CN110061136B - 一种背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法，属于新型钙钛矿太阳能电池技术领域。本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种背接触式钙钛矿太阳电池，包括从上到下依次设置的基底、减反射层、三维钙钛矿层、二维钙钛矿层，所述二维钙钛矿的下表面设有若干个叉指状交错分布的空穴传输层和电子传输层，所述空穴传输层下表面依次设有空穴缓冲层和透明电极层，所述电子传输层的下表面设有中间透明电极层，所述透明电极层、中间透明电极层的下表面上均设有电极。本发明具有小的寄生损失，能够充分吸收太阳光，增加电池对短波光的利用，从而增大短路电流，进而有效提高太阳电池的光电转换效率。

Description

一种背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法，属于新型钙钛矿太阳能电池技术领域。
背景技术
近年来，由于化石燃料的广泛应用，环境受到严重污染，已经威胁到每个人的身体健康；况且化石燃料是一种不可再生资源，以当前的速率消耗下去，过不了几十年化石燃料将会消耗殆尽。因此，开发一种清洁、可再生的能源是一项重要的课题。太阳能就是一个很好的选择，它是取之不尽，用之不竭的能源；而且使用太阳能不会对环境造成任何污染。太阳能的应用也已经得到了全球各国的认可，不仅在中国、日本，而且在欧洲、美国也在充分的开发太阳能资源。太阳能的利用主要是通过太阳能电池发电。太阳电池包括第一代单晶硅和多晶硅太阳能电池，目前实验室的转化效率已经分别达到26.6％和20.4％；第二代非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池；以及第三代新型太阳电池，如燃料敏化电池、量子点电池、有机太阳能电池和钙钛矿电池。自2009年钙钛矿电池首次报道以来，其光电转换效率从起初的4％迅速增加至现在的23.7％，由于电子传输层和空穴传输层的存在，使得太阳光谱在到达钙钛矿层时必须先穿过电子传输层(正式结构)或者空穴传输层(反式结构)，必然会引起寄生损失。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种有效提高太阳电池的光电转换效率的背接触式钙钛矿太阳电池及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种背接触式钙钛矿太阳电池，包括从上到下依次设置的基底、减反射层、三维钙钛矿层、二维钙钛矿层，所述二维钙钛矿的下表面设有若干个叉指状交错分布的空穴传输层和电子传输层，所述空穴传输层下表面依次设有空穴缓冲层和透明电极层，所述电子传输层的下表面设有中间透明电极层，所述透明电极层、中间透明电极层的下表面上均设有电极，所述基底为普通白玻璃基底或其他透明衬底，所述透明电极层、中间透明电极层的下表面上所述减反射层的厚度为10-1000nm。
进一步的技术方案是，所述三维钙钛矿层的的厚度为10-1000nm。
进一步的技术方案是，所述空穴传输层的厚度为0-150nm。
进一步的技术方案是，所述电子传输层的厚度为10-50nm。
进一步的技术方案是，所述空穴缓冲层的厚度为10-50nm。
进一步的技术方案是，所述透明电极层、中间透明电极层的厚度均为60-80nm。
一种背接触式钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10、以普通白玻璃为基底，对其进行清洗处理后用氮气吹干；
步骤S20、通过溅射法、反应等离子沉积和化学气相沉积制备60-100nm的减反射层，其能够提高对入射光的利用率；
步骤S30、通过热蒸发法、旋涂法、刮涂法、喷涂法等制备10-1000nm的三维钙钛矿层，该层吸收太阳光并进行光电转换；
步骤S40、通过旋涂法制备n＝1-60的二维钙钛矿层，该层起到横向运输载流子并且能够增加电池的湿稳定性，其三维钙钛矿层加二维钙钛矿层的结构来解决横向传输的问题；
步骤S50、利用子母掩模版，通过热蒸发法、喷涂法、刮涂法等分别制备10-50nm的电子传输层和10-150nm的空穴传输层，其分别起到提取并传输电子和空穴的作用，并且电子传输层、空穴传输层成叉指状分布，叉指状钙钛矿载流子传输层的实现；
步骤S60、利用母掩模版，通过蒸镀法在空穴传输层上制备3-5nm的空穴缓冲层，其是减弱溅射时高能离子对空穴传输层薄膜的损伤，通过隧穿效应起到欧姆接触的作用；
步骤S70、利用母掩模版，通过溅射法在空穴缓冲层、电子传输层上分别溅射60-80nm的透明电极层、中间透明电极层，其起到增加载流子的横向传输作用，可以减少金属电极Ag用量；
步骤S80、通过蒸镀法、溅射法制备100-150nm的电极，其是导出电子和空穴供外电路使用。
进一步的技术方案是，所述减反射层的材料为TCO薄膜、SiOx、SiNx、MgF2或是其组合中的任意一种；
所述维钙钛矿层的材料为MAPbI3、FAPbI3、CsPbI3中的任意一种；
所述二维钙钛矿层的材料为(NH3-R-NH3)MX4或(R-NH3)2MX4；
所述空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、NiOx、CuSCN、P3HT中的任意一种；
所述空穴缓冲层的材料为MoOx；
所述透明电极层、中间透明电极层的材料均为中ITO、FTO、AZO、ICO、IWO的任意一种；
所述电子传输层的材料为SnO2、TiO2、ZnO中的任意一种。
本发明具有以下优点：本发明利用叉指状结构把钙钛矿太阳电池的电子传输层和空穴传输层均制备在同一侧(背光面)，具有小的寄生损失，能够充分吸收太阳光，增加电池对短波光的利用，从而增大短路电流，进而有效提高太阳电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为子掩模版结构示意图；
图3为母掩模版结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的一种背接触式钙钛矿太阳电池，包括从上到下依次设置的基底1、减反射层2、三维钙钛矿层3、二维钙钛矿层4，为了克服三维钙钛矿载流子横向传输问题，增加了二维钙钛矿层4，所述二维钙钛矿4的下表面设有若干个叉指状交错分布的空穴传输层5和电子传输层8，所述空穴传输层下表面依次设有空穴缓冲层6和透明电极层7，所述电子传输层的下表面设有中间透明电极层9，所述透明电极层7、中间透明电极层9的下表面上均设有电极10，所述基底1为普通白玻璃基底或其他透明衬底。
本实施例中具体的是，所述减反射层2的厚度为60-100nm，所述三维钙钛矿层3的的厚度为10-10000nm，所述空穴传输5层的厚度为0-150nm，所述电子传输层8的厚度为10-50nm，所述空穴缓冲层6的厚度为10-50nm，所述透明电极层7、中间透明电极层9的厚度均为60-80nm。
所述减反射层2的材料为TCO薄膜、SiOx、SiNx、MgF2或是其组合中的任意一种；所述维钙钛矿层3的材料为MAPbI3、FAPbI3、CsPbI3中的任意一种；所述二维钙钛矿层4的材料为(NH3-R-NH3)MX4或(R-NH3)2MX4；所述空穴传输层5的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、NiOx、CuSCN、P3HT中的任意一种；所述空穴缓冲层6的材料为MoOx；所述透明电极层7、中间透明电极层9的材料均为中ITO、FTO、AZO、ICO、IWO的任意一种；所述电子传输层8的材料为SnO2、TiO2、ZnO中的任意一种
本实施例的具体制备步骤为：
(1)以普通白玻璃为基底，对其进行清洗处理后用氮气吹干；
(2)通过溅射法、反应等离子沉积和化学气相沉积制备60-100nm的减反射层2，其能够提高对入射光的利用率；
(3)通过热蒸发法、旋涂法、刮涂法、喷涂法等制备10-1000nm的三维钙钛矿层3，该层吸收太阳光并进行光电转换；
(4)通过旋涂法制备n＝1-60的二维钙钛矿层4，该层起到横向运输载流子并且能够增加电池的湿稳定性；
(5)利用子母掩模版(如图2和3所示)，通过热蒸发法、喷涂法、刮涂法等分别制备10-50nm的电子传输层8和10-150nm的空穴传输层5，其分别起到提取并传输电子和空穴的作用；
(6)利用母掩模版(如图3所示)，通过蒸镀法在空穴传输层5上制备3-5nm的空穴缓冲层6，其是减弱溅射时高能离子对空穴传输层薄膜的损伤，通过隧穿效应起到欧姆接触的作用；
(7)利用母掩模版(如图3所示)，通过溅射法在空穴缓冲层6、电子传输层8上分别溅射60-80nm的透明电极层7、中间透明电极层9，其起到增加载流子的横向传输作用，可以减少金属电极Ag用量；
(8)通过蒸镀法、溅射法制备100-150nm的电极10，该电极10的材料包括金、银、铝等，其是导出电子和空穴供外电路使用。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种背接触式钙钛矿太阳电池，其特征在于，包括从上到下依次设置的基底(1)、减反射层(2)、三维钙钛矿层(3)、二维钙钛矿层(4)，所述二维钙钛矿层(4)的下表面设有若干个叉指状交错分布的空穴传输层(5)和电子传输层(8)，所述空穴传输层下表面依次设有空穴缓冲层(6)和透明电极层(7)，所述电子传输层的下表面设有中间透明电极层(9)，所述透明电极层(7)、中间透明电极层(9)的下表面上均设有电极(10)，所述基底(1)为普通白玻璃基底或其他透明衬底。
2.根据权利要求1所述的一种背接触式钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述减反射层(2)的厚度为10-1000nm。
3.根据权利要求1所述的一种背接触式钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述三维钙钛矿层(3)的的厚度为10-1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种背接触式钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述电子传输层(8)的厚度为10-50nm。
5.根据权利要求1所述的一种背接触式钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述缓冲层(6)的厚度为10-50nm。
6.根据权利要求1所述的一种背接触式钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述透明电极层(7)、中间透明电极层(9)的厚度均为10-1000nm。
7.一种背接触式钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、以普通白玻璃为基底，对其进行清洗处理后用氮气吹干；
步骤S20、通过溅射法、反应等离子沉积和化学气相沉积制备60-100nm的减反射层(2)，其能够提高对入射光的利用率；
步骤S30、通过热蒸发法、旋涂法、刮涂法、喷涂法制备10-1000nm的三维钙钛矿层(3)，该层吸收太阳光并进行光电转换；
步骤S40、通过旋涂法制备n＝1-60的二维钙钛矿层(4)，该层起到横向运输载流子并且能够增加电池的湿稳定性，其中采用三维钙钛矿层(3)加二维钙钛矿层(4)的结构来解决横向传输的问题；
步骤S50、利用子母掩模版，通过热蒸发法、喷涂法、刮涂法分别制备10-50nm的电子传输层(8)和10-150nm的空穴传输层(5)，其分别起到提取并传输电子和空穴的作用，并且电子传输层(8)、空穴传输层(5)成叉指状分布，叉指状钙钛矿载流子传输层的实现；
步骤S60、利用母掩模版，通过蒸镀法在空穴传输层(5)上制备3-5nm的空穴缓冲层(6)，其是减弱溅射时高能离子对空穴传输层薄膜的损伤，通过隧穿效应起到欧姆接触的作用；
步骤S70、利用母掩模版，通过溅射法在空穴缓冲层(6)、电子传输层(8)上分别溅射60-80nm的透明电极层(7)、中间透明电极层(9)，其起到增加载流子的横向传输作用，可以减少金属电极Ag用量；
步骤S80、通过蒸镀法、溅射法制备100-150nm的电极(10)，其是导出电子和空穴供外电路使用。
8.根据权利要求7所述的一种背接触式钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述减反射层(2)的材料为TCO薄膜、SiOx、SiNx、MgF2或是其组合中的任意一种；
所述维钙钛矿层(3)的材料为MAPbI3、FAPbI3、CsPbI3中的任意一种；
所述二维钙钛矿层(4)的材料为(NH3-R-NH3)MX4或(R-NH3)2MX4；
所述空穴传输层(5)的材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、NiOx、CuSCN、P3HT中的任意一种；
所述空穴缓冲层(6)的材料为MoOx、WOx、TiOx、VOx中的任意一种；
所述透明电极层(7)、中间透明电极层(9)的材料均为中ITO、FTO、AZO、ICO、IWO中的任意一种；
所述电子传输层(8)的材料为SnO2、TiO2、ZnO中的任意一种。
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