一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法與流程

本發明涉及一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，特別涉及一種低溫制備電子傳輸層的方法，屬于太陽能電池技術領域。

背景技術：

鈣鈦礦太陽能電池憑借其材料具有較好的光吸收能力、較低的激子結合能以及較長的載流子擴散長度等優異性質，在過去的幾年內備受關注，電池的光電轉換效率迅速攀升至22.1%。另外，鈣鈦礦太陽能電池具有較為簡單的電池結構、簡易的溶液法制備過程以及低成本等特點，逐漸成為一種極具競爭力的太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能電池一般采用三明治結構，將鈣鈦礦吸光層置于電子傳輸層和空穴傳輸層之間。其中，小分子或聚合物常用作電池的空穴傳輸材料，金屬氧化物常用作電子傳輸材料。其中，電子傳輸層在高效率的鈣鈦礦太陽能電池中起著至關重要的作用。為制備高效率的鈣鈦礦太陽能電池，要求電子傳輸層在可見光范圍內具有較高的透光性以及較強的電子提取能力等特點。在高效的鈣鈦礦太陽能電池結構中，通常采用氧化鈦作為電子傳輸材料，但是一般制備的氧化鈦薄膜需要高溫煅燒（> 450℃）來確保其優異的電子傳輸能力，顯然，高溫處理的過程需要較高的能耗且不能實施在柔性的襯底上，極大地限制了鈣鈦礦電池的推廣應用。因此，開發一種低溫制備的電子傳輸材料對鈣鈦礦未來的發展尤為重要。

五氧化二鈮（簡稱氧化鈮）是一種典型的N型半導體材料，具有與氧化鈦類似的光學帶隙、能級位置和電荷傳輸特性，以及優異的化學穩定性等特點，但將其作為鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層的材料還未見報道。

技術實現要素：

本發明針對現有的技術存在的不足，采用在室溫下制備氧化鈮薄膜作為鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層，提供一種工藝簡單，成本低，效率高的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。

本發明是通過以下技術方案來實現：提供一種鈣鈦礦太陽能電池，包括基底，陰極，電子傳輸層，鈣鈦礦吸光層，空穴傳輸層和陽極，所述電子傳輸層為氧化鈮薄膜，薄膜厚度為30～400納米。

本發明所述的一種鈣鈦礦太陽能電池，陰極為氧化銦錫或摻氟氧化錫。

所述的基底包括柔性的聚對苯二甲酸乙二醇酯基底或剛性的玻璃基底中的一種。

本發明技術方案還包括一種如上所述的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，步驟如下：

（1）室溫條件下，在陰極基底上，采用射頻磁控濺射方法制備氧化鈮薄膜，形成傳輸電子的電子傳輸層；濺射功率為50～200瓦，濺射壓強為2～6毫托，靶材與樣品間的距離為10～25厘米，氧化鈮薄膜的厚度為30～400納米；

（2）將電子傳輸層的基底進行紫外臭氧處理5～20分鐘；

（3）在電子傳輸層上采用旋涂鈣鈦礦前驅體溶液，用氯苯誘導結晶的方法制備鈣鈦礦薄膜，形成鈣鈦礦吸光層；

（4）在鈣鈦礦吸光層上依次制備用于傳輸空穴的空穴傳輸層和收集空穴的陽極，得到鈣鈦礦太陽能電池。

本發明的一個優選方案還可以將室溫下磁控濺射制備的電子傳輸層在溫度為100～500 ℃的條件下退火處理30～90分鐘。

與現有的技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明在室溫下用磁控濺射方法制備氧化鈮電子傳輸層，無需煅燒，整個生產過程都能在低溫下進行，方法簡單便捷；制備的氧化鈮薄膜具有均勻性、重復性好的特點；以剛性或柔性襯底為基底，將其作為電子傳輸層，制備得到高效率的鈣鈦礦太陽能電池。

附圖說明

圖1是本發明提供的鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖；

圖中：1、陰極；2、電子傳輸層；3、吸光層；4、空穴傳輸層；5、陽極。

圖2是本發明實施例1提供的在剛性基底上室溫制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線圖。

圖3是本發明實施例3提供的在柔性基底上室溫制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步詳細說明。

實施例1

參見附圖1，它是本發明提供的鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖，它包括剛性的玻璃襯底基底，陰極1，電子傳輸層2，鈣鈦礦吸光層3，空穴傳輸層4和陽極5，器件的制備方法包括如下步驟：

步驟一，對玻璃襯底及透明電極所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇和丙酮進行清洗。對基底進行紫外臭氧處理20分鐘后，室溫下，采用磁控濺射制備氧化鈮薄膜形成用于傳輸電子的電子傳輸層2：射頻濺射，功率是150瓦，靶材與樣品的距離是15厘米，形成150納米的氧化鈮電子傳輸層2。采用紫外光電子能譜儀測得氧化鈮薄膜的功函數是4.10 eV，與鈣鈦礦吸光層的導帶能級相匹配，有利于電子的傳輸。

步驟二，對基底進行紫外臭氧處理10分鐘，在電子傳輸層2上利用旋涂法制備鈣鈦礦吸光層3，具體是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，并用兩種不同的溶劑混合溶解，得到一定濃度的鈣鈦礦前驅體溶液，旋涂前驅體溶液在適當的時候滴入氯苯誘導結晶，等溶劑進一步揮發后，100 ℃下退火10分鐘，得到約450納米厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，鈣鈦礦層3冷卻至室溫后，在其上依次制備厚度為180納米左右的空穴傳輸層4和厚度為100納米的金作為電池的陽極5，得到如圖1結構所示的太陽能電池。

參見附圖3，它是對本實施例提供的在剛性基底上室溫制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線圖；在AM 1.5, 100 mW/cm²的標準測試條件下，測得剛性基底器件的短路電流是22.4 mA/cm²，開路電壓是1.07V，填充因子是69%，效率達到16.5%。

實施例2

本實施例提供一種鈣鈦礦太陽能電池，其結構如圖1所示，具體制備步驟如下：

步驟一，對玻璃襯底及透明電極所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇和丙酮進行清洗。對基底紫外臭氧20分鐘后，室溫下采用磁控濺射制備氧化鈮薄膜形成用于傳輸電子的電子傳輸層2：射頻濺射，功率是100瓦，靶材與樣品的距離是15厘米，形成100納米的氧化鈮電子傳輸層2。

步驟二，將制備的氧化鈮電子傳輸層2在空氣中500 ℃退火45分鐘得到六方晶型的氧化鈮，紫外臭氧10分鐘，在電子傳輸層2上利用旋涂法制備鈣鈦礦吸光層3；具體的將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，并用兩種不同的溶劑混合溶解，得到一定濃度的鈣鈦礦前驅體溶液，旋涂前驅體溶液在適當的時候滴入氯苯誘導結晶，等溶劑進一步揮發后，100 ℃下退火10分鐘，得到400納米左右厚度的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，鈣鈦礦層3冷卻至室溫后，在其上依次制備厚度為180納米左右的空穴傳輸層4，將樣品轉移到熱蒸發系統中蒸鍍厚度為100納米的金作為電池的陽極5，從而得到太陽能電池。

在AM 1.5，100mW/cm²的標準測試條件下，測得本實施例提供的器件的短路電流為22.4 mA/cm²，開路電壓為1.05 V，填充因子為73%，光電轉換效率為17.2%。

實施例3

本實施例提供一種如圖1所示的鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，采用柔性基底，具體步驟如下：

步驟一，對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）及透明電極所組成的陰極1分別用丙酮，洗滌劑，異丙醇和丙酮進行清洗。對基底進行紫外臭氧處理20分鐘后，室溫下采用磁控濺射制備氧化鈮薄膜形成用于傳輸電子的電子傳輸層2：射頻濺射，功率是50瓦，靶材與樣品的距離是15厘米，形成50納米的氧化鈮電子傳輸層2。

步驟二，對基底進行紫外臭氧處理10分鐘，在電子傳輸層2上利用旋涂法制備鈣鈦礦吸光層3，具體的方法是將碘化鉛和甲胺基碘以摩爾比為1:1的量混合，并用兩種不同的溶劑混合溶解，得到一定濃度的鈣鈦礦前驅體溶液，旋涂前驅體溶液在適當的時候滴入氯苯誘導結晶，待溶劑進一步揮發后，100℃下退火10分鐘，得到厚度約350納米的鈣鈦礦吸光層3。

步驟三，鈣鈦礦層3冷卻至室溫后，在其上依次制備厚度約為180納米的空穴傳輸層4和厚度為100納米的金作為電池的陽極5，得到太陽能電池。

參見附圖3，它是本實施例提供的在柔性基底上室溫制備的氧化鈮薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線圖。在AM 1.5，100mW/cm²標準測試條件下，測得器件的短路電流是21.3 mA/cm²，開路電壓是1.04V，填充因子是60%，效率達到13.3%。

表1列出本發明實施例提供的器件參數。

表1

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