CN111952458A - 曲面异质结太阳电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种曲面异质结太阳电池及其制作方法，该曲面异质结太阳电池包括衬底；银纳米颗粒阵列，设置在衬底上；曲面金属膜，设置在银纳米颗粒阵列上，作为陷光结构及电荷收集电极；第一载流子传输层，设置在曲面金属膜上；吸光层，设置在第一载流子传输层上；第二载流子传输层，设置在吸光层上；以及电极，设置在第二载流子传输层上。本发明曲面异质结构具有陷光效果，能够提升吸光层光吸收效率；曲面结构相对于尖锐陷光结构不易在薄膜中引入缺陷；曲面结构有利于降低吸光层厚度，增加异质结界面面积，从而提高电荷传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，特别地涉及一种曲面异质结太阳电池及其制作方法。
背景技术
能源危机和环境污染问题是当今世界面临的两大重要挑战。太阳电池可以将太阳能直接转化成电能，为人类社会获得清洁能源提供了有效途径。
有机及金属卤化物钙钛矿太阳电池由于可以实现低成本大面积制备，成为近年来的研究热点。太阳电池经历了平面异质结到体异质结的发展过程。太阳电池光电转换效率依赖于吸光层的光吸收率，通常要想获得较高的光吸收效率就需要一定厚度的吸光层薄膜。然而受限于激子扩散长度和载流子迁移率，太厚的吸光层不利于激子分离与载流子传输。基于平面异质结的有机及钙钛矿太阳电池虽然具有与收集电极方向一致的异质结界面，但界面面积太小，激子分离效率不高，且吸光层太厚，电荷收集效率不高。虽然体异质结解决了平面异质结界面面积太小的问题，但由于其异质结内建电场方向杂乱无序，电荷需要通过跳跃的方式在给体受体间传输，所以仍然没法满足高效率太阳电池对吸光层较高载流子输运和收集效率的要求。
为提供吸光层的光吸收效率，可以引入陷光结构，如纳米线阵列、金字塔结构等。虽然可以起到很好的陷光作用，但它们通常都具有表面杂乱无章，边角尖锐等特点。一方面不利于较薄吸光层和电极的制备，另一方面尖锐尖角结构也容易在电池中引入缺陷，从而限制电池效率的提高。因此，在保证较高光吸收率和较大异质结界面的情况下降低吸光层薄膜厚度、提高薄膜质量，使太阳电池兼具平面异质结和体异质结的优点，对于提升太阳电池性能具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种曲面异质结太阳电池及其制作方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种曲面异质结太阳电池，包括：
衬底；
银纳米颗粒阵列，设置在衬底上；
曲面金属膜，设置在银纳米颗粒阵列上，作为陷光结构及电荷收集电极；
第一载流子传输层，设置在曲面金属膜上；
吸光层，设置在第一载流子传输层上；
第二载流子传输层，设置在吸光层上；以及
电极，设置在第二载流子传输层上。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种曲面异质结太阳电池的制作方法，包括：
在衬底上沉积银薄膜；
对沉积银薄膜后的衬底退火处理形成银纳米颗粒阵列；
在银纳米颗粒阵列表面沉积曲面金属膜；
在曲面金属膜上制备第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极，得到所述曲面异质结太阳电池。
基于上述技术方案可知，本发明的曲面异质结太阳电池及其制作方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
(1)本发明曲面异质结构具有陷光效果，能够提升吸光层光吸收效率；
(2)曲面结构相对于尖锐陷光结构不易在薄膜中引入缺陷；
(3)曲面结构有利于降低吸光层厚度，增加异质结界面面积，从而提高电荷传输效率。
(4)曲面异质结在宏观尺度上的内建电场方向与电荷收集方向是不一致的，但在微观尺度上是与电荷收集方向是一致的，因此能够解决传统体异质结内建电场分布无序和电荷收集方向不一致的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中曲面异质结太阳电池结构示意图；
图2是本发明实施例中曲面异质结太阳电池制作流程图。
附图标记说明：
1-衬底，2-银纳米颗粒阵列，3-曲面金属膜，41-第一载流子传输层，42-第二载流子传输层，5-吸光层，6-透明电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
为解决太阳电池中光吸收和电荷传输效率直接相互矛盾的问题，本发明提供了一种曲面异质结太阳电池结构及其制作方法。此结构不但具有较好的陷光效果，同时也能实现较薄吸光层的高质量制备，而且曲面陷光结构相对于尖锐陷光结构不易在吸光层中引入缺陷。
本发明公开了一种曲面异质结太阳电池，包括：
衬底；
银纳米颗粒阵列，设置在衬底上；
曲面金属膜，设置在银纳米颗粒阵列上，作为陷光结构及电荷收集电极；
第一载流子传输层，设置在曲面金属膜上；
吸光层，设置在第一载流子传输层上；
第二载流子传输层，设置在吸光层上；以及
电极，设置在第二载流子传输层上。
在本发明的一些实施例中，所述第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极的形状与曲面金属膜的曲面形状相同。
在本发明的一些实施例中，所述银纳米颗粒阵列中银颗粒尺寸范围在50nm至500nm之间，例如为50nm、80nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm。
在本发明的一些实施例中，银颗粒的颗粒间距范围在50nm至1000nm之间，例如为50nm、60nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm。
在本发明的一些实施例中，所述曲面金属膜完全覆盖银纳米颗粒阵列；
在本发明的一些实施例中，所述曲面金属膜采用的材料包括金、银、铝中的至少一种；
在本发明的一些实施例中，所述曲面金属膜的厚度范围在20nm至500nm之间，例如为20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括玻璃或硅片；
在本发明的一些实施例中，所述吸光层采用的材料包括有机半导体或金属卤化物钙钛矿材料；
在本发明的一些实施例中，所述吸光层的厚度范围在50nm至1000nm之间。
在本发明的一些实施例中，所述电极包括透明电极；
在本发明的一些实施例中，所述电极采用的材料包括氧化铟锡、氧化铟锌、掺铝氧化锌、氟掺杂氧化锡中的至少一种。
本发明还公开了一种曲面异质结太阳电池的制作方法，包括：
在衬底上沉积银薄膜；
对沉积银薄膜后的衬底退火处理形成银纳米颗粒阵列；
在银纳米颗粒阵列表面沉积曲面金属膜；
在曲面金属膜上制备第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极，得到所述曲面异质结太阳电池。
在本发明的一些实施例中，所述银薄膜的厚度为10nm至100nm，例如为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm；
在本发明的一些实施例中，所述退火步骤中退火温度在400℃至600℃之间，例如为400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、520℃、550℃、580℃、600℃；
在本发明的一些实施例中，退火时间在10min至60min之间，例如为10min、20min、30min、40min、50min、60min；
在本发明的一些实施例中，退火气氛包括空气或氮气。
在本发明的一些实施例中，所述第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极的形状与曲面金属膜的曲面形状相同。
在本发明的一些实施例中，所述银纳米颗粒阵列中银颗粒尺寸范围在50nm至500nm之间，例如为50nm、80nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm。
在本发明的一些实施例中，银颗粒的颗粒间距范围在50nm至1000nm之间，例如为50nm、60nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm。
在本发明的一些实施例中，所述曲面金属膜完全覆盖银纳米颗粒阵列；
在本发明的一些实施例中，所述曲面金属膜采用的材料包括金、银、铝中的至少一种；
在本发明的一些实施例中，所述曲面金属膜的厚度范围在20nm至500nm之间，例如为20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括玻璃或硅片；
在本发明的一些实施例中，所述吸光层采用的材料包括有机半导体或金属卤化物钙钛矿材料；
在本发明的一些实施例中，所述吸光层的厚度范围在50nm至1000nm之间。
在本发明的一些实施例中，所述电极包括透明电极；
在本发明的一些实施例中，所述电极采用的材料包括氧化铟锡、氧化铟锌、掺铝氧化锌、氟掺杂氧化锡中的至少一种。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种曲面异质结太阳电池，包括衬底1，银纳米颗粒阵列2，曲面金属膜3，载流子传输层(包括第一载流子传输层41和第二载流子传输层42)，吸光层5，透明电极6；所述曲面金属膜3充当陷光结构，同时作为电荷收集电极；所述载流子传输层包括空穴传输层和电子传输层；所述吸光层5包括一层或多层薄膜。
衬底1包括玻璃、硅片等，主要用于支撑银纳米颗粒阵列2。衬底材料一般要求能够承受600℃的退火温度。
银纳米颗粒阵列2中银颗粒尺寸范围在50nm至500nm之间，颗粒间距范围在50nm至1000nm之间。银纳米颗粒阵列2主要用于形成曲面金属膜3。
曲面金属膜3的材料为金、银、铝及其组合，曲面金属膜填充银纳米颗粒下的间隙，并形成表面相对光滑的曲面陷光结构，膜层厚度范围在20nm至500nm之间。这里的曲面金属不但起到陷光作用，同时还能作为电荷收集电极。另一方面，凹凸曲面金属结构还有可能产生等离激元局域电场增强效应，这能够进一步促进激子分离和电荷传输。
载流子传输层包括第一载流子传输层41和第二载流子传输层42，第一载流子传输层41和第二载流子传输层42分别为电子传输层和空穴传输层，两者位置可以对调，即第一载流子传输层41为电子传输层时第二载流子传输层42为空穴传输层，第一载流子传输层41为空穴传输层时第二载流子传输层42为电子传输层。载流子传输层的主要作用是将吸光层产生的电子或空穴传输到电极，电子传输层能够传输电子而阻挡空穴，空穴传输层能够传输空穴而阻挡电子，这有利于电子和空穴的分离。
吸光层5可以是有机半导体材料，如P3HT，PCBM，PTB7，PC71BM，ICBA，PBDB-T，ITIC，PM6，Y6等，可以是给体和受体材料先后分别沉积制备的多层膜，也可以是互混形成的体异质结薄膜。吸光层还可以是金属卤化物钙钛矿材料，钙钛矿结构为ABX3，其中A为甲胺、甲脒、Cs、Rb及其混合阳离子，B为Pb和Sn等元素，X为Cl、Br、I等卤素。吸光层厚度范围在50nm至1000nm之间。吸光层的主要作用是吸收光子并将其转化成光生载流子，实现光电转换。
透明电极6为氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、掺铝氧化锌(AZO)、氟掺杂氧化锡(FTO)或金属氧化物/金属/金属氧化物等，太阳电池入射光从透明电极一端进入。为了提高透明电极的电荷收集效率，还可以在透明电极表面添加金、银、铜等细金属栅线，线宽范围在10μm至100μm之间。为了提高吸光层光吸收效率，透明电极顶部还可以添加ZnS、LiF、MgF等减反增透膜或直接贴附PDMS等抗反结构。
载流子传输层、吸光层5和透明电极6均制备成保形薄膜，使载流子传输层、吸光层5、透明电极6与曲面金属膜保持相同形状，从而使整个电池呈凹凸曲面结构，这样透明电极与曲面金属依然近似是平行关系，这有利于电荷的均匀收集。
如图2所示，一种曲面异质结太阳电池的制作方法，该方法包括：
步骤1：在硅片或玻璃衬底上沉积银薄膜；
步骤2：对沉积银薄膜的样品进行退火处理形成银纳米颗粒阵列；
步骤3：在银纳米颗粒阵列表面沉积曲面金属膜；
步骤4：制备太阳电池的载流子传输层、吸光层和透明电极。
步骤1中银薄膜采用真空蒸发或者磁控溅射沉积制备，银薄膜厚度10nm至100nm。步骤2中银薄膜退火温度在400℃至600℃之间，退火时间在10min至60min之间，退火气氛为空气或氮气。经过退火处理后，银膜将变成银纳米颗粒阵列，颗粒尺寸和间距与银膜厚度和退火温度相关。一般来说，银膜越厚，颗粒尺寸越大。退火温度越高，颗粒尺寸和颗粒间距越大。
步骤3中曲面金属薄膜材料为金、银、铝等，采用真空蒸发或者磁控溅射沉积制备，厚度要求将银纳米颗粒完全覆盖，并形成相对光滑的表面。这里采用铝金属主要是其填充效果更好，成本相对较低，沉积完铝后，可以再沉积一层银和金，由于金薄膜表面会相对光滑，因此更有利于曲面异质结的形成。
步骤4中太阳电池传输层包括空穴传输层和电子传输层，通过旋涂、真空蒸发、原子层沉积等工艺制备；吸光层为有机半导体材料或者金属卤化物钙钛矿材料，可以是单层材料或多层材料组合，通过旋涂、喷涂、刮涂、真空蒸发等工艺制备；透明电极为氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氟掺杂氧化锡(FTO)或金属氧化物/金属/金属氧化物等，通过真空蒸发或者磁控溅射工艺制备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种曲面异质结太阳电池，其特征在于，包括：
衬底；
银纳米颗粒阵列，设置在衬底上；
曲面金属膜，设置在银纳米颗粒阵列上，作为陷光结构及电荷收集电极；
第一载流子传输层，设置在曲面金属膜上；
吸光层，设置在第一载流子传输层上；
第二载流子传输层，设置在吸光层上；以及
电极，设置在第二载流子传输层上。
2.根据权利要求1所述的曲面异质结太阳电池，其特征在于，
所述第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极的形状与曲面金属膜的曲面形状相同。
3.根据权利要求1所述的曲面异质结太阳电池，其特征在于，
所述银纳米颗粒阵列中银颗粒尺寸范围在50nm至500nm之间，银颗粒的颗粒间距范围在50nm至1000nm之间。
4.根据权利要求1所述的曲面异质结太阳电池，其特征在于，
所述曲面金属膜完全覆盖银纳米颗粒阵列；
所述曲面金属膜采用的材料包括金、银、铝中的至少一种；
所述曲面金属膜的厚度范围在20nm至500nm之间。
5.根据权利要求1所述的曲面异质结太阳电池，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括玻璃或硅片；
所述吸光层采用的材料包括有机半导体或金属卤化物钙钛矿材料；厚度范围在50nm至1000nm之间。
6.根据权利要求1所述的曲面异质结太阳电池，其特征在于，
所述电极包括透明电极；
所述电极采用的材料包括氧化铟锡、氧化铟锌、掺铝氧化锌、氟掺杂氧化锡中的至少一种。
7.一种曲面异质结太阳电池的制作方法，包括：
在衬底上沉积银薄膜；
对沉积银薄膜后的衬底退火处理形成银纳米颗粒阵列；
在银纳米颗粒阵列表面沉积曲面金属膜；
在曲面金属膜上制备第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极，得到所述曲面异质结太阳电池。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，
所述银薄膜的厚度为10nm至100nm；
所述退火步骤中退火温度在400℃至600℃之间；退火时间在10min至60min之间；退火气氛包括空气或氮气。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，
所述第一载流子传输层、吸光层、第二载流子传输层和电极的形状与曲面金属膜的曲面形状相同。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，
所述曲面金属膜完全覆盖银纳米颗粒阵列；
所述银纳米颗粒阵列中银颗粒尺寸范围在50nm至500nm之间，银颗粒的颗粒间距范围在50nm至1000nm之间；
所述曲面金属膜的厚度范围在20nm至500nm之间；
所述吸光层的厚度范围在50nm至1000nm之间；
所述电极包括透明电极。
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