CN109638160A - 纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池及其制备方法 - Google Patents

纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，包括衬底，所述衬底上依次设置有阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层和阳极层，所述的阳极层上设有周期性凹陷于阳极层的金属光栅，所述金属光栅凹陷处的表面上设有绝缘纳米结构。本发明的有益之处在于：提供一种纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，利用金属纳米光栅和绝缘纳米粒子复合结构，将波长在500～800nm范围内入射光的电场局限在阴极附近来增强有源层背离入射方向位置的光吸收，进而平衡载流子产生速度。仅利用一道光刻制程便可以得到金属纳米光栅和绝缘纳米结构，工艺成熟，节省成本。

Description

纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，特别涉及一种纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池的有源层材料(CH3NH3PbX3,X＝Cl,Br,I)具有高的光吸收效率和长的载流子扩散长度，被认为是未来最具开发潜力的薄膜太阳能电池技术。目前，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高可达22％。钙钛矿材料的本征吸收谱在波长800nm以下，其中波长小于500nm为钙钛矿材料的强吸收范围，钙钛矿材料对波长在600～800nm的红黄光吸收效率比较低。
现有技术中，通常引入纳米粒子来增强钙钛矿材料在红黄光范围处的吸收。常规引入纳米粒子的方法为涂覆法，即将含有纳米粒子的溶液涂覆在薄膜上，加热使溶剂挥发，纳米粒子便沉积在薄膜上。这种方法沉积的纳米粒子位置分布随机，对于钙钛矿电池器件而言，因钙钛矿材料折射率高，随机分布的纳米粒子对光吸收增强效果有限。而且，涂覆纳米粒子的方法通常会把溶剂或其他杂质引到钙钛矿材料中，导致钙钛矿的性能急剧下降。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种纳米结构在光栅凹陷处的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，主要用于增强钙钛矿太阳能电池对红光和黄光的吸收。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，包括衬底，所述衬底上依次设置有阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层和阳极层，所述的阳极层上设有周期性凹陷于阳极层的金属光栅，所述金属光栅凹陷处的表面上设有绝缘纳米结构。
进一步地，所述阴极层的材料为银(Ag)或金(Au)或铝(Al)。
进一步地，所述阳极层的材料为透明氧化烟锡(ITO)或透明氧化铝锌(AZO)。太阳光从阳极上端入射至器件内部。
进一步地，所述金属光栅的周期为200～400nm，高度为50～120nm，形状为矩形或梯形。
本发明还公开了上述纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上沉积阴极层；
步骤2：在阴极层上涂光刻胶，对光刻胶进行曝光，曝光采用的是掩膜曝光或全息曝光，光刻胶为正胶或负胶；
步骤3：显影光刻胶，刻蚀一定厚度的阴极层形成周期性凹陷的金属光栅，刻蚀阴极层采用的方法为干法蚀刻，这样可以保证金属光栅原貌；
步骤4：在金属光栅上沉积绝缘层薄膜；
步骤5：在绝缘层薄膜上涂覆正性光刻胶，将表层光刻胶曝光显影，保留光栅凹陷处的光刻胶；
步骤6：采用湿法刻蚀绝缘层薄膜，除去残胶，绝缘材料位于光栅凹陷处，采用湿法刻蚀可以充分保护凹陷处的绝缘材料；
步骤7：在金属光栅及绝缘纳米结构的上方依次制作电子传输层、有源层和空穴传输层；
步骤8：空穴传输层的顶部沉积阳极层，从而制备得到绝缘纳米结构在光栅凹陷处的太阳能电池。
进一步地，步骤6和步骤7之间还包括步骤61：加热达到绝缘纳米材料的熔点，使得绝缘纳米结构熔化，降温后成半球状或半椭球状纳米粒子。
进一步地，所述绝缘纳米结构的加热方法为直接对衬底进行加热或采用激光照射使其熔化。当衬底和芯片上的其他所有材料的熔点高于待热熔回流的材料时，可以利用衬底直接加热的方法；当衬底和芯片上的其他任何一种材料的熔点低于待热熔回流的材料时，用衬底加热的方式会先直接熔化熔点低的材料，因此要选择激光热退火处理，激光照射到光栅上的绝缘层，使其熔化，退掉激光后回流成球状。
进一步地，所述纳米粒子的直径为70～180nm。
进一步地，步骤1中沉积阴极层采用的方法为溅射或蒸镀。
进一步地，步骤1中沉积绝缘层薄膜采用的方法为化学气相沉积或刮涂。
进一步地，步骤5中对光刻胶的曝光采用的是整面曝光，光刻胶为正胶。
进一步地，步骤7中制作电子传输层、有源层及空穴传输层的方法为刮涂。
进一步地，所述的阴极层为银(Ag)薄膜、金(Au)薄膜、铝(Al)薄膜中的一种，所述的阳极层为透明氧化铟锡(ITO)薄膜或透明氧化铝锌(AZO)薄膜。
进一步地，所述的绝缘层薄膜为二氧化硅(SiO2)薄膜、硅(Si)薄膜和PMMA薄膜中的一种。
本发明具有如下有益效果：利用金属纳米光栅和绝缘纳米粒子复合结构，将波长在500～800nm范围内入射光的电场局限在阴极附近来提高有源层背离入射方向的光吸收，进而平衡载流子产生速率，提高钙钛矿太阳能电池对红光和黄光的吸收。仅利用一道光刻制程便可以得到金属纳米光栅和绝缘纳米结构，工艺成熟，节省成本。而且相对于传统的采用涂覆方法得到的随机分布的纳米粒子结构，本发明中采用了自对准工艺，使得绝缘纳米粒子与金属光栅具有一一对应的位置关系，纳米粒子完整的位于光栅凸起位置处。在钙钛矿太阳能电池器件结构中，具有对应关系的纳米粒子和周期性光栅复合结构比随机分布的纳米粒子和周期性光栅复合结构具有更好的增强吸收和平衡载流子分布的效果。
附图说明
图1为本发明中太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明中太阳能电池的制备工艺流程图。
图3为条形梳状电极的结构示意图。
图4为省略加热步骤时绝缘纳米结构的形状示意图。
主要组件符号说明：10、衬底；100、二氧化硅(SiO2)薄膜；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、金属光栅；7、绝缘纳米结构；8、光刻胶；9、掩膜板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1所示，纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，包括衬底10，衬底10上依次设置有阴极层1、电子传输层2、有源层3、空穴传输层4和阳极层5，阴极层1为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)等材料制成的金属薄膜，阳极层5为透明的氧化烟锡(ITO)薄膜或氧化铝锌(AZO)薄膜。阴极层1上设有周期性凹陷于阴极层1的金属光栅6，金属光栅6凹陷处的表面上设有绝缘纳米结构7，绝缘纳米结构7的材料为二氧化硅(SiO2)、Si或PMMA，形状为半球状或半椭球状，直径在70～180nm之间。金属光栅6的周期为200～400nm，高度为50～120nm，形状为矩形或梯形。
上述纳米结构在阴极光栅凸起处的太阳能电池的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：在衬底10上通过溅射或蒸镀的方法沉积银薄膜。
步骤2：在银薄膜上涂光刻胶8，在光刻胶8的上方放上掩膜板9，对光刻胶8进行掩膜曝光。
步骤3：显影光刻胶8，刻蚀一定厚度的银薄膜，刻蚀的方法为干法刻蚀；也可以通过控制银薄膜的刻蚀深度，形成条形梳状电极，如图3所示。
步骤4：在银薄膜的上方通过化学气相沉积的方法沉积二氧化硅(SiO2)薄膜100。
步骤5：在二氧化硅(SiO2)薄膜100的上方涂覆正性光刻胶并进行整面曝光，控制曝光强度，使光刻胶8的表层曝光，底层未完全曝光，显影保留光栅凹陷处的光刻胶。
步骤6：采用湿法刻蚀二氧化硅(SiO2)薄膜100，除去残胶，二氧化硅(SiO2)位于银薄膜光栅凹陷处。
步骤61：加热达到二氧化硅(SiO2)薄膜100的熔点，使得绝缘纳米结构7熔化，降温后成半球状或半椭球状纳米粒子，制成的纳米粒子的直径为70～180nm，加热方法为直接对衬底10进行加热或采用激光照射使绝缘纳米结构7熔化；该步骤也可以省略，那样的话，绝缘纳米结构7就不会形成半球状或半椭球状，如图4所示。
步骤7：在制作好的复合纳米光栅上通过刮涂的方式依次涂上电子传输层2、有源层3和空穴传输层4。
步骤8：空穴传输层4的顶部沉积透明或半透明的氧化烟锡(ITO)薄膜或氧化铝锌(AZO)薄膜，从而制备得到纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池。
下表为纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池与传统电池的性能对比：
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，包括衬底，其特征在于：所述衬底上依次设置有阴极层、电子传输层、有源层、空穴传输层和阳极层，所述的阳极层上设有周期性凹陷于阳极层的金属光栅，所述金属光栅凹陷处的表面上设有绝缘纳米结构。
2.如权利要求1所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，其特征在于：所述阴极层的材料为银或金或铝。
3.如权利要求1所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，其特征在于：所述阳极层的材料为透明氧化烟锡或透明氧化铝锌。
4.如权利要求1所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池，其特征在于：所述金属光栅的周期为200～400nm，金属光栅的高度为50～120nm，形状为矩形或梯形。
5.如权利要求1-4中任一项所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上沉积阴极层；
步骤2：在阴极层上涂光刻胶，对光刻胶进行曝光；
步骤3：显影光刻胶，刻蚀一定厚度的阴极层形成周期性凹陷的金属光栅；
步骤4：在金属光栅上沉积绝缘层薄膜；
步骤5：在绝缘层薄膜上涂覆正性光刻胶，将表层光刻胶曝光显影，保留光栅凹陷处的光刻胶；
步骤6：采用湿法刻蚀绝缘层薄膜，除去残胶，绝缘材料位于光栅凹陷处；
步骤7：在金属光栅及绝缘纳米结构的上方依次制作电子传输层、有源层和空穴传输层；
步骤8：空穴传输层的顶部沉积阳极层，从而制备得到绝缘纳米结构在光栅凹陷处的太阳能电池。
6.如权利要求5所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：步骤6和步骤7之间还包括步骤61：加热达到绝缘材料的熔点，使得绝缘纳米结构熔化，降温后成半球状或半椭球状纳米粒子。
7.如权利要求6所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：所述绝缘纳米结构的加热方法为直接对衬底进行加热或采用激光照射使其熔化，所述纳米粒子的直径为70～180nm。
8.如权利要求5所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：步骤1中沉积阴极层采用的方法为溅射或蒸镀，沉积绝缘层薄膜采用的方法为化学气相沉积或刮涂，步骤2中对光刻胶的曝光采用的是掩膜曝光或全息曝光，光刻胶为正胶或负胶，步骤5中对光刻胶的曝光采用的是整面曝光，光刻胶为正性胶，步骤7中制作电子传输层、有源层及空穴传输层的方法为刮涂。
9.如权利要求5-8中任一项所述的纳米结构在阴极光栅凸起处的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的阴极层为银薄膜、金薄膜、铝薄膜中的一种，所述的阳极层为透明氧化铟锡薄膜或透明氧化铝锌薄膜。
10.如权利要求5-8中任一项所述的纳米结构在阴极光栅凹陷处的钙钛矿电池的制备方法，其特征在于：所述的绝缘层薄膜为二氧化硅薄膜、硅薄膜和PMMA薄膜中的一种。
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