CN204885219U

CN204885219U - 一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池

Info

Publication number: CN204885219U
Application number: CN201520679722.4U
Authority: CN
Inventors: 赵斌; 唐立丹; 王冰; 刘亮
Original assignee: Liaoning University of Technology
Current assignee: Liaoning University of Technology
Priority date: 2015-09-06
Filing date: 2015-09-06
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2025-09-06

Abstract

本实用新型公开了一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，包括：材质为透明导电玻璃的导电玻璃层，电子传输层，空穴阻止层，光吸收层，空穴传输层，以及最外层的对电极层，通过空穴阻挡层改善电子传输层电子传输能力，使得禁带宽度变窄，降低纳米阵列与透明导电玻璃之间的界面电阻，使得纳米阵列二氧化钛上的电子更加容易向透明导电玻璃传输，从而能有效提高钙钛矿太阳能电池效率；采用水热合成方式制备出纳米阵列二氧化钛，层间采用旋凃方式组装成钙钛矿太阳能电池，制作简单，成本低廉；顶层和底层采用极精细金属网构成光陷阱，捕获光子，防止光线反射和溢出，有效提高了钙钛矿太阳能电池的转换效率。

Description

一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种纳米阵列二氧化钛太阳能电池，特别是涉及一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池。

背景技术

随着传统能源的消耗，能源危机与环境问题已经成为当前世界面临的严重问题。太阳能作为可再生能源，具有无污染，取之不尽用之不竭的特点，对太阳能电池的发展具有重要的意义。目前晶硅电池具有较高的效率，但是制备成本高。有机太阳能电池成本低，可大面积柔性制造等特点，但是光电转换效率低。

钙钛矿太阳能电池由透明导电玻璃，电子传输层，钙钛矿结构吸光层，空穴传输层，对阴极组成。目前电子传输层一般都为介孔二氧化钛，传输能力低，转换效率只有3.8％左右，因此急需改变电子传输层结构，提高钙钛矿太阳能电池的转换效率。

实用新型内容

本实用新型设计开发了一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，采用锂纳米阵列二氧化钛作为电子传输层，传输能力高，顶层和底层采用极精细金属网构成光陷阱，防止光线反射和溢出，将钙钛矿太阳能电池的转换效率提高至25％以上。

本实用新型提供的技术方案为：

一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池,自下至上，包括：

防溢出层,其材质为极精细金属网；

导电玻璃层，其为衬底层，材质为透明导电玻璃；

电子传输层，其用于传输电子,材质为纳米阵列二氧化钛；

空穴阻挡层，其主要用于增加收集电子和阻挡空穴的能力；

光吸收层，其吸收光子后会产生电子和空穴，价带能级高于所述电子传输层；

以及,空穴传输层，其用于空穴传输，价带能级高于所述光吸收层；

最外层的对电极层，其为所述太阳能电池的阴极，材质为极精细金属网。

优选的是，所述的导电玻璃层厚度为2mm-5mm。

优选的是，所述的空穴阻挡层成分为氟化锂、氟化钠、锂盐中的一种。

优选的是，所述的光吸收层为光学薄膜，成分为钙钛矿，厚度为50nm～200nm。

优选的是，所述的空穴传输层其成分为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺芴，厚度为80nm～100nm。

优选的是，所述的纳米阵列二氧化钛采用水热合成方式附着在所述的导电玻璃层上。

优选的是，所述的光吸收层采用匀胶机旋凃在所述空穴阻挡层表面。

优选的是，所述的空穴传输层采用匀胶机旋凃在所述光吸收层表面。

优选的是，所述的防溢出层厚度为30nm～80nm，网孔直径为100nm～200nm。

优选的是，所述的对电极层厚度为30nm～80nm，网孔直径为100nm～200nm。

有益效果

本实用新型通过空穴阻挡层改善电子传输层电子传输能力，使得禁带宽度变窄，降低纳米阵列与透明导电玻璃之间的的界面电阻，使得纳米阵列二氧化钛上的电子更加容易向透明导电玻璃传输，从而能有效提高钙钛矿太阳能电池效率；采用水热合成方式制备出纳米阵列二氧化钛，层间采用旋凃方式组装成钙钛矿太阳能电池，制作简单，成本低廉；顶层和底层采用极精细金属网构成光陷阱，捕获光子，防止光线反射和溢出，有效提高了钙钛矿太阳能电池的转换效率。

附图说明

图1为本实用新型所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池结构示意图。

图2为本实用新型所述的纳米阵列二氧化钛的扫描电子显微镜图。

图3为本实用新型所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池能带图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本实用新型提供的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池包括，防溢出层110，导电玻璃层120，电子传输层130，空穴阻挡层140，光吸收层150，空穴传输层160，和对电极层170。

防溢出层110，其材质为其为极精细金属网，厚度为厚度为30nm～80nm，网孔直径为100nm～200nm，该网状结构与对电极层170材质相同，当光线入射到太阳能电池，因金属网厚度与网孔直径小于太阳能电池的收集波长，因此光线不易反射溢出，使用这些次波长结构，能够创建出一个可以捕获光子的光陷阱，阴天或电池不直接面向太阳，通过捕捉斜射光线可额外提高太阳能电池的转换效率。

导电玻璃层120，其为太阳能电池的衬底层，材质选用透明导电玻璃(FTO)，即为掺杂氟的氧化锡透明导电玻璃，具有对可见光透光性好、紫外吸收系数大，电阻率低、化学性能稳定以及室温下抗酸碱能力强等特点，厚度为2mm-5mm，在制备过程中需先用去离子水洗涤，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水超声洗涤15min，氮气吹干,衬底层的清洁度直接影响其表面镀膜的效果；

电子传输层130，其为致密的纳米阵列二氧化钛薄膜，以阻止光吸收层150的载流子与导电玻璃层120的载流子复合，其以导电玻璃层120作为衬底，通过表面蒸凃空穴阻挡层140来改善电子传输层130的导电能力，以提高电池的性能，其制备方法为，通过水热合成方法在导电玻璃层120表面制备出锂纳米阵列二氧化钛薄膜，然后在80℃下加热1h退火，制得所需的纳米阵列二氧化钛_，其磨蹭厚度均匀，纳米阵列分立有序，垂直性好；

空穴阻挡层140，空穴阻挡层140成分为氟化锂、氟化钠、锂盐中的一种或几种的混合，均可采用此方法制备，其利用机械泵和分子泵抽真空腔体，加热钽舟使得氟化锂颗粒达到熔化状态，通过调节上钽舟的加热电流，控制合适的蒸汽流，最后氟化锂蒸汽原子沉积到电子传输层130上，形成太阳能电池的空穴阻挡层140，其与电子传输层130配合，能形成界面接触良好的空穴阻挡层，提高电子传输和空穴阻挡能力，明显的提高电池效率和稳定性。

光吸收层150，其材质为钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)薄膜，厚度为50nm～200nm,在接受太阳光照射时，光吸收层150首先吸收光子产生电子—空穴对，由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者成为激子，而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长,钙钛矿的熔点要比玻璃低，因此可以采用旋凃方式制备，其制备方法为，称取0.01mol的甲基碘化铵(CH₃NH₃I)和0.01mol的碘化铅(PbI₂)，将这两固体都溶入到5ml的二甲基甲酰胺(DMF)中，搅拌20min，得到透明的钙钛矿溶液，将钙钛矿溶液滴在匀胶机上，低速1500r/min，旋涂时间15s，高速3000r/min，旋凃在空穴阻挡层140表面，旋涂时间30s。将所得的薄膜进行真空80℃下保温30min退火，得到黑色的钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)薄膜；

空穴传输层160，其成分为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺芴(spiro-OMeTAD)，传输效率高，并且具有良好的稳定性，其制备方式为，旋涂在光吸收层150钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)材料上,其厚度为80nm～100nm；

对电极层170，其材质为其为极精细金属网，厚度为厚度为30nm～80nm，网孔直径为100nm～200nm，该网状结构与防溢出层110材质相同，当光线入射到太阳能电池，因金属网厚度与网孔直径小于太阳能电池的收集波长，因此光线不易反射溢出，使用这些次波长结构，能够创建出一个可以捕获光子的光陷阱，阴天或电池不直接面向太阳，通过捕捉斜射光线可额外提高太阳能电池的转换效率。

在另一实施例中，如图2所示，电子传输层130与空穴阻挡层140合并为一层，其为致密的掺杂锂的纳米阵列二氧化钛薄膜，以阻止光吸收层150的载流子与导电玻璃层120的载流子复合，其以导电玻璃层120作为衬底，通过掺杂浓度为6％～8％的锂来改善电子传输层130的导电能力，以提高电池的性能，其制备方法为，通过水热合成方法在导电玻璃层120表面制备出锂掺杂纳米阵列二氧化钛薄膜，然后在80℃下加热1h退火，制得所需的锂掺杂纳米阵列二氧化钛_，其磨蹭厚度均匀，纳米阵列分立有序，垂直性好；

实施以于捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池的工作方式为例，做进一步的说明，

如图3所示，为太阳能电池能带图，即为其载流子的传输机制，光吸收层150的价带高于电子传输层130，因此电子会从光吸收层150向电子传输层130扩散，空穴传输层160的价带高于光吸收层150，因此空穴会从光吸收层150向空穴传输层160扩散；

在接受太阳光照射时，防溢出层110与对电极层170构成光陷阱，因金属网厚度与网孔直径小于太阳能电池的收集波长，入射到太阳能电池表面的光线不易溢出，光子被捕获，限制在太阳能电池内部。

光吸收层150首先吸收大于自身带宽的光子后会激发产生电子-空穴对，由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长；

然后，随着激发的自由电子浓度的增高，其会在光吸收层150内部扩散，就有可能与空穴复合，因此位于光吸收层150两侧的电吸收层130和空穴传输层160必须尽快地将电子和空穴分开，并传输到各自的电极上去，未复合的电子被电子传输层130收集，空穴被空穴传输层160收集，即电子从光吸收层150传输到电子传输层130，最后被导电玻璃层120收集；空穴从光吸收层传输到空穴传输层160，最后被对电极层170收集；

最后，通过连接导电玻璃层120和对电极层170的电路而产生光电流。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，自下至上，包括：

防溢出层,其材质为极精细金属网；

导电玻璃层，其为衬底层，材质为透明导电玻璃；

电子传输层，其用于传输电子,材质为纳米阵列二氧化钛；

空穴阻挡层，其主要用于增加收集电子和阻挡空穴的能力；以及

空穴传输层，其用于空穴传输，价带能级高于所述光吸收层；

2.根据权利要求1所述的一种捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的导电玻璃层厚度为2mm-5mm。

3.根据权利要求1所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的空穴阻挡层成分为氟化锂、氟化钠和锂盐中的一种。

4.根据权利要求1所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池其特征在于，所述的光吸收层为光学薄膜，成分为钙钛矿，厚度为50nm～200nm。

5.根据权利要求1所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池其特征在于，所述的空穴传输层其成分为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺芴，厚度为80nm～100nm。

6.根据权利要求1～3任一项所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的纳米阵列二氧化钛采用水热合成方式附着在所述的导电玻璃层上。

7.根据权利要求1、3或4所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的光吸收层采用匀胶机旋凃在所述空穴阻挡层表面。

8.根据权利要求1、4或5所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的空穴传输层采用匀胶机旋凃在所述光吸收层表面。

9.根据权利要求1所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的防溢出层厚度为30nm～80nm，网孔直径为100nm～200nm。

10.根据权利要求1或9所述的捕获式纳米阵列二氧化钛钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述的对电极层厚度为30nm～80nm，网孔直径为100nm～200nm。