103，空穴传输层104，ALD钝化层105，重掺空穴传输层106和金属电极107，即从导电玻璃基底101开始由下往上依次设置为电子传输层102、钙钛矿光吸收层103，空穴传输层104、ALD钝化层105，重掺空穴传输层106和金属电极107。其中，导电玻璃基底101为FTO导电玻璃，电子传输层102可以为TiO2或SnO2，所述钙钛矿光吸收层103的材料可以为MAPbI3，CsxMA1-xPbI3(x＝0～0.3)MAPbI3-xBrx(x＝0～0.2)，FAPbI3等，所述空穴传输层104为spiro-OMeTAD，NiO等，ALD钝化层105可以为氮化铝或氮化硅，重掺空穴传输层106可以为增加锂盐浓度的spiro-OMeTAD，或Ag掺杂的NiO，金属电极107为Au。
上述结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
步骤1：导电玻璃基底的准备：清洗FTO透明导电玻璃作为基底。
步骤2：电子传输层TiO2的制备：采用TiCl4(200mM)水溶液浸泡的方法制备TiO2致密层。TiCl4水溶液的配制方法为：在冰水浴强力搅拌下，将2.3mL的TiCl4逐滴加到100mL水中并搅拌均匀。FTO透明导电玻璃在70℃恒温的TiCl4水溶液中浸泡1h。取出后，依次用水和乙醇依次清洗，并用氮气吹干，在100℃保温1h，自然冷却至室温得到TiO2致密层，膜厚30nm。
步骤3：钙钛矿吸光层MAPbI3的制备：在手套箱里采用一步旋涂法将钙钛矿前驱液旋涂至TiO2致密层上，然后在100℃下退火5min，得到钙钛矿光吸收层。获得的钙钛矿薄膜层的厚度大约在450nm左右。钙钛矿前驱液的配置:将适量的淡黄色PbI2粉末和白色的CH3NH3I晶体(摩尔比1:1)在冰水浴中加到DMF(N.N-二甲基甲酰胺)中，然后70℃温度下搅拌，得到淡黄色前驱溶液。
步骤4：空穴传输层spiro-OMeTAD的制备：将空穴传输层溶液旋涂沉积在钙钛矿层上。空穴传输层溶液的配置：将72.3mg的spiro-OMeTAD、28.8μL的4-一叔丁基吡啶、17.5μL的浓度为520mg mL-1双三氟甲烷磺酞亚胺锂乙睛溶液溶于1mL的氯苯溶液中搅拌4h。
步骤5：ALD氮化铝的制备：使用原子层沉积系统在沉积AlN层，ALD沉积过程中，分别以三甲基铝(TMA,Al3(CH3)3)和氨气(NH3)作为铝源和氮源，高纯氮气(N2 99.999％)作为载气和清洗气体。每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物100ms，N2吹扫2s，通入NH3200ms，N2吹扫2s。沉积过程中，反应腔室温度控制在120℃。沉积了7个循环，得到厚的AlN层。
步骤6：重掺空穴传输层的制备：将重掺空穴传输层溶液旋涂沉积在ALD氮化铝。空穴传输层溶液的配置：将72.3mg的spiro-OMeTAD、28.8μL的4-一叔丁基吡啶、35μL的浓度为520mg mL-1双三氟甲烷磺酞亚胺锂乙睛溶液溶于1mL的氯苯溶液中搅拌8h。
步骤7：金属电极的制备：通过真空蒸镀法制备金电极，金属电极厚度为80nm。电池的面积为1cm2。
电池性能测试如图2所示。图2为实施例1制备的电池，在标准测试条件下(AM 1.5G光照)，开路电压1.15V，填充因子为0.767，光电转化效率达到19.7％。光照1000小时后，电池效率衰减10％。
对比例1
本对比例与实施例1的区别为：无步骤5和步骤6，其余步骤与实施例1相同。电池的面积为1cm2。
电池性能测试如图3所示。图3为对比例1制备的电池，在标准测试条件下(AM 1.5G光照)，开路电压1.08V，填充因子为0.731，光电转化效率达到16.2％。光照1000小时后，电池效率衰减30％。
实施例2
大面积高效有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(B)的结构示意图如图4所示，包括导电玻璃基底101、空穴传输层104、钙钛矿光吸收层103，电子传输层102，ALD钝化层105，重掺电子传输层108和金属电极107，即从导电玻璃基底101开始由下往上依次设置为空穴传输层104、钙钛矿光吸收层103，电子传输层102、ALD钝化层105，重掺电子传输层108和金属电极107。其中，导电玻璃基底101为FTO导电玻璃，空穴传输层104可以为NiO等，钙钛矿光吸收层103的材料可以为MAPbI3，CsxMA1-xPbI3(x＝0～0.3)MAPbI3-xBrx(x＝0～0.2)，FAPbI3等，电子传输层102为TiO2或SnO2等，ALD钝化层105可以为氮化铝或氮化硅，重掺电子传输层108为Al掺杂的TiO2或SnO2，金属电极107为Al。
上述结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
步骤1：导电玻璃基底的准备：清洗FTO透明导电玻璃作为基底。
步骤2：空穴传输层NiO的制备：将NiO纳米颗粒分散液喷涂在导电玻璃上，并在60℃恒温0.5h。
步骤3：钙钛矿吸光层MAPbI3的制备：利用真空热蒸发的方法在NiO上沉积一层PbI。蒸发料是PbI粉末。厚度在250nm。然后MA蒸气中，180℃下退火15min，得到钙钛矿光吸收层。获得的钙钛矿薄膜层的厚度大约在400nm。
步骤4：电子传输层TiO2的制备：将TiO2纳米颗粒分散旋涂在钙钛矿层上。并在60℃恒温0.5h。
步骤5：ALD氮化铝的制备：使用原子层沉积系统在沉积AlN层，ALD沉积过程中，分别以三甲基铝(TMA,Al3(CH3)3)和氨气(NH3)作为铝源和氮源，高纯氮气(N2 99.999％)作为载气和清洗气体。每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物100ms，N2吹扫2s，通入NH3200ms，N2吹扫2s。沉积过程中，反应腔室温度控制在120℃。沉积了6个循环，得到厚的AlN层。
步骤6：重掺TiO2电子传输层的制备：将Al掺杂的TiO2纳米颗粒分散旋涂在钙钛矿层上。并在60℃恒温0.5h。
步骤7：金属电极的制备：通过真空蒸镀法制备铝电极，金属电极厚度为80nm；电池的面积为1cm2。
对比例2
本对比例与实施例2的区别为：无步骤5和步骤6，其余步骤与实施例1相同。
实施例3
大面积高效有机-无机杂化钙钛矿/HIT晶硅叠层太阳能电池(C)的结构示意图如图5所示，包括金属电极116、透明导电层115、n型a-Si：H层114、本征a-Si：H层113、n型单晶硅衬底112、本征a-Si：H层111、p型a-Si：H层110、透明导电层117、电子传输层102、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层103、空穴传输层104、ALD沉积的氮化物105、重掺空穴传输层106、透明导电层118、金属栅线109。其中，116为Al或Ag电极、115为ITO、114为掺磷的a-Si：H、110为掺硼的a-Si：H、透明导电层117为ITO、电子传输层102为TiO2或SnO2、103为MAPbI3、CsxMA1- xPbI3(x＝0～0.3)MAPbI3-xBrx(x＝0～0.2)、FAPbI3等、104为spiro-OMeTAD、NiO等、105为氮化铝或氮化硅，106为Ag掺杂的NiO，118为ITO、109为Ag或Al栅线。即从金属电极116开始由下往上依次设置为金属电极116，透明导电层115、n型a-Si：H层114、本征a-Si：H层113、n型单晶硅片112、本征a-Si：H层111、p型a-Si：H层110、透明导电层117、电子传输层102、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层103、空穴传输层104、ALD沉积的氮化物105、重掺空穴传输层106、透明导电层118、金属栅线109。
上述结构的有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的制备方法如下：
步骤1：制备156mm×156mm大小的HIT晶硅电池
通过PECVD沉积在n型晶硅上下表面沉积本征a-Si：H层，接着是p型或n型掺杂的a-Si：H。然后沉积ITO透明导电层。和有机-无机杂化钙钛矿电池叠层时，受光面是p型层。
步骤2：在HIT晶硅电池上采用全低温工艺制备正置结构有机-无机杂化钙钛矿电池
2.1对晶硅电池p型层上ITO透明导电层紫外臭氧处理20分钟。
2.2热喷涂制备TiO2电子传输层：先合成氧化钛纳米晶，1mL TiCl4溶解到4mL无水乙醇中，充分搅拌后再加入25mL苯甲醇，待充分混合后放入85℃烘箱，反应12h。反应结束后用乙醇和乙醚的混合溶液洗涤3次。离心得到氧化钛颗粒，烘干。配制5mg/mL的氧化钛乙醇溶液，超声得到乳白色分散液。将分散液喷到ITO上。在150℃温度下，加热20分钟。最后用紫外臭氧处理20分钟。TiO2厚度为30nm。
2.3热喷涂钙钛矿吸收层。
先配制钙钛矿溶液：
A溶液:FAI：208.30mg PbI2：587.79mg(1mL DMSO：DMF(体积比)＝4:1))
B溶液:MABr：159.6mg PbBr2：550.5mg(1mL DMSO：DMF(体积比)＝4:1))
C溶液:CsI：77.94mg(400uL DMSO)
最后取880mLA溶液,132mL B溶液,88mL C溶液，充分混合2小时。
最后在110℃下退火20分钟。
2.4空穴传输层NiO的制备：将NiO电子束蒸发到钙钛矿层上，厚度为30nm。
2.5ALD氮化铝的制备：使用原子层沉积系统在沉积AlN层，ALD沉积过程中，分别以三甲基铝(TMA,Al3(CH3)3)和氨气(NH3)作为铝源和氮源，高纯氮气(N2 99.999％)作为载气和清洗气体。每一个沉积循环包括四个步骤：通入TMA反应物100ms，N2吹扫2s，通入NH3200ms，N2吹扫2s。沉积过程中，反应腔室温度控制在120℃。沉积了7个循环，得到厚的AlN层。
2.6重掺空穴传输层Ag掺杂的NiO的制备：将Ag和NiO电子束共蒸发到AlN层，制备Ag掺杂的NiO，Ag含量1％。厚度为30nm。
2.7利用低温等离子反应沉积方法制备透明导电层ITO。ITO厚度50nm
2.8栅线电极的制备：利用真空蒸镀法方法制备Ag栅线电极，电极厚度为80nm。
对比例3
本对比例与实施例3的区别为：无步骤2中2.4和2.6。其余步骤与实施例3相同。
实施例4
一种大面积高效有机-无机杂化钙钛矿/HIT晶硅叠层太阳能电池(D)的结构示意图如图6所示，包括金属电极116、透明导电层115、p型氢化非晶硅a-Si：H层110、本征氢化非晶硅a-Si：H层113、n型单晶硅衬底112、本征氢化非晶硅a-Si：H层111、n型氢化非晶硅a-Si：H层114、透明导电层117、空穴传输层104、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层103、电子传输层102、ALD沉积的氮化物105、重掺电子传输层108、透明导电层118、金属栅线109。其中，116为Al或Ag电极、115为ITO、110为掺硼的a-Si：H、114为掺磷的a-Si：H、透明导电层117为ITO、空穴传输层104为spiro-OMeTAD、NiO等、钙钛矿光吸收层103为MAPbI3，CsxMA1-xPbI3(x＝0～0.3)MAPbI3-xBrx(x＝0～0.2)，FAPbI3等，电子传输层102为TiO2或SnO2，ALD钝化层105为氮化铝或氮化硅，重掺电子传输层108为Al掺杂的TiO2或SnO2，透明导电层118为ITO、金属栅线109为Ag或Al栅线。即从金属电极116开始由下往上依次设置为金属电极116，透明导电层115，p型a-Si：H层110、本征a-Si：H层113、n型单晶硅片112、本征a-Si：H层111、n型a-Si：H层114、透明导电层117、空穴传输层104、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层103、电子传输层102、ALD沉积的氮化物105、重掺电子传输层108、透明导电层118、金属栅线109。
上述结构的有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的制备方法如下：
步骤1：制备156mm×156mm大小的HIT晶硅电池
采用和实施例3中同样的HIT晶硅电池，只是受光面是n型层。
步骤2：HIT晶硅电池上采用全低温工艺制备倒置结构有机-无机杂化钙钛矿电池
2.1对晶硅电池n型层上ITO透明导电层紫外臭氧处理20分钟。
2.2制备空穴传输层NiO：将12.885g的NiCl2·6H2O溶解到100mL的去离子水中并且充分搅拌。将10M的NaOH溶液逐滴加入溶液中直至PH值接近10。将得到的绿色浑浊液体，离心得到固体后用去离子水洗涤两遍。在烘箱中270℃退火2小时。150mg氧化镍纳米晶加入5mL去离子水中，在100W的超声中放置8小时，得到氧化镍纳米晶分散液。将上述分散液经聚四氟乙烯过滤器(0.45μm)过滤后，喷涂至ITO上，然后在130℃下退火20分钟。
2.3同实施例3中步骤2中的2.3相同。
2.4电子传输层TiO2的制备：利用溅射方法制备TiO2层，膜厚30nm。
2.5ALD氮化铝的制备：同实施例3中步骤2中的2.5相同。
2.6重掺杂电子传输层TiO2的制备：利用溅射方法在AlN层上制备Al掺杂的TiO2层，膜厚30nm。Al含量1％。
2.7同实施例3中步骤2中的2.7相同.
2.8同实施例3中步骤2中的2.8相同。
对比例4
本对比例与实施例4的区别为：无步骤2中的2.4和2.5，其余步骤与实施例1相同。
综上所述，本发明通过原子层沉积方法制备氮化物钝化层，填补了有机-无机杂化钙钛矿电池中的空隙，钝化了晶粒表面和空穴传输层或电子传输层的界面，增加了重掺杂层，提高了电接触。提高了大面积有机-无机杂化钙钛矿电池和有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种大面积高效稳定的钝化隧穿有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，该电池采用正置结构或倒置结构，其特征在于：正置有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的结构为，从导电玻璃基底开始由下往上依次设置为电子传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、空穴传输层、ALD沉积氮化物、重掺空穴传输层和金属电极；倒置有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的结构为：从导电玻璃基底开始由下往上依次设置为空穴传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、电子传输层、ALD沉积氮化物、重掺杂电子传输层和金属电极。
2.如权利要求1所述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述有机-无机杂化钙钛矿吸收层分子式为ABX3，其中，A为Cs+、CH3NH3 +(MA+)、NH2CH＝NH2 +(FA+)；B为Pb2+、Sn2+、Ti4+、Bi3+；X为Cl-、Br-、I-。
3.如权利要求1所述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述有机-无机杂化钙钛矿吸收层分子式为MAPbI3，CsxMA1-xPbI3(x＝0～0.3)
MAPbI3-xBrx(x＝0～0.2)，FAPbI3。
4.如权利要求1所述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层为TiO2或SnO2，空穴传输层为Spiro-OMeTAD或NiO。
5.如权利要求1所述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述重掺空穴传输层为掺Ag的NiO或增加锂盐浓度的spiro-OMeTAD；重掺电子传输层为掺Al的TiO2或SnO2。
6.如权利要求1所述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述ALD沉积氮化物是使用原子层沉积系统沉积AlN层，沉积过程中，以三甲基铝(TMA,Al3(CH3)3)和氨气(NH3)作为铝源和氮源，高纯氮气作为载气和清洗气体；通入TMA反应物100ms，N2吹扫2s，通入NH3 200ms，N2吹扫2s作为一个沉积循环，沉积过程中，反应腔室温度控制在100～150℃，沉积1～10个循环，得到ALD氮化物。
7.一种有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池，其特征在于：所述电池将权利要求1所述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池与晶硅电池叠加制备叠层电池，所述叠层电池从金属电极开始由下往上依次设置为，透明导电层、n型a-Si：H层、本征a-Si：H层、n型单晶硅衬底、本征a-Si：H层、p型a-Si：H层、透明导电层、电子传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、空穴传输层、ALD沉积的氮化物、重掺空穴传输层、透明导电层、金属栅线；或所述叠层电池从金属电极开始由下往上依次设置为，透明导电层，p型a-Si：H层、本征a-Si：H层、n型单晶硅片、本征a-Si：H层、n型a-Si：H层、透明导电层、空穴传输层、有机-无机杂化钙钛矿光吸收层、电子传输层、ALD沉积的氮化物、重掺电子传输层、透明导电层、金属栅线。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109830606A (zh) * 2019-02-28 2019-05-31 西交利物浦大学 铯掺杂钙钛矿吸光层的制备方法与应用
CN111129318A (zh) * 2019-12-17 2020-05-08 西交利物浦大学 钨掺杂氧化物钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN111748803A (zh) * 2020-07-06 2020-10-09 复旦大学 一种介孔氧化硅/阳极氧化铝异质结膜、超组装制备方法及其应用
CN112018209A (zh) * 2020-08-10 2020-12-01 隆基绿能科技股份有限公司 一种钙钛矿-硅异质结叠层太阳能电池及其制作方法
CN112242490A (zh) * 2019-07-16 2021-01-19 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种甲脒基钙钛矿薄膜的后修复方法
CN114230378A (zh) * 2021-12-27 2022-03-25 复旦大学 一种氧化还原驱动的超组装智能门控系统的制备方法
CN114373811A (zh) * 2021-12-10 2022-04-19 无锡极电光能科技有限公司 全无机钙钛矿光伏组件及其制备方法
WO2023184620A1 (zh) * 2022-04-01 2023-10-05 暨南大学 一种钙钛矿材料及其在太阳能电池中的应用
CN117202676A (zh) * 2023-11-08 2023-12-08 电子科技大学 基于三层导电聚合物和栅线电极结构的钙钛矿太阳能电池
WO2024098655A1 (zh) * 2022-11-10 2024-05-16 杭州纤纳光电科技有限公司 一种多级电子阻挡薄膜、钙钛矿太阳能电池以及制备方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6265823B1 (en) * 1998-07-03 2001-07-24 Isis Innovation Limited Light emitter
US20110220200A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 Novaled Ag Organic Photoactive Device
CN102543271A (zh) * 2012-02-17 2012-07-04 华东师范大学 热稳定性增强的透明导电薄膜及其应用
CN104124295A (zh) * 2014-08-12 2014-10-29 中国乐凯集团有限公司 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN204029873U (zh) * 2014-08-12 2014-12-17 中国乐凯集团有限公司 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池
CN104979421A (zh) * 2014-04-11 2015-10-14 中国科学院大连化学物理研究所 一种叠层太阳能电池
CN104979474A (zh) * 2015-05-25 2015-10-14 中国科学院半导体研究所 基于钙钛矿电池和hit电池的叠层太阳能电池及制作方法
US20180013098A1 (en) * 2017-01-16 2018-01-11 Shanghai Tianma AM-OLED Co., Ltd. Organic Light-Emitting Display Panel and Device
CN107644805A (zh) * 2017-08-15 2018-01-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 空穴钝化隧穿薄膜、制备方法及其在太阳电池中的应用
CN107924933A (zh) * 2015-06-12 2018-04-17 牛津光电有限公司 多结光伏装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6265823B1 (en) * 1998-07-03 2001-07-24 Isis Innovation Limited Light emitter
US20110220200A1 (en) * 2010-03-15 2011-09-15 Novaled Ag Organic Photoactive Device
CN102543271A (zh) * 2012-02-17 2012-07-04 华东师范大学 热稳定性增强的透明导电薄膜及其应用
CN104979421A (zh) * 2014-04-11 2015-10-14 中国科学院大连化学物理研究所 一种叠层太阳能电池
CN104124295A (zh) * 2014-08-12 2014-10-29 中国乐凯集团有限公司 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN204029873U (zh) * 2014-08-12 2014-12-17 中国乐凯集团有限公司 一种平面异质结钙钛矿太阳能电池
CN104979474A (zh) * 2015-05-25 2015-10-14 中国科学院半导体研究所 基于钙钛矿电池和hit电池的叠层太阳能电池及制作方法
CN107924933A (zh) * 2015-06-12 2018-04-17 牛津光电有限公司 多结光伏装置
US20180013098A1 (en) * 2017-01-16 2018-01-11 Shanghai Tianma AM-OLED Co., Ltd. Organic Light-Emitting Display Panel and Device
CN107644805A (zh) * 2017-08-15 2018-01-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 空穴钝化隧穿薄膜、制备方法及其在太阳电池中的应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG F , SONG J , HU R , ET AL.: ""Interfacial Passivation of the p-Doped Hole-Transporting Layer Using General Insulating Polymers for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells"", 《SMALL》 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109830606A (zh) * 2019-02-28 2019-05-31 西交利物浦大学 铯掺杂钙钛矿吸光层的制备方法与应用
CN112242490B (zh) * 2019-07-16 2023-01-20 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种甲脒基钙钛矿薄膜的后修复方法
CN112242490A (zh) * 2019-07-16 2021-01-19 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种甲脒基钙钛矿薄膜的后修复方法
CN111129318A (zh) * 2019-12-17 2020-05-08 西交利物浦大学 钨掺杂氧化物钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN111748803A (zh) * 2020-07-06 2020-10-09 复旦大学 一种介孔氧化硅/阳极氧化铝异质结膜、超组装制备方法及其应用
CN111748803B (zh) * 2020-07-06 2021-12-03 复旦大学 一种介孔氧化硅/阳极氧化铝异质结膜、超组装制备方法及其应用
CN112018209A (zh) * 2020-08-10 2020-12-01 隆基绿能科技股份有限公司 一种钙钛矿-硅异质结叠层太阳能电池及其制作方法
CN114373811A (zh) * 2021-12-10 2022-04-19 无锡极电光能科技有限公司 全无机钙钛矿光伏组件及其制备方法
CN114373811B (zh) * 2021-12-10 2024-03-19 无锡极电光能科技有限公司 全无机钙钛矿光伏组件及其制备方法
CN114230378B (zh) * 2021-12-27 2022-11-15 复旦大学 一种氧化还原驱动的超组装智能门控系统的制备方法
CN114230378A (zh) * 2021-12-27 2022-03-25 复旦大学 一种氧化还原驱动的超组装智能门控系统的制备方法
WO2023184620A1 (zh) * 2022-04-01 2023-10-05 暨南大学 一种钙钛矿材料及其在太阳能电池中的应用
WO2024098655A1 (zh) * 2022-11-10 2024-05-16 杭州纤纳光电科技有限公司 一种多级电子阻挡薄膜、钙钛矿太阳能电池以及制备方法
CN117202676A (zh) * 2023-11-08 2023-12-08 电子科技大学 基于三层导电聚合物和栅线电极结构的钙钛矿太阳能电池
CN117202676B (zh) * 2023-11-08 2024-01-23 电子科技大学 基于三层导电聚合物和栅线电极结构的钙钛矿太阳能电池

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