CN117177639A - 一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，公开了一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，通过在晶硅电池上蒸镀碘化铅，并结合原子层沉积技术和适度水气处理的方式，精密控制水的量和接触时间，实现对碘化铅形貌的严格把控，使其完全转化为钙钛矿形态，从而提高钙改善了钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率和长期稳定性，提高了电池的性能表现。而且本发明采用的工艺简单可行，适用于大规模生产，并具有较高的工业化潜力。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法。
背景技术
钙钛矿晶硅叠层太阳能电池因其高效率和低成本而备受关注，然而，蒸镀碘化铅过程中，由于蒸镀工艺的原因，导致制备的碘化铅薄膜膜面均匀致密，碘化铅形貌不理想，无法完全转化为稳定的钙钛矿晶体结构，从而降低了太阳能电池的效率和稳定性，因此，如何得到均匀疏松的碘化铅薄膜是亟待解决的问题。
目前调控碘化铅形貌的方法有多种，其中水处理法是最简单成本最低的方法，但是目前使用的水处理法是在蒸镀制备好的碘化铅薄膜上再旋涂一层水，这种方法虽然能够得到疏松的碘化铅形貌，有利于后续有机盐的渗入，进而得到更好的钙钛矿薄膜，但是该方法的重现率不高，因为疏松碘化铅的形成对水接触这一过程的时间要求很严格，时间窗口在1秒左右，因此难以大规模普及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，通过使用原子层沉积技术，调节碘化铅形貌，使钙钛矿晶硅叠层太阳能电池具有更高的光电转化效率等综合性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：依次使用去离子水、丙酮和乙醇清洗已制绒的晶硅片；
步骤二：在室温下，通过射频电源溅射将NiOX沉积到预清洗晶硅片的n面，形成SHJ晶硅基底；
步骤三：将[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸溶于无水乙醇中，在氮气手套箱中搅拌，形成混合液，在氮气的手套箱中，以2000-4000rpm的转速将其在SHJ晶硅基底表面旋涂30s，再经100-200℃热处理10-30min，形成预处理SHJ晶硅基底；
步骤四：使用蒸镀设备，设置蒸镀速率为在，预处理SHJ晶硅基底上蒸镀形成PbI2薄膜；
步骤五：使用原子层沉积技术，对PbI2薄膜进行处理；
步骤六：向异丙醇中加入甲脒氢碘酸盐、甲胺氢溴酸盐和甲胺盐酸盐，搅拌混合，形成均匀溶液，在湿度为5％的空气中，以2000-30000rpm的转速，将其旋涂在原子层沉积技术处理后的PbI2薄膜层表面30s，并置于湿度为35-50％、温度为100-200℃的条件下退火25-35min，形成钙钛矿层；
步骤七：在钙钛矿层上依次蒸发形成厚度为1-3nm的氟化锂层和厚度为20-30nm的富勒烯层，再通过原子层沉积技术，在富勒烯层表面沉积氧化锡层；
步骤八：在室温下，通过直流溅射，在氧化锡层表面沉积厚度为80-100nm的氧化铟锌层，并在氧化铟锌层周围热蒸发厚度为80-100nm的银栅，再蒸发厚度为80-100nm的氟化镁抗反射层；
步骤九：在晶硅片的P侧蒸发厚度为100nm的银栅。
进一步地，步骤二中，所述射频电源溅射时，设置腔室压力为0.3-0.4Pa、射频功率为100-200W，氩气流速为10-30sccm，持续10-15min。
进一步地，步骤三中，所述混合液的浓度为0.5-1.5mg/mL。
进一步地，步骤五中，所述处理的具体过程为：将含PbI2薄膜的SHJ晶硅基底放置于原子层沉积设备的腔室内，控制腔室内的温度低于70℃，水脉冲吹扫时间为20ms，并进行10s的氮气净化，循环50个周期，即可。
进一步地，步骤六中，所述均匀溶液中，甲脒氢碘酸盐的浓度为80-90mg/mL、甲胺氢溴酸盐的浓度为10-15mg/mL、甲胺盐酸盐的浓度为5-10mg/mL。
进一步地，所述沉积氧化锡层的具体过程为：将四(二甲氨基)锡放置于原子层沉积设备的腔室内，保持腔室内温度在100℃以下，脉冲长度为100ms，然后，用氮气吹扫20s，接着注入20ms的水脉冲，再使用氮气净化25s，循环160个周期，在循环过程中，采用氮气作为载气，设置氮气流速为20sccm。
在上述技术方案中，通过在晶硅电池上蒸镀碘化铅层，确保均匀覆盖并形成连续致密的薄膜，再利用原子层沉积技术，利用水脉冲注入湿碘化铅膜，反应后进行氮气吹扫，如此循环一段时间，将获得结构疏松的碘化铅薄膜。其原因是水中的氢(H)原子作为盖层剂可以优先吸附在碘化铅晶体的(101)面上，并与I原子进行化学键合，从而降低该面的表面能，这导致(001)面比(101)高于(101)面的晶体表面能，表面能较高的面具有较快的生长速率，这将导致该面在生长过程中逐渐消失，使该面在最终晶体中的比例降低，随着部分晶面的消失，原先致密的碘化铅薄膜变成了疏松的碘化铅薄膜，该种独特的形貌有助于有机阳离子溶液进入碘化铅，促进其与碘化铅的反应，从而减少了钙钛矿膜中碘化铅的残留量。与传统的两步法相比，原子层沉积水脉冲注入法可以获得高质量的钙钛矿薄膜，具有增大晶粒尺寸、改善结晶的效果，进而可获得更好的叠层太阳能电池。
本发明的有益效果：
1)通过使用原子层沉积技术，利用水脉冲注入湿碘化铅膜，使得碘化铅形貌得以精确控制，优化了碘化铅形貌，有利于将其转化为较理想的钙钛矿晶体结构。
2)改善了钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率和长期稳定性，提高了电池的性能表现。
3)采用的工艺简单可行，适用于大规模生产，并具有较高的工业化潜力。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例1中蒸镀碘化铅的流程示意图；
图3为本发明实施例1中原子沉积技术处理PbI2薄膜的流程示意图；
图4为本发明实施例1中钙钛矿层退火工艺的示意图；
图5为本发明实施例1和对比例1制备的钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的J-V测试曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中制得的钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的结构示意图如图1所示。
实施例1
一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：依次使用去离子水、丙酮和乙醇清洗已制绒的晶硅片；
步骤二：在室温下，通过射频电源溅射将NiOX沉积到预清洗晶硅片的n面，设置腔室压力为0.3Pa、射频功率为150W，氩气流速为20sccm，持续15min，形成SHJ晶硅基底；
步骤三：将[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸(Meo-2PACz)溶于无水乙醇中，在氮气手套箱中搅拌，配置成浓度为1mg/mL的混合液，在氮气的手套箱中，以3000rpm的转速将其在SHJ晶硅基底表面旋涂30s，再经100℃热处理10min，形成预处理SHJ晶硅基底；
步骤四：使用蒸镀设备，设置蒸镀速率为在预处理SHJ晶硅基底上蒸镀形成PbI2薄膜；图2为蒸镀碘化铅的流程示意图；
步骤五：将含PbI2薄膜的SHJ晶硅基底放置于原子层沉积设备的腔室内，控制腔室内的温度低于70℃，水脉冲吹扫时间为20ms，并进行10s的氮气净化，循环50个周期；图3该步骤的流程示意图；
步骤六：向异丙醇中加入甲脒氢碘酸盐、甲胺氢溴酸盐和甲胺盐酸盐，搅拌混合，形成均匀溶液，控制甲脒氢碘酸盐的浓度为82mg/mL、甲胺氢溴酸盐的浓度为10mg/mL、甲胺盐酸盐的浓度为6mg/mL，在湿度为5％的空气中，以2000rpm的转速，将均匀溶液旋涂在经原子层沉积技术处理后的PbI2薄膜层表面30s，并置于湿度为45％、温度为150℃的条件下退火30min，形成钙钛矿层；图4为钙钛矿层的退火工艺流程图；
步骤七：在钙钛矿层上依次蒸发形成厚度为1nm的氟化锂层和厚度为20nm的富勒烯层，再将四(二甲氨基)锡放置于原子层沉积设备的腔室内，保持腔室内温度在100℃以下，脉冲长度为100ms，然后，用氮气吹扫20s，接着注入20ms的水脉冲，再使用氮气净化25s，循环160个周期，在循环过程中，采用氮气作为载气，设置氮气流速为20sccm；
步骤八：在室温下，通过直流溅射，在氧化锡层表面沉积厚度为100nm的氧化铟锌层，并在氧化铟锌层周围热蒸发厚度为100nm的银栅，再蒸发厚度为100nm的氟化镁抗反射层；
步骤九：在晶硅片的P侧蒸发厚度为100nm的银栅。
对比例1
一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，与实施例1的不同之处在于不进行步骤五的操作，其他步骤与实施例1相同。
对本发明实施例1和对比例1制备的钙钛矿硅晶太阳能电池进行性能测试，测试结果记录在下表中，图5为电池的J-V测试曲线图：
结合上表和图5的测试结果可知，使用原子层沉积技术处理碘化铅薄膜制得的钙钛矿硅晶太阳能电池光电转换效率等综合性能更加优异。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：依次使用去离子水、丙酮和乙醇清洗已制绒的晶硅片；
步骤二：在室温下，通过射频电源溅射将NiOX沉积到预清洗晶硅片的n面，形成SHJ晶硅基底；
步骤三：将[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸溶于无水乙醇中，在氮气手套箱中搅拌，形成混合液，在氮气的手套箱中，以2000-4000rpm的转速将其在SHJ晶硅基底表面旋涂25-35s，再经100-200℃热处理10-30min，形成预处理SHJ晶硅基底；
步骤四：使用蒸镀设备，设置蒸镀速率为在预处理SHJ晶硅基底上蒸镀形成PbI2薄膜；
步骤五：使用原子层沉积技术，对PbI2薄膜进行处理；
步骤六：向异丙醇中加入甲脒氢碘酸盐、甲胺氢溴酸盐和甲胺盐酸盐，搅拌混合，形成均匀溶液，在湿度为5％的空气中，以2000-3000rpm的转速，将其旋涂在处理后的PbI2薄膜层表面30s，并置于湿度为35-50％、温度为100-200℃的条件下退火25-35min，形成钙钛矿层；
步骤七：在钙钛矿层上依次蒸发形成厚度为1-3nm的氟化锂层和厚度为20-30nm的富勒烯层，再通过原子层沉积技术，在富勒烯层表面沉积氧化锡层；
步骤八：在室温下，通过直流溅射，在氧化锡层表面沉积厚度为80-100nm的氧化铟锌层，并在氧化铟锌层周围热蒸发厚度为80-100nm的银栅，再蒸发厚度为80-100nm的氟化镁抗反射层；
步骤九：在晶硅片的P侧蒸发厚度为100nm的银栅。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述射频电源溅射时，设置腔室压力为0.3-0.4Pa、射频功率为100-200W，氩气流速为10-30sccm，持续10-15min。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述混合液的浓度为0.5-1.5mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述处理的具体过程为：将含PbI2薄膜的SHJ晶硅基底放置于原子层沉积设备的腔室内，控制腔室内的温度低于70℃，水脉冲吹扫时间为20ms，并进行10s的氮气净化，循环50个周期，即可。
5.根据权利要求1所述的一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤六中，所述均匀溶液中，甲脒氢碘酸盐的浓度为80-90mg/mL、甲胺氢溴酸盐的浓度为10-15mg/mL、甲胺盐酸盐的浓度为5-10mg/mL。
6.根据权利要求1所述的一种钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤七中，所述沉积氧化锡层的具体过程为：将四(二甲氨基)锡放置于原子层沉积设备的腔室内，保持腔室内温度在100℃以下，脉冲长度为100ms，然后，用氮气吹扫20s，接着注入20ms的水脉冲，再使用氮气净化25s，循环160个周期，在循环过程中，采用氮气作为载气，设置氮气流速为20sccm。
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