CN115915791A - 一种金属基底钙钛矿结构、制备方法及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属基底钙钛矿结构，其至少包括金属基底和钙钛矿层，所述金属基底与钙钛矿层之间至少设置有金属氧化物界面层。本发明的技术方案通过在金属基底上制备了钙钛矿太阳能电池，从而得到一种新型的钙钛矿太阳能电池结构：相比于传统的ITO和FTO玻璃基底，金属基底具有方阻小、可以提高开路电压的优势；此外，能够降低对高质量ITO的要求；本发明通过在金属基底和传输层之间引入透明电极层，实现了更好地提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的效果。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种金属基底钙钛矿结构、制备方法及太阳能电池。
背景技术
钙钛矿太阳能电池具有低成本，高效轻便的优势。目前常见的钙钛矿太阳能电池结构主要是构建在透明导电玻璃(ITO或者FTO的玻璃基底)上制备的，而ITO和FTO成本较高、方阻较大，容易使器件的串阻较大、而导致太阳能电池的填充因子和开压降低，限制了大面积钙钛矿器件的效率。
相比于ITO、FTO的玻璃基底，金属基底可以降低对高质量ITO、FTO基底的要求，并且金属电极的方阻小很多数量级。先前报导的一些金属基底钙钛矿器件结构，是直接在金属基底上制备的，或者是在电子传输层、空穴传输层上旋涂制备钙钛矿。由于钙钛矿和金属之间的光化学反应，导致制备得到的钙钛矿器件结构通常不稳定；此外，金属和钙钛矿之间的界面不匹配，制备得到的太阳能电池效率通常较差。
因此亟需一种在化学惰性的金属基底上面制备钙钛矿太阳能电池同时能兼顾太阳能电池效率的方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明通过在金属和钙钛矿以及传输层之间设置透明导电层来阻碍钙钛矿和金属之间的光化学反应从而进一步提高金属和钙钛矿之间的化学稳定性，且能实现金属和传输层更好的匹配度，从而制备得到高效稳定的金属基底钙钛矿太阳能电池。本发明技术方案的新型金属基底钙钛矿太阳能电池除用于制备单结金属基底钙钛矿太阳能电池，还可以应用于叠层电池的制备中。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了如下技术方案：一种金属基底钙钛矿结构，其至少包括金属基底和钙钛矿层，所述金属基底与钙钛矿层之间至少设置有金属氧化物界面层。
进一步地，所述金属氧化物界面层与钙钛矿层之间设置有空穴传输层或电子传输层。
再进一步地，所述空穴传输层或电子传输层采用n型或p型半导体材料制成。
进一步地，所述金属氧化物界面层的沉积方式包含不限于热蒸发、电子束蒸发、激光脉冲沉积、磁控溅射、原子层沉积、化学气相法沉积、化学浴沉积、反应离子束沉积等。
再进一步地，所述金属氧化物界面层为包括但不限于氟掺杂氧化锡(FTO)、锡掺杂氧化铟(ITO)、锌掺杂氧化铟(IZO)、铝掺杂氧化锌(AZO)、钨掺杂氧化铟(IWO)、钼掺杂氧化铟(IMO)、锡酸锌(ZTO)、钛掺杂氧化铟(ITiO)、氢掺杂氧化铟(IOH)、锑掺杂氧化铟(ATO)中的任一种或任几种。
进一步地，所述金属基底为金属沉积在基底上；所述基底包括刚性基底或柔性基底。
进一步地，所述刚性基底为光伏玻璃；所述柔性基底选自不锈钢片、铝箔、铜箔、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的任一种。
进一步地，所述金属选自钼、铋、铜、金、银、铁、铝、钛或铬中的任一种。
本发明还公开了如上所述的金属基底钙钛矿结构的制备方法，具体步骤如下：
1)在干净的金属基底上制备金属氧化物界面层；
2)在步骤1)得到的金属氧化物界面层上制备空穴传输层或电子传输层；
3)在步骤2)得到的层上沉积钙钛矿层；
4)在步骤3)得到的层上制备电子传输层或空穴传输层；
5)在步骤4)得到的层上制备缓冲层；
6)在步骤5)得到的缓冲层上制备电极层或隧穿结。
进一步地，所述金属氧化物界面层厚度为20-100nm。
进一步地，所述空穴传输层或电子传输层厚度为5-50nm。
进一步地，所述钙钛矿层厚度为100-800nm。
本发明还提供了一种太阳能电池，包括如上所述的金属基底钙钛矿结构或如上所述的制备方法制备得到的结构。
进一步地，所述太阳能电池为p-i-n结构，由下至上依次包括金属基底、金属氧化物界面层、p型空穴传输层、钙钛矿、n型电子传输层、缓冲层、金属氧化物层和金属栅线。
由于采用了以上技术，本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明的技术方案通过在金属基底上制备了钙钛矿太阳能电池，从而得到一种新型的钙钛矿太阳能电池结构：相比于传统的ITO和FTO玻璃基底，金属基底具有方阻小、可以提高FF的优势；此外，能够降低对高质量ITO的要求；本发明通过在金属基底和传输层之间引入透明电极层，实现了更好地提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的效果；
2)本发明的技术方案相对于现有技术具有成本更低并且更容易扩大化生产的优点，并且适合应用于大面积刚性钙钛矿太阳能电池、大面积柔性钙钛矿太阳能电池、大面积有机太阳能电池、叠层电池等。
附图说明
图1为具有本发明的金属基底钙钛矿结构的单结太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例1的单结太阳能电池的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1中p-i-n结构的太阳能电池的电流密度-电压曲线；
图4为具有本发明的金属基底钙钛矿结构的叠层太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，以下结合具体实施案例对本发明做进一步详细说明。这些实施例是用于说明本发明的主要反应及基本特征，不受以下实施案例的限制，实施案例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步的调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
如图1所示，本发明设计了一种新型的金属基底钙钛矿太阳能结构，其中缓冲层采用n型或p型半导体材料制成，传输层采用对应的p型或n型的半导体材料制成；且n型和p型半导体材料分别具有电子和空穴传输能力。
在本发明中，金属层可以采用金、银、铜、铁、铝、钼、铬、钛等金属材料制备，但不限于上述所列的金属材料。金属层可以选用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射、原子层沉积、旋涂、刮涂等沉积方法制得。
在本发明中，p型空穴传输层可以采用氧化镍(NiO)、氧化钼(MoO3)、氧化亚铜(Cu2O)、碘化铜(CuI)、酞菁铜(CuPc)、硫氰酸亚铜(CuSCN)、氧化还原石墨烯、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、聚乙烯基咔唑(PVK)等一种或多种p型半导体材料制成，但不限于上述所列的p型半导体材料。
n型电子传输层可以采用富勒烯(C60、C70)等及其衍生物[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化钒(V2O5)、氧化锌锡(Zn2SnO4)等一种或多种n型半导体材料制成，但不限于上述所列的n型半导体材料。
金属栅线的制备方法包括但不限于热蒸发、丝网印刷、电镀等技术。
沉积方法包含物理沉积与化学沉积方法。物理沉积方法包含不限于真空蒸发法、溅射、离子束沉积、脉冲激光沉积等；化学沉积方法包括但不仅限于化学气相沉积、原子层沉积、溶胶-凝胶旋涂法等。
下面结合具体实施例对上述方案作进一步说明。
实施例1
本实施例1采用图1结构制备p-i-n结构的金属基底钙钛矿太阳能电池，具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的IZO；
3)在IZO上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
4)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
5)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
6)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
7)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm左右；
8)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例2
本实施例2采用图1结构制备p-i-n结构的金属基底钙钛矿太阳能电池，具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的ITO；
2)在ITO上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
3)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
4)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
5)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
6)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm左右；
7)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例3
本实施例3采用图1结构制备p-i-n结构的金属基底钙钛矿太阳能电池，具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的ITO；
2)在ITO上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
3)在制备好的层上旋涂沉积一层窄带隙的钙钛矿，厚度约1μm；
4)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
5)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
6)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm左右；
7)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例4
本实施例3采用图4结构制备p-i-n结构的金属基底钙钛矿叠层太阳能电池，具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的IZO；
3)在IZO上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
4)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
5)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
6)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
7)在SnO2上制备一层20nm厚的TCO、1nm厚金，作为隧穿结；
8)在隧穿结上面制备20nm左右的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为空穴传输层；
9)在空穴传输层上旋涂沉积一层窄带隙的钙钛矿，厚度约1μm；
10)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
11)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
12)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm；
13)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例5
本实施例4采用图4结构制备p-i-n结构的金属基底钙钛矿叠层太阳能电池，具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的ITO；
3)在ITO上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
4)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
5)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
6)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
7)在SnO2上制备一层20nm厚的TCO、1nm厚金，作为隧穿结；
8)在隧穿结上面制备20nm左右的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为空穴传输层；
9)在空穴传输层上旋涂沉积一层窄带隙的钙钛矿，厚度约1um；
10)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
11)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
11)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm；
12)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
对照例1
本对照例的太阳能电池具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)在金属基底上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
3)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
4)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
5)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
6)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为150nm左右；
7)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
对照例2
本对照例的叠层太阳能电池具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)在金属基底上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
2)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
3)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
4)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
5)在SnO2上制备一层20nm厚的TCO、1nm厚金，作为隧穿结；
6)在隧穿结上面制备20nm左右的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为空穴传输层；
7)在空穴传输层上旋涂沉积一层窄带隙的钙钛矿，厚度约1μm；
8)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
9)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
10)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm；
11)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例6
本实施例5采用图1结构制备p-i-n结构的金属基底钙钛矿太阳能电池，具体制备过程如下：
1)在清洗干净的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的ITO；
3)在ITO上制备一层20nm的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)作为空穴传输层；
4)在制备好的层上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
5)利用热蒸发制备一层富勒烯(C60)作为电子传输层，厚度大约20nm；
6)使用原子层沉积在C60上生长一层SnO2作为缓冲层，厚度为20nm；
7)使用磁控溅射在SnO2上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm左右；
8)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例7
n-i-p结构钙钛矿太阳能电池的具体制备过程如下：
1)在清洗干净的玻璃基底上采用磁控技术制备1μm厚的Mo金属基底；
2)然后在金属基底上制备一层30nm的ITO；
3)在ITO衬底上采用旋涂法制备一层氧化锡(SnOx)作为电子传输层，SnOx为20mg/ml纳米颗粒水溶液，150℃退火30min；
2)在SnOx上旋涂沉积一层常规带隙的钙钛矿，厚度约500nm；
4)利用旋涂法制备厚度约150nm的2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴(Spiro-OMeTAD),溶液为70mg/ml氯苯溶液，速度为4000转/分钟；
5)利用热蒸发制备一层厚度大约10nm的MoOx作为阻挡层；
6)使用磁控溅射在MoOx上生长一层IZO作为透明电极，厚度为100nm左右；
8)使用热蒸发在IZO周围生长一层Ag作为电极栅线，厚度为200nm左右。
实施例8
将制备好的钙钛矿电池，放在AM1.5的模拟太阳光下，使用keithley 2400源表记录电池的电流密度-电压(J-V)曲线。
如图3所示，单节钙钛矿电池的开路电压从0.63V提升到了1.1V，电流从19m A cm-2提升到了20.8m A cm-2，光电转换效率从8.2％提升到了16％。认为是IZO的引入使得金属和钙钛矿之间的能级更加匹配，有利于载流子的提取，减少了复合，进而提高了效率。
此外，通过统计对比ITO玻璃基底器件和金属基底器件，也发现扩大面积后金属基底的器件FF下降远小于ITO玻璃基底的器件。
图3为实施例1与对照例1制备得到的钙钛矿太阳能电池的性能曲线，可以看出，器件电压和电流的提升来源于IZO的引入。
上述实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围，即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属基底钙钛矿结构，其至少包括金属基底和钙钛矿层，其特征在于，所述金属基底与钙钛矿层之间至少设置有金属氧化物界面层。
2.如权利要求1所述的金属基底钙钛矿结构，其特征在于，所述金属氧化物界面层与钙钛矿层之间设置有空穴传输层或电子传输层；
优选地，所述金属氧化物界面层为选自氟掺杂氧化锡、锡掺杂氧化铟、锌掺杂氧化铟、铝掺杂氧化锌、钨掺杂氧化铟、钼掺杂氧化铟、锡酸锌、钛掺杂氧化铟、氢掺杂氧化铟、锑掺杂氧化铟中的任一种或任几种。
3.如权利要求1所述的金属基底钙钛矿结构，其特征在于，所述金属基底为金属沉积在基底上；所述基底包括刚性基底或柔性基底。
4.如权利要求3所述的金属基底钙钛矿结构，其特征在于，所述刚性基底为光伏玻璃；所述柔性基底选自不锈钢片、铝箔、铜箔、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的任一种。
5.如权利要求3所述的金属基底钙钛矿结构，其特征在于，所述金属选自钼、铋、铜、金、银、铁、铝、钛或铬中的任一种。
6.如权利要求1-5任一项所述的金属基底钙钛矿结构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)在干净的金属基底上制备金属氧化物界面层；
2)在步骤1)得到的金属氧化物界面层上制备空穴传输层或电子传输层；
3)在步骤2)得到的层上沉积钙钛矿层；
4)在步骤3)得到的层上制备电子传输层或空穴传输层；
5)在步骤4)得到的层上制备缓冲层；
6)在步骤5)得到的缓冲层上制备电极层或隧穿结。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物界面层厚度为20-100nm。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层或电子传输层厚度为5-50nm。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿层厚度为100-800nm。
10.一种太阳能电池，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的金属基底钙钛矿结构或如权利要求6-9任一项所述的制备方法制备得到的结构。
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