RU2645221C1 - Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления - Google Patents
Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2645221C1 RU2645221C1 RU2016138728A RU2016138728A RU2645221C1 RU 2645221 C1 RU2645221 C1 RU 2645221C1 RU 2016138728 A RU2016138728 A RU 2016138728A RU 2016138728 A RU2016138728 A RU 2016138728A RU 2645221 C1 RU2645221 C1 RU 2645221C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- light
- conductive layer
- conductive
- perovskite
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 49
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 26
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 12
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 11
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Chemical compound BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 3
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 3
- -1 for example Substances 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 2
- 229910002065 alloy metal Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 97
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 10
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 7
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 5
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 3
- LLWRXQXPJMPHLR-UHFFFAOYSA-N methylazanium;iodide Chemical compound [I-].[NH3+]C LLWRXQXPJMPHLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- JEAAMEGPAFNZTG-UHFFFAOYSA-N C(C)(C)(C)C1=CC=NC=C1.C(CCC)C1=NC=CC=C1 Chemical compound C(C)(C)(C)C1=CC=NC=C1.C(CCC)C1=NC=CC=C1 JEAAMEGPAFNZTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 1
- CLFSUXDTZJJJOK-UHFFFAOYSA-N bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide 4-tert-butyl-2-pyrazol-1-ylpyridine cobalt(3+) Chemical compound [N-](S(=O)(=O)C(F)(F)F)S(=O)(=O)C(F)(F)F.[N-](S(=O)(=O)C(F)(F)F)S(=O)(=O)C(F)(F)F.[N-](S(=O)(=O)C(F)(F)F)S(=O)(=O)C(F)(F)F.[Co+3].N1(N=CC=C1)C1=NC=CC(=C1)C(C)(C)C.N1(N=CC=C1)C1=NC=CC(=C1)C(C)(C)C.N1(N=CC=C1)C1=NC=CC(=C1)C(C)(C)C CLFSUXDTZJJJOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 150000002343 gold Chemical class 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 239000012705 liquid precursor Substances 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K50/00—Organic light-emitting devices
- H10K50/80—Constructional details
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологиям преобразования солнечной энергии в электрическую. Перовскитная солнечная ячейка представляет собой слоистую структуру, включающую, по меньшей мере, три слоя: два проводящих слоя - р-проводящий и n-проводящий, а также размещенный между ними светопоглощающий слой, при этом один из проводящих слоев выполнен пористым, а светопоглощающий слой имеет перовскитную структуру общей структурной формулой АВХ3, где в качестве А используют Cs+, или СН3МН3 +, или (NH2)2CH+, в качестве В используют Pb2+ или Sn2+, в качестве X используют I-, или Br-, или Cl-. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение эффективности преобразования солнечной энергии перовскитными солнечными ячейками, изготовленными при помощи заявляемого способа, не менее 5%. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Область техники
Заявляемое изобретение относится к технологиям преобразования солнечной энергии в электрическую, а именно к способам получения т.н. «перовскитных» солнечных ячеек - устройств для преобразования энергии на основе гибридных органо-неорганических соединений на основе галогенидов свинца или олова.
Уровень техники
Из уровня техники известны способы изготовления «перовскитных» солнечных ячеек, представленные в следующих общедоступных источниках информации:
в публикации Salazar R. et al. Use of Anodic TiO 2 Nanotube Layers as Mesoporous Scaffolds for Fabricating CH 3 NH 3 Pbl 3 Perovskite-Based Solid-State Solar Cells // ChemElectroChem. 2015. Vol. 2, №6. P. 824-828. (1) описана перовскитная солнечная ячейка с пористым электрон-проводящим слоем, которую получают, заполняя пористый электрон-проводящий слой в одну стадию перовскитом посредством пропитки электрон-проводящего слоя раствором перовскита в органическом растворителе с последующим удалением растворителя путем высушивания;
в публикации Qin P. et al. Stable and Efficient Perovskite Solar Cells Based on Titania Nanotube Arrays // Small. 2015. №41. P. n/a-n/a. (2) описана перовскитная солнечная ячейка с пористым электрон-проводящим слоем, которую получают, заполняя пористый электрон-проводящий слой перовскитом в две стадии. На первой стадии электрон-проводящий слой пропитывают раствором иодида свинца в органическом растворителе с последующим удалением растворителя путем высушивания. На второй стадии полученную заготовку, представляющую собой пористый электрон-проводящий слой, в поры которого был на первой стадии нанесен иодид свинца, приводят во взаимодействие с раствором метиламмоний иодида, в результате чего иодид свинца в порах электрон-проводящего слоя превращается в перовскит, после чего полученную структуру нагревают для удаления растворителя и кристаллизации образовавшегося перовскита.
Однако оба приведенных способа характеризует трудность достижения высокой степени заполнения пор электрон-проводящего слоя перовскитом в силу низкой эффективной концентрации использованных растворов и неоднородности заполнения пор жидкими веществами - предшественниками. В первом случае (публикация (1)), при высыхании раствора перовскита в порах происходит уменьшение его объема и образовавшийся в порах перовскит заполняет их не полностью. Во втором случае (публикация (2)), данный эффект частично компенсируется тем, что при переходе иодида свинца в перовскит происходит незначительное увеличение объема вещества в порах за счет разницы в мольных объемах иодида свинца и перовскита.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления «перовскитных» солнечных ячеек с непористым электрон-проводящим слоем с использованием в качестве прекурсора перовскита металлического свинца (патент CN 104250723). Металлический свинец в виде ровного слоя напыляют магнетронным напылением на непористую поверхность электрон-проводящего слоя, после чего приводят во взаимодействие с органическим растворителем, содержащим молекулярный иод и метиламмоний иодид, в результате сплошной непористый слой свинца превращается в сплошной непористый слой перовскита. При превращении металлического свинца в перовскит толщина слоя увеличивается практически в 8 раз за счет большего мольного объема получаемого перовскита по сравнению с мольным объемом исходного металлического свинца.
Однако известный способ получения перовскитных солнечных ячеек невозможно реализовать при необходимости получения перовскитных солнечных батарей с пористым электрон-проводящим слоем. Эффект увеличения мольного объема получаемого перовскита по сравнению с мольным объемом исходного металлического свинца может использоваться для контролируемого заполнения перовскитом пор электрон-проводящего слоя.
Таким образом, из уровня техники известны способы изготовления перовскитных солнечных ячеек с использованием пористого электрон-проводящего слоя, заполняемого светопоглощающим перовскитом, однако данные методы характеризуются трудностью достижения высокой степени заполнения пор, что характеризует такие ячейки как низкоэффективные.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого технического решения является создание эффективной перовскитной солнечной ячейки, в том числе с пористым электрон-проводящим слоем, а также способа изготовления такой солнечной ячейки.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является обеспечение эффективности преобразования солнечной энергии перовскитными солнечными ячейками, изготовленными при помощи заявляемого способа, не менее 5%.
Поставленная задача решается тем, что перовскитная солнечная ячейка согласно техническому решению представляет собой слоистую структуру, включающую, по меньшей мере, три слоя: два проводящих слоя - p-проводящий и n-проводящий, а также размещенный между ними светопоглощающий слой, при этом один из проводящих слоев выполнен пористым, а светопоглощающий слой имеет перовскитную структуру общей структурной формулой АВХ3, где в качестве А используют Cs+, СН3NH3 +, (NH2)2CH+, в качестве В используют Pb2+ или Sn2+, в качестве X используют I-, Br-, Cl-. Толщина светопоглощающего слоя составляет не более 2000 нм, диаметр пор пористого проводящего слоя выбран из диапазона от 50 до 500 нм, толщина стенок пор составляет от 5 до 100 нм. Светопоглощающий слой расположен с заполнением пор пористого проводящего слоя и обеспечивает изоляцию одного проводящего слоя от другого. Перовскитная ячейка дополнительно может включать прозрачное и непрозрачное покрытия, расположенные, соответственно, по обе стороны от проводящих слоев ячейки, при этом прозрачное покрытие представляет собой внешний контактный слой из оптически прозрачного материала, например из стекла, с нанесенным электропроводящим слоем, а непрозрачное покрытие представляет собой внешний слой из алюминия или золота. Поры пористого проводящего слоя выполнены несвязанными сонаправленными, ориентированными преимущественно перпендикулярно плоскости слоя.
Поставленная задача решается также за счет применения заявляемого способа изготовления перовскитной солнечной ячейки, заключающегося в том, что изготавливают пористый p- или n-проводящий слой ячейки, в поры и на поверхность которого затем посредством электрохимического осаждения или термического вакуумного напыления помещают прекурсор светопоглощающего материала, в качестве которого используют металлический свинец или сплав металлического свинца и олова, при этом обеспечивают степень заполнения металлом объема пор от 5% до 100%, затем полученный проводящий слой с осажденным металлом помещают в органический растворитель на время, обеспечивающее выполнение реакции конверсии металла в светопоглощающий слой, в результате которой получают проводящий слой со светопоглощающим слоем, сформированным на поверхности и в объеме пор проводящего слоя, полученную структуру очищают от остатков реагентов конверсии, и наносят на светопоглощающий слой n- или p-проводящий слой в зависимости от типа проводимости слоя, на который проводилось осаждение металла. При помещении проводящего слоя с осажденным металлом в органический растворитель может быть предусмотрено соблюдение сольвотермальных условий, в качестве которых используют температуру 20-150°С. В качестве органического растворителя используют органические растворители, содержащие молекулярный йод или молекулярный бром, а также галогенид с формулой CsX, CH3NH3X или (NH2)2CHX, где X это I-, Br- или Cl-.
Под сольвотермальными условиями в контексте данной заявки понимают обработку в неводном растворителе при повышенной температуре.
Солнечные батареи на основе гибридных органо-неоргнанических перовскитов в настоящий момент являются одними из наиболее интенсивно развивающихся направлений альтернативной энергетики. В таких фотоэлементах в качестве поглотителя света выступают перовскиты состава АВХ3, где, как правило, А=СН3NН3 +, (NH2)2CH+; B=Pb2+, Sn2+; С=Cl-, Br-, I-. Особенностями таких соединений являются высокое поглощение в видимой области спектра и эффективный транспорт носителей заряда, что позволило повысить существенно эффективность перовскитных солнечных батарей. При этом потенциальная стоимость производства таких фотоэлементов гораздо ниже, чем у их аналогов по эффективности.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема процесса заполнения пор электрон-проводящего слоя перовскитной солнечной ячейки перовскитом посредством конверсии металлического свинца.
На фиг. 2 схематично представлена перовскитная ячейка с дополнительными слоями.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - n-проводящий слой,
2 - свинец, помещенный внутрь пор,
3 - светопоглощающий перовскитный слой,
4 - p-проводящий слой,
5 - дополнительный прозрачный проводящий слой,
6 - дополнительный непрозрачный металлический проводящий слой.
Осуществление изобретения
Заявляемая группа изобретений относится к отрасли солнечной энергетики и представляет определенный интерес в ракурсе увеличения КПД солнечных батарей. Перовскитная ячейка как элемент солнечной батареи имеет слоистую структуру, выполненную определенным образом. Ячейка состоит, по крайней мере, из трех обязательных слоев. Кроме того, она может быть снабжена дополнительными слоями.
Заявляемая ячейка содержит два проводящих слоя, на фиг. 2 показаны позициями (1) - n-проводящий слой (состоящий, например, из n-проводящего полимера PEDOT:PSS или анодного TiO2), проводящий только электроны и отсекающий фотоиндуцированые дырки, и (4) - p-проводящий слой (состоящий, например, из p-проводящего полимера Spiro-OMeTAD или анодного Al2O3 с нанесенным на внутренние стенки пор p-проводящим покрытием), проводящий только дырки и отсекающий фотоиндуцированые электроны. При этом один из этих слоев выполнен пористым (в представленном на фиг. 1 варианте осуществления изобретения пористым представлен n-проводящий слой) с протяженными порами длиной не более 2000 нм, диаметром от 50 до 500 нм, толщиной стенок пор от 5 до 100 нм. Поры выполнены сонаправленными, ориентированы преимущественно перпендикулярно плоскости слоя. На фиг. 1 и 2 представлено схематичное изображение этапов заявляемого способа, при этом поры представлены в виде параллельных углублений в проводящем слое. В реально изготовленной перовскитной солнечной ячейке (см. описание примера конкретного выполнения) поры выполнены не в строгом соответствии с представленной геометрией, однако присутствует их сонаправленность и общее направление размещения. Предпочтение выполнения пористым того или иного проводящего слоя отсутствует. Между двумя указанными слоями (1) и (2) расположен светопоглощающий слой (3), при этом слой расположен таким образом, что он заполняет поры одного из проводящих слоев (пористого), а также формирует прослойку определенной толщины между проводящими слоями (изолирует проводящие слои друг от друга). Светопоглощающий слой (3) выполнен из соединения состава АВХ3, где, как правило, A=СН3NH3 +, (NH2)2CH; B=Pb2+, Sn2+; С=Сl-, Br-, I- с перовскитоподобной кристаллической структурой, толщиной 100 нм - 2000 нм, степень заполнения пор составляет 10-100%. Ячейка может быть снабжена дополнительными слоями, выполненными из (5) - прозрачного проводящего материала (например, слоя допированного фтором оксида олова (FTO) или допированного индием оксида олова (ITO), нанесенного на стекло) и (6) - непрозрачного материала - металла (например, золота, нанесенного термическим или магнетронным напылением).
Конечное изделие характеризуется общей толщиной функциональных слоев не более 3 мкм, включая толщину дополнительных слоев, в случае их применения, в случае выращивания проводящего слоя анодного TiO2 или анодного Al2O3 на металлической титановой или алюминиевой фольге - гибкостью изделия.
Заявляемую ячейку изготавливают следующим образом, реализуя при этом заявляемый способ.
Изготавливают пористый p- или n-проводящий слой ячейки известным способом, например посредством наращивания TiO2 на поверхности титановой фольги анодированием или посредством покрытия n-проводящей сажей внутренних стенок пор Al2O3 полученного анодированием алюминиевой фольги. Способ создания p- или n-проводящего слоя не является предметом настоящего изобретения, поэтому в качестве средства и метода его (проводящего слоя) изготовления может быть использован любой из известных.
В поры полученного пористого слоя и на его поверхность затем посредством электрохимического осаждения или термического вакуумного напыления помещают металлический свинец или сплав металлических свинца и олова в качестве прекурсора светопоглощающего материала, обеспечивая совокупную толщину осажденного в поры слоя металла от 5% до 100% от глубины пор. Выбор металла в данном случае может быть обусловлен стремлением к экологичности материалов, снижению содержания тяжелого металла, однако не является определяющим признаком при реализации заявляемого способа.
Полученный проводящий слой с осажденным металлом помещают в реакционную среду при соблюдении сольвотермальных условий на время, обеспечивающее выполнение реакции конверсии металла в светопоглощающий слой. Время выдерживания проводящего слоя с осажденным металлом составляет от 15 мин до 120 минут, в зависимости от температуры реакционной среды. Температура реакционной среды 20-150°С. В качестве реакционной среды используют органический растворитель, например этанол или изопропанол, содержащий растворенные молекулярный йод или молекулярный бром в концентрации от 0 до 0.5 г/мл, а также галогенид с формулой CsX, CH3NH3X или (NH2)2CHX, где X это I-, Br- или Сl- в концентрации от 0.001 до 0.025 г/мл. В процессе сольвотермальной обработки проводящего слоя с осажденным в поры металлом происходит превращение металла в светопоглощающий материал состава АВХ3, где A=CH3NH3 +, (NH2)2CH+; B=Pb2+, Sn2+; C=Cl-, Br-, I- в зависимости от состава использованной реакционной среды. Объем образовавшегося в порах светопоглощающего материала в 7-9 раз больше объема находившегося в порах до сольвотермальной обработки металла, в результате чего достигаются более плотное заполнение пор светопоглощающим материалом пор проводящего слоя, плотное прилегание светопоглощающего материала к внутренним стенкам пор проводящего слоя, большая площадь контакта светопоглощающего материала и проводящего слоя и улучшенная эффективность разделения фотоиндуцированных носителей заряда.
Полученную таким образом структуру очищают от остатков реагентов конверсии промыванием в избытке изопропанола.
Наносят на светопоглощающий слой n- или p-проводящий слой в зависимости от типа проводимости слоя, на который проводилось осаждение металла.
Дополнительный слой, в зависимости от его типа - органический или неорганический, наносят
- например, методом вращающейся подложки из растворов;
- например, методом вакуумного напыления.
Пример конкретного выполнения
В качестве примера конкретного выполнения приведены сведения о реализации заявляемого способа и получении перовскитной солнечной ячейки с КПД 5%.
В качестве пористого n-проводящего слоя с вертикальными порами был выбран диоксид титана, полученный анодированием нанесенного на поверхность FTO металлического титана по стандартной методике, описанной, например, в Qin P. et al. Stable and Efficient Perovskite Solar Cells Based on Titania Nanotube Arrays // Small. 2015. №41. P. n/a-n/a. Толщина полученного слоя диоксида титана на поверхности FTO составила 500-1200 нм, диаметр пор - 70-150 нм, толщина стенок пор 10-30 нм.
Металлический свинец осаждали в поры диоксида титана вакуумным термическим напылением, в результате чего поры диоксида титана заполнились свинцом на 10-30%.
Конверсию металлического свинца в порах диоксида титана проводили, выдерживая пластинку титана с выращенным на ее поверхности слоем пористого диоксида титана с осажденным в него свинцом. Пластинку помещали в емкость с изопропиловым спиртом, в котором был растворен молекулярный йод в концентрации 0.5 мг/мл и метиламмоний иодид в концентрации 8 мг/мл.
Спустя 40 минут, после завершения конверсии металлического свинца в перовскит, пластинку титана с выращенным на ее поверхности слоем пористого диоксида титана, заполненного светопоглощающим материалом на 60-100%, промыли изопропиловым спиртом для удаления непрореагировавших компонентов реакционной смеси, высушили в сушильном шкафу при температуре 60°С в течение 60 минут и подвергали температурной обработке при температуре 100°С в течение 10 минут.
После температурной обработки образцы были охлаждены в течение 10, после чего на образцы наносился раствор spiro-OMeTAD (70 мМ в хлорбензоле) методом спин коатинга (вращающейся подложки) со скоростью 4000 об/мин в течение 20 секунд. Spiro-OMeTAD был допирован следующими компонентами: бис(трифлюорометилсульфонил)имид литиевая соль (Li-TFSI), трис(2-(1Н-пиразол-1-ил)-4-трет-бутилпиридин)-кобальт(III) трис(бис(трифлюорометилсульфонил)имид) (FK209) и 4 трет бутилпиридин 4-tert-Butylpyridine (ТВР, Sigma-Aldrich). Молярное соотношение допантов составляло: 0.5, 0.03 и 3.3 для Li-TFSI, FK209 и ТВР соответственно.
Дополнительный токопроводящий электрод в виде слоя золота толщиной 70-80 нм наносился методом термического испарения в вакууме.
Совокупная толщина нанесенных таким образом слоев составляет 1.5 мкм.
Полученную ячейку освещали светом AM1.5G, полученным с помощью симулятора солнечного света. Интенсивность падающего излучения калибровалась с помощью кремниевого фотодиода. Вольт-амперные характеристики ячейки были определены при приложении к освещаемой ячейке внешнего потенциала с одновременным измерением протекающего тока с помощью измерителя тока Keithley 2400. На основе полученной вольт-амперной кривой был рассчитан КПД ячейки, который составил 5%.
Claims (9)
1. Перовскитная солнечная ячейка, характеризующаяся тем, что она представляет собой слоистую структуру, включающую, по меньшей мере, три слоя: два проводящих слоя - р-проводящий и n-проводящий, а также размещенный между ними светопоглощающий слой, при этом один из проводящих слоев выполнен пористым, а светопоглощающий слой имеет перовскитную структуру общей структурной формулой АВХ3, где в качестве А используют Cs+, или СН3МН3 +, или (NH2)2CH+, в качестве В используют Pb2+ или Sn2+, в качестве X используют I-, или Br-, или Cl-.
2. Перовскитная солнечная ячейка по п. 1, характеризующаяся тем, что толщина светопоглощающего слоя составляет не более 2000 нм, диаметр пор пористого проводящего слоя выбран из диапазона от 50 до 2000 нм, толщина стенок пор составляет от 5 до 100 нм.
3. Перовскитная солнечная ячейка по п. 1, характеризующаяся тем, что светопоглощающий слой расположен с заполнением пор пористого проводящего слоя и обеспечивает изоляцию одного проводящего слоя от другого.
4. Перовскитная солнечная ячейка по п. 1, характеризующаяся тем, что она дополнительно включает прозрачное и непрозрачное покрытия, расположенные, соответственно, по обе стороны от проводящих слоев ячейки, при этом прозрачное покрытие представляет собой внешний контактный слой из оптически прозрачного материала, например из стекла, а непрозрачное покрытие представляет собой внешний слой из алюминия или золота.
5. Перовскитная солнечная ячейка по п. 1, характеризующаяся тем, что поры пористого слоя выполнены несвязанными сонаправленными, ориентированными преимущественно перпендикулярно плоскости проводящего слоя.
6. Способ изготовления перовскитной солнечной ячейки, характеризующийся тем, что изготавливают пористый р- или n-проводящий слой ячейки, в поры и на поверхность которого затем посредством электрохимического осаждения или термического вакуумного напыления помещают прекурсор светопоглощающего материала, в качестве которого используют металлический свинец или сплав металлического свинца и олова, при этом обеспечивают степень заполнения металлом объема пор от 5% до 100%, затем полученный проводящий слой с осажденным металлом помещают в органический растворитель на время, обеспечивающее выполнение реакции конверсии металла в светопоглощающий слой, в результате которой получают проводящий слой со светопоглощающим слоем, сформированным на поверхности и в объеме пор проводящего слоя, полученную структуру очищают от остатков реагентов конверсии, и наносят на светопоглощающий слой n- или p-проводящий слой в зависимости от типа проводимости слоя, на который проводилось осаждение металла.
7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что проводящий слой с осажденным металлом помещают в органический растворитель при соблюдении сольвотермальных условий.
8. Способ по п. 7, характеризующийся тем, что в качестве сольвотермальных условий используют температуру 20-150°C.
9. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве органического растворителя используют органические растворители, содержащие молекулярный йод или молекулярный бром, а также галогенид с формулой CsX, CH3NH3X или (NH2)2СНХ, где X это I-, Br- или Cl-.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016138728A RU2645221C1 (ru) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016138728A RU2645221C1 (ru) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2645221C1 true RU2645221C1 (ru) | 2018-02-19 |
Family
ID=61226970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016138728A RU2645221C1 (ru) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2645221C1 (ru) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU188622U1 (ru) * | 2018-12-20 | 2019-04-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Светоизлучающий солнечный элемент |
| RU2686860C1 (ru) * | 2018-07-18 | 2019-05-06 | Общество с ограниченной ответственностью НПО "КвинтТех" (ООО НПО "КвинтТех") | Зарядно-транспортный слой для солнечных батарей |
| RU2692110C1 (ru) * | 2018-09-20 | 2019-06-21 | АО "Красноярская ГЭС" | Способ формирования пленки перовскитоподобного материала |
| RU2694086C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-07-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Гибридный фотопреобразователь, модифицированный максенами |
| RU2694118C1 (ru) * | 2018-12-21 | 2019-07-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ изготовления фотовольтаических элементов с использованием прекурсора для жидкофазного нанесения полупроводниковых слоев р-типа |
| RU2714273C1 (ru) * | 2018-12-29 | 2020-02-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ формирования двухслойной светопоглощающей электропроводящей структуры |
| RU203663U1 (ru) * | 2020-10-16 | 2021-04-15 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Полупроводниковое устройство на основе запассивированного органо-неорганического перовскита |
| RU206335U1 (ru) * | 2018-11-28 | 2021-09-06 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами |
| RU2762127C2 (ru) * | 2017-07-27 | 2021-12-15 | Недерландсе Организатие Воор Тогепаст-Натюрветеншаппелийк Ондерзок Тно | Фотовольтаическая панель и способ ее изготовления |
| RU226666U1 (ru) * | 2023-06-01 | 2024-06-18 | Фурасова Александра Дмитриевна | Перовскитный солнечный элемент с полупроводниковыми наностержнями |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| UA85003U (ru) * | 2013-04-16 | 2013-11-11 | Институт Физики Полупроводников Им. В.Е. Лашкарева Национальной Академии Наук Украины | Способ изготовления органично-неорганической структуры солнечного элемента |
| CN104022226A (zh) * | 2014-05-14 | 2014-09-03 | 中国科学院物理研究所 | 钙钛矿基薄膜太阳电池及其制备方法 |
| CN104218109A (zh) * | 2014-09-22 | 2014-12-17 | 南开大学 | 一种高效率钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法 |
| CN104250723A (zh) * | 2014-09-09 | 2014-12-31 | 许昌学院 | 一种基于铅单质薄膜原位大面积控制合成钙钛矿型ch3nh3pbi3薄膜材料的化学方法 |
| KR20150100216A (ko) * | 2014-02-25 | 2015-09-02 | 주식회사 동진쎄미켐 | 페로브스카이트계 염료를 이용한 고체형 박막 태양전지 및 제조 방법 |
| US20160359119A1 (en) * | 2015-06-04 | 2016-12-08 | Panasonic Corporation | Perovskite solar cell |
-
2016
- 2016-09-30 RU RU2016138728A patent/RU2645221C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| UA85003U (ru) * | 2013-04-16 | 2013-11-11 | Институт Физики Полупроводников Им. В.Е. Лашкарева Национальной Академии Наук Украины | Способ изготовления органично-неорганической структуры солнечного элемента |
| KR20150100216A (ko) * | 2014-02-25 | 2015-09-02 | 주식회사 동진쎄미켐 | 페로브스카이트계 염료를 이용한 고체형 박막 태양전지 및 제조 방법 |
| CN104022226A (zh) * | 2014-05-14 | 2014-09-03 | 中国科学院物理研究所 | 钙钛矿基薄膜太阳电池及其制备方法 |
| CN104250723A (zh) * | 2014-09-09 | 2014-12-31 | 许昌学院 | 一种基于铅单质薄膜原位大面积控制合成钙钛矿型ch3nh3pbi3薄膜材料的化学方法 |
| CN104218109A (zh) * | 2014-09-22 | 2014-12-17 | 南开大学 | 一种高效率钙钛矿薄膜太阳电池及其制备方法 |
| US20160359119A1 (en) * | 2015-06-04 | 2016-12-08 | Panasonic Corporation | Perovskite solar cell |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2762127C2 (ru) * | 2017-07-27 | 2021-12-15 | Недерландсе Организатие Воор Тогепаст-Натюрветеншаппелийк Ондерзок Тно | Фотовольтаическая панель и способ ее изготовления |
| RU2686860C1 (ru) * | 2018-07-18 | 2019-05-06 | Общество с ограниченной ответственностью НПО "КвинтТех" (ООО НПО "КвинтТех") | Зарядно-транспортный слой для солнечных батарей |
| RU2692110C1 (ru) * | 2018-09-20 | 2019-06-21 | АО "Красноярская ГЭС" | Способ формирования пленки перовскитоподобного материала |
| RU206335U1 (ru) * | 2018-11-28 | 2021-09-06 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Перовскитный солнечный элемент с резонансными наночастицами |
| RU188622U1 (ru) * | 2018-12-20 | 2019-04-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Светоизлучающий солнечный элемент |
| RU2694118C1 (ru) * | 2018-12-21 | 2019-07-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ изготовления фотовольтаических элементов с использованием прекурсора для жидкофазного нанесения полупроводниковых слоев р-типа |
| RU2694086C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-07-09 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Гибридный фотопреобразователь, модифицированный максенами |
| WO2020139131A1 (en) * | 2018-12-25 | 2020-07-02 | National University Of Science And Technology "Misis" | Mxene-modified hybrid photoconverter |
| RU2714273C1 (ru) * | 2018-12-29 | 2020-02-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ формирования двухслойной светопоглощающей электропроводящей структуры |
| RU203663U1 (ru) * | 2020-10-16 | 2021-04-15 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Полупроводниковое устройство на основе запассивированного органо-неорганического перовскита |
| RU226666U1 (ru) * | 2023-06-01 | 2024-06-18 | Фурасова Александра Дмитриевна | Перовскитный солнечный элемент с полупроводниковыми наностержнями |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2645221C1 (ru) | Перовскитная солнечная ячейка и способ ее изготовления | |
| Jacobsson et al. | Unreacted PbI2 as a double-edged sword for enhancing the performance of perovskite solar cells | |
| Sidhik et al. | Improving the optoelectronic properties of mesoporous TiO2 by cobalt doping for high-performance hysteresis-free perovskite solar cells | |
| Malinauskas et al. | Enhancing thermal stability and lifetime of solid-state dye-sensitized solar cells via molecular engineering of the hole-transporting material spiro-OMeTAD | |
| Chen et al. | Origin of J–V hysteresis in perovskite solar cells | |
| Dualeh et al. | Impedance spectroscopic analysis of lead iodide perovskite-sensitized solid-state solar cells | |
| Colella et al. | Elusive presence of chloride in mixed halide perovskite solar cells | |
| EP1696053B1 (en) | Nano-array electrode manufacturing method and photoelectric converter using same | |
| Cappel et al. | Oxygen-induced doping of spiro-MeOTAD in solid-state dye-sensitized solar cells and its impact on device performance | |
| Yamada et al. | Interfacial charge-carrier trapping in CH3NH3PbI3-based heterolayered structures revealed by time-resolved photoluminescence spectroscopy | |
| Tian et al. | Improved performance and stability of inverted planar perovskite solar cells using fulleropyrrolidine layers | |
| Salim et al. | Extended absorption window and improved stability of cesium-based triple-cation perovskite solar cells passivated with perfluorinated organics | |
| Yan et al. | Buried interface‐the key issues for high performance inverted perovskite solar cells | |
| Murakami et al. | Development of next‐generation organic‐based solar cells: studies on dye‐sensitized and perovskite solar cells | |
| Murakami et al. | Adjustment of conduction band edge of compact TiO2 layer in perovskite solar cells through TiCl4 treatment | |
| Wang et al. | Repairing defects of halide perovskite films to enhance photovoltaic performance | |
| Wu et al. | Gradient Sn-doped heteroepitaxial film of faceted rutile TiO2 as an electron selective layer for efficient perovskite solar cells | |
| Gao et al. | Dual functions of crystallization control and defect passivation enabled by an ionic compensation strategy for stable and high-efficient perovskite solar cells | |
| Wang et al. | Crystallization kinetics control enabled by a green ionic liquid additive toward efficient and stable carbon-based mesoscopic perovskite solar cells | |
| Kwon et al. | Reduced charge recombination by the formation of an interlayer using a novel dendron coadsorbent in solid-state dye-sensitized solar cells | |
| de Freitas et al. | The role of gel electrolyte composition in the kinetics and performance of dye-sensitized solar cells | |
| CN108807144B (zh) | 一种冠醚辅助制备无机钙钛矿薄膜的方法及其应用 | |
| Ye et al. | Acetate-based crystallization kinetics modulation of CsPbI2Br for improved photovoltaic performance | |
| Zhang et al. | Construction of 2D/3D/2D‐structured perovskite for high‐performance and stable solar cells | |
| Rao et al. | Dual-functional additive to simultaneously modify the interface and grain boundary for highly efficient and hysteresis-free perovskite solar cells |