CN109545980A - 钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层及其制备方法 - Google Patents

钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层极其制备方法，所述复合汇流层由过渡层及不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜组成；所述两层或多层透明导电薄膜为N层透明导电薄膜，N≥2；由过渡层向外，第n层透明导电薄膜的制备能量高于第n‑1层透明导电薄膜的制备能量；n＝2、3、4…..N。钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层在制备过程中不会对选择性电荷传输层和钙钛矿材料造成破坏，保证了硅/钙钛矿叠层太阳能电池的优良性能。

Description

钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层及其制备 方法
技术领域
本发明属于硅/钙钛矿叠层太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层及其制备方法。
技术背景
随着社会发展的进程，环境污染与能源短缺成为人类必须要面对并解决的问题。化石燃料属于不可再生资源，储量有限，在使用过程中也会造成一定的环境污染。太阳能具有清洁无污染的特点，是传统化石燃料合适的替代品，在能源领域具有广阔的应用前景。硅太阳能电池具备成熟的生产工艺并实现了商业化。钙钛矿材料具有优异的载流子传输特性、高吸收系数以及合适的禁带宽度。近年来，制备硅/钙钛矿叠层太阳能电池的技术正在成为科研领域的热点之一，在硅太阳能电池上叠加钙钛矿太阳能电池，可以有效扩展太阳能电池的光谱吸收范围，显著提高电池的能量转换效率。
目前，现有技术在制备硅/钙钛矿叠层太阳能电池过程中，所用的选择性电荷传输层中一般含有有机物成分，其热稳定性较差。在制备透明导电薄膜电极时，现有制备技术中的高温高能量离子容易对选择性电荷传输层及钙钛矿层造成损伤，进而降低太阳能电池的光电转化效率。为了解决上述制备技术中的不足，一般采用增加过渡层的厚度，起到隔热缓冲的作用，避免高能量高温离子容易对选择性电荷传输层及钙钛矿层造成损伤。但这一技术方案的不足在于：较厚的过渡层通常具有较高的电阻，降低了透明导电薄膜电极对电流的汇流效果，进而降低了电池的能量转换效率。
因此，设计一种钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层及其制备方法是实现高效率硅/钙钛矿叠层太阳能电池的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层及其制备方法，以解决上述技术问题。
为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：
钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，所述复合汇流层由过渡层及不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜组成。
进一步的，过渡层的材料为WOx，其中W为Mo、Ni、W的一种或组合，过渡层的厚度为2～100nm。
进一步的，所述不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜的材料为ITO、IZO或FTO，所述透明导电薄膜的厚度为10～500nm。
进一步的，所述两层或多层透明导电薄膜为N层透明导电薄膜，N≥2；由过渡层向外，第n层透明导电薄膜的制备能量高于第n-1层透明导电薄膜的制备能量；n＝2、3、4…..N。
进一步的，第1层透明导电薄膜为最低能量状态下制备的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型导电薄膜，与钙钛矿和选择性电荷传输层具有良好电荷传输界面，并且在制备过程中不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层；每层透明导电薄膜的制备能量状态满足不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层的要求。
进一步的，不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜为从低到高渐变能量装填下制备的结构和性能呈现梯度连续变化微观单元膜层构成的薄膜。
进一步的，过渡层设置于硅/钙钛矿叠层太阳能电池的选择性电荷传输层上；硅/钙钛矿叠层太阳能电池自下而上依次包括：金属电极、硅电池基底、隧穿层、钙钛矿材料层、选择性电荷传输层、过渡层和不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜。
钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层的制备方法，包括以下步骤：
1)使用真空蒸镀法在硅/钙钛矿叠层太阳能电池的选择性电荷传输层上沉积过渡层；
2)在过渡层上制备N层透明导电薄膜，N≥2；由过渡层向外，第n层透明导电薄膜的制备能量高于第n-1层透明导电薄膜的制备能量；n＝2、3、4…..N。
进一步的，在低能量状态下制备钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型导电薄膜，并且在制备过程中不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层；根据所需导电薄膜的性能要求，设置能量变化梯度，从低到高渐变能量，制备结构和性能呈现梯度连续变化的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型导电薄膜，并且在制备过程中不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层。
总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，其技术优点在于：本发明通过采用不同的制备工艺，在过渡层上以不同的能量状态沉积透明导电薄膜，制备钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，保证了导电薄膜良好的汇流效果；其中在低能量状态下制备导电薄膜的过程中，离子轰击及热传递产生的能量较小，可以降低对过渡层的厚度要求，从而降低过渡层电阻，保证了硅/钙钛矿叠层太阳能电池的优良性能。
附图说明
图1为本发明应用在硅/钙钛矿叠层太阳能电池的结构示意图。
其中，1是金属电极；2是硅电池基底；3是隧穿层；4是钙钛矿材料；5是选择性电荷传输层；6是过渡层；7是不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜。
具体实施方案
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。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明中各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下面结合附图及具体实施例对本发明实施方法作进一步说明。
请参阅图1所示，硅/钙钛矿叠层太阳能电池自下而上依次包括：金属电极1、硅电池基底2、隧穿层3、钙钛矿材料层4、选择性电荷传输层5、过渡层6和不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜7。
钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，由过渡层6及不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜7组成。
过渡层6的材料为WOx，其中W为Mo、Ni、W的一种或组合，过渡层的厚度为2～100nm。
不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜7的材料为ITO、IZO或FTO，所述透明导电薄膜的厚度为10～500nm。
两层或多层透明导电薄膜7为N层透明导电薄膜，N为大于等于2的正整数；由过渡层向外，第n层透明导电薄膜的制备能量高于第n-1层透明导电薄膜的制备能量；n＝2、3、4…..N。
实施例1
本发明中钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层的制备过程：
(1)在硅基太阳能电池上制备钙钛矿层及选择性电荷传输层后，采用真空蒸镀的方法在选择性电荷传输层上沉积一层厚度为10nm的MoO3过渡层；
(2)采用真空蒸镀的方法，在MoO3过渡层上沉积一层厚度为5nm的ITO薄膜；
(3)使用磁控溅射仪，ITO靶材采用氧化铟锡(SnO2与In2O3的质量比为1：9)，溅射气压设定为0.6Pa，溅射功率设定为60W，靶基距为5.5cm，采用连续溅射的方式，在步骤(2)中制备得到的ITO薄膜上沉积一层厚度为20nm的ITO薄膜；
(4)使用磁控溅射仪，ITO靶材采用氧化铟锡(SnO2与In2O3的质量比为1：9)，溅射气压设定为0.6Pa，溅射功率设定为80W，靶基距为5.5cm，采用连续溅射的方式，在步骤(3)中制备得到的ITO薄膜上沉积一层厚度为50nm的ITO薄膜；获得三层透明导电薄膜7。
三层透明导电薄膜7包括第一导电薄膜、第二导电薄膜、第三导电薄膜；第一导电薄膜为低能量状态下制备的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型导电薄膜，与钙钛矿和选择性电荷传输层具有良好电荷传输界面，并且在制备过程中不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层；第二导电薄膜为能量状态高于第一层的条件下制备的导电薄膜，由于能量状态提高，薄膜结晶效果改善、晶粒尺寸增大、导电率提高、透光率提高，但能量状态满足不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层的要求；第三导电薄膜为能量状态高于第二层的条件下制备的导电薄膜，由于能量状态进一步提高，薄膜结晶效果进一步改善、晶粒尺寸进一步增大、导电率进一步提高、透光率进一步提高，但能量状态满足不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层的要求。
实施例2
本发明中钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层的制备过程：
(1)在硅基太阳能电池上制备钙钛矿层及选择性电荷传输层后，采用真空蒸镀的方法在选择性电荷传输层上沉积一层厚度为5nm的MoO3过渡层；
(2)采用真空蒸镀的方法，在MoO3过渡层上沉积一层厚度为10nm的ITO薄膜；
(3)使用磁控溅射仪，ITO靶材采用氧化铟锡(SnO2与In2O3的质量比为1：9)，溅射气压设定为0.6Pa，溅射功率设定为60W，靶基距为5.5cm，采用连续溅射的方式，在步骤(2)中制备得到的ITO薄膜上沉积一层厚度为10nm的ITO薄膜；
(4)使用磁控溅射仪，ITO靶材采用氧化铟锡(SnO2与In2O3的质量比为1：9)，溅射气压设定为0.6Pa，溅射功率设定为80W，靶基距为5.5cm，采用连续溅射的方式，在步骤(3)中制备得到的ITO薄膜上沉积一层厚度为50nm的ITO薄膜；获得三层透明导电薄膜7。
实施例3
本发明中钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层的制备过程：
(1)在硅基太阳能电池上制备钙钛矿层及选择性电荷传输层后，采用真空蒸镀的方法在选择性电荷传输层上沉积一层厚度为15nm的MoO3过渡层；
(2)采用真空蒸镀的方法，在MoO3过渡层上沉积一层厚度为5nm的ITO薄膜；
(3)使用磁控溅射仪，ITO靶材采用氧化铟锡(SnO2与In2O3的质量比为1：9)，溅射气压设定为0.6Pa，溅射功率设定为60W，靶基距为5.5cm，采用连续溅射的方式，在步骤(2)中制备得到的ITO薄膜上沉积一层厚度为10nm的ITO薄膜；获得两层透明导电薄膜7。
两层透明导电薄膜7包括第一导电薄膜、第二导电薄膜；第一导电薄膜为低能量状态下制备的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型导电薄膜，与钙钛矿和选择性电荷传输层具有良好电荷传输界面，并且在制备过程中不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层；第二导电薄膜为高能量状态下制备的导电薄膜，由于能量状态高，薄膜结晶效果好、导电率高、透光率高。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不违背本发明一种不损伤选择性电荷传输层与钙钛矿的复合汇流层及其制备方法，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：所述复合汇流层由过渡层及不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜组成。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：过渡层的材料为WOx，其中W为Mo、Ni、W的一种或组合，过渡层的厚度为2～100nm。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：所述不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜的材料为ITO、IZO或FTO，所述透明导电薄膜的厚度为10～500nm。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：所述两层或多层透明导电薄膜为N层透明导电薄膜，N≥2；由过渡层向外，第n层透明导电薄膜的制备能量高于第n-1层透明导电薄膜的制备能量；n＝2、3、4…..N。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：第1层透明导电薄膜为最低能量状态下制备的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型导电薄膜，与钙钛矿和选择性电荷传输层具有良好电荷传输界面，并且在制备过程中不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层；每层透明导电薄膜的制备能量状态满足不损伤钙钛矿和选择性电荷传输层的要求。
6.根据权利要求4所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜为从低到高渐变能量装填下制备的结构和性能呈现梯度连续变化微观单元膜层构成的薄膜。
7.根据权利要求4所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层，其特征在于：过渡层设置于硅/钙钛矿叠层太阳能电池的选择性电荷传输层(5)上；
硅/钙钛矿叠层太阳能电池自下而上依次包括：金属电极(1)、硅电池基底(2)、隧穿层(3)、钙钛矿材料层(4)、选择性电荷传输层(5)、过渡层(6)和不同能量状态下制备的两层或多层透明导电薄膜(7)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的钙钛矿和选择性电荷传输层界面友好型复合汇流层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用真空蒸镀法在硅/钙钛矿叠层太阳能电池的选择性电荷传输层上沉积过渡层；
2)在过渡层上制备N层透明导电薄膜，N≥2；由过渡层向外，第n层透明导电薄膜的制备能量高于第n-1层透明导电薄膜的制备能量；n＝2、3、4…..N。
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