基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池的制作方法

本發明涉及太陽能電池技術領域，具體為基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池及其制造方法。

背景技術：

鈣鈦礦太陽能電池由于其成本低，性能好，制備簡單收到科研以及產業界的高度重視。鈣鈦礦材料從2009年用于太陽能電池，到目前效率已經達到將近20％。鈣鈦礦太陽能電池是近幾年來發展非常迅速的低成本薄膜太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池結構核心是具有鈣鈦礦晶型(abx3)的有機金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦abx3結構中，a為甲胺基(ch3nh3)，b為金屬鉛原子，x為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(ch3nh3pbi3)，它的帶隙約為1.5ev，消光系數高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太陽光。而且，這種材料制備簡單，將含有pbi2和ch3nh3i的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結構ch3nh3pbi3不僅可以實現對可見光和小部分近紅外光的吸收，而且所產生的光生載流子不易復合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現高效率的根本原因。

雖然碘化鉛甲胺鈣鈦礦太陽能電池效率已經獲得了較高的提升，但是鈣鈦礦電池的工作壽命低下仍然是限制其應用的一個重要原因。鈣鈦礦電池壽命低下的一個方面的原因是電池工作時紫外光的照射。紫外光對鈣鈦礦材料具備極大的破壞左右。傳統的鈣鈦礦太陽能電池使用ito、fto導電玻璃作為電極，電池工作時，太陽光經過導電玻璃到達電池的內部。雖然，絕大多數的深紫外和中紫外光被導電玻璃所吸收，但是部分近紫外光仍然能夠到達電池的鈣鈦礦光吸收層，照射到鈣鈦礦光吸收層之上，引起有機無機雜化鈣鈦礦光吸收層材料分解變性或者老化，從而導致鈣鈦礦太陽能電池壽命的降低。因此，如何避免紫外光進入電池鈣鈦礦光吸收層，從而提高電池的壽命，具有重要的意義。

技術實現要素：

為解決背景技術中紫外光對鈣鈦礦電池壽命影響的問題，本發明提供如下技術方案：

基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池，包括ito導電玻璃基底、紫外光屏蔽層、空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層和反射電極組成。

進一步的,所述的紫外光屏蔽層形成在ito導電玻璃基底之上；所述的紫外屏光蔽層由n個依次層疊的m-mtdata/f16cupc異質結所組成。

進一步的,所述的m-mtdata/f16cupc異質結中m-mtdata的厚度為2-5nm，f16cupc的厚度為2-5nm。

進一步的,所述的紫外光屏蔽層中m-mtdata/f16cupc異質結個數n的數值范圍為10-30的整數。

進一步的,所述的ito導電玻璃基底的方塊電阻小于10歐姆，可見光透過率大于80%。

進一步的,所述的空穴傳輸層形成在紫外光屏蔽層上；所述的空穴傳輸層包括nio、spiro-ometad、pedot：pss，p3ht，pcdtbt，ptb7，moox，grapheneoxide，niox，wo3，v2o5，；所述的空穴傳輸層優選厚度30-100nm。

進一步的,所述的鈣鈦礦光吸收層形成在空穴傳輸層上；所述的鈣鈦礦光吸收層為甲胺鉛碘多晶膜；所述的鈣鈦礦光吸收層優選厚度200-600nm。

進一步的,所述的電子傳輸層形成在鈣鈦礦光吸收層上；所述的電子傳輸層優選為pc60bm，pc70bm，icba，c60以及其它富勒烯衍生物；所述的電子傳輸層優選厚度20-100nm。

進一步的,所述的反射電極形成在電子傳輸層上；所述的反射電極優選為ag或者al，優選厚度為100-1000nm。

作為本發明的另一個方面，提供了一種基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池的制造方法，其特征在于，器件的制造按以下步驟依次進行：

(1)ito導電玻璃基底清洗；

(2)ito導電玻璃基底上制備紫外光屏蔽層；

(3)紫外光屏蔽層上制備空穴傳輸層;

(4)空穴傳輸層上制備鈣鈦礦光吸收層;

(5)鈣鈦礦光吸收層上制備電子傳輸層;

(6)電子傳輸層上制備反射電極。

進一步的，制備紫外光屏蔽層的制備采用真空熱沉積的方法進行，沉積速率控制為0.05nm/s，沉積厚度和沉積速率使用石英晶振片進行監控。

本發明的工作原理如下：太陽光從玻璃面照射進光伏電池，經過ito導電玻璃基底，大部分太陽光中的深紫外、中紫外和部分的近紫外光被ito導電玻璃基底所吸收，部分近紫外光、可見光和近紅外光進入電池內部。近紫外光到達紫外光屏蔽層，被f16cupc和m-mtdata完全吸收，無法到達鈣鈦礦吸光層的內部，從而避免了紫外光對鈣鈦礦吸光層的傷害，提高了電池的壽命。雖然，f16cupc在吸收光范圍覆蓋到了可見光區域，但是由于f16cupc的光吸收系數小，絕大部分可見光仍能夠到達電池的鈣鈦礦吸光層，形成光電流。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)多層交替結構的m-mtdata/f16cupc紫外光屏蔽層導電性能優異，其引入不會明顯增加鈣鈦礦太陽能電池的串聯電阻，有利于空穴的收集，提高電池的能量轉換效率。(2)紫外光屏蔽層能夠有效吸收紫外光，防止紫外光進入鈣鈦礦吸光層，提高鈣鈦礦太陽能電池的工作壽命。(3)本發明的紫外光屏蔽層制備方法簡單，與鈣鈦礦太陽能電池的制備工藝兼容。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為本發明中紫外光屏蔽層結構示意圖；

圖3為本發明中紫外光屏蔽層的能級結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1-3，本發明提供一種技術方案：

基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池，包括ito導電玻璃基底、紫外光屏蔽層、空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層和反射電極組成。

進一步的,所述的紫外光屏蔽層形成在ito導電玻璃基底之上；所述的紫外光屏蔽層由n個依次層疊的m-mtdata/f16cupc異質結所組成。

進一步的,所述的m-mtdata/f16cupc異質結中f16cupc的厚度為2-5nm，m-mtdata的厚度為2-5nm。

進一步的,所述的紫外光屏蔽層中m-mtdata/f16cupc異質結個數n的數值范圍為10-30。

進一步的,所述的ito導電玻璃基底的方塊電阻小于10歐姆，可見光透過率大于80%。

進一步的,所述的空穴傳輸層形成在紫外光屏蔽層上；所述的空穴傳輸層包括cui、nio、spiro-ometad、pedot：pss，p3ht，pcdtbt，ptb7，moox，grapheneoxide，niox，wo3，v2o5；所述的空穴傳輸層優選厚度30-100nm。

進一步的,所述的鈣鈦礦光吸收層形成在空穴傳輸層上；所述的鈣鈦礦光吸收層為甲胺鉛碘多晶膜；所述的鈣鈦礦光吸收層優選厚度200-600nm。

進一步的,所述的電子傳輸層形成在鈣鈦礦光吸收層上；所述的電子傳輸層優選為pc60bm，pc70bm，icba，c60以及其它富勒烯衍生物；所述的電子傳輸層優選厚度20-200nm。

進一步的,所述的反射電極形成在電子傳輸層上；所述的反射電極優選為ag，優選厚度為100-1000nm。

實施例一

基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池，包括ito導電玻璃基底、紫外光屏蔽層、空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層和反射電極組成。電池制備按以下下面的步驟進行。

(1)ito導電玻璃基底清洗：

提供一ito玻璃基底(可市場購買)，刻蝕成所需圖案并切割，用丙酮、異丙醇、去離子水各超聲清洗20分鐘，氮氣吹干后紫外照射20分鐘后待用。

(2)ito導電玻璃基底上制備紫外光屏蔽層：

將上述ito導電玻璃基底裝如真空鍍膜機中，抽真空至真空度小于5×10^-4pa，開始制備紫外光屏蔽層，設置m-mtdata/f16cupc異質結個數n=30,先沉積2nm的f16cupc，再沉積2nm的m-mtdata，作為一個單元，繼續沉積2nm的f16cupc，再沉積2nm的m-mtdata,作為第二個單元……如此循環共沉積30次，獲得30個m-mtdata2nm/f16cupc2nm異質結構成的紫外光屏蔽層。f16cupc和m-mtdata的沉積速率控制為0.05nm/s，沉積厚度和沉積速率使用石英晶振片進行監控。獲得紫外光屏蔽層總厚度為120nm。

(3)紫外光屏蔽層上制備空穴傳輸層：

熱噴涂的方法沉積50nm厚nio致密層作為空穴傳輸層。

(4)空穴傳輸層上制備鈣鈦礦光吸收層：

采用兩步涂布，先涂布一層pbi2，溶劑為二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亞砜(dmso)中的至少一種，待其自然干燥或低溫烘干后，涂布ch3nh3i的異丙醇溶液，熱風吹干或低溫烘干，即得鈣鈦礦光吸收層。

(5)鈣鈦礦光吸收層上制備電子傳輸層：

旋轉涂覆質量分數5%的pcbm氯仿溶液，轉速3000rpms，時間40秒，70℃干燥5分鐘，完成電子傳輸層制備。

(6)電子傳輸層上制備反射電極：

濺射100nm的ag作為反射電極。

經過測試，使用100mw/cm²的模擬太陽光作為電池的工作光源，本實施例的基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池效率下降到初始效率的一半的時間與沒有紫外光屏蔽層的電池對比器件的效率下降到初始效率一半的時間相比增加了3倍。

實施例二

基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池，包括ito導電玻璃基底、紫外光屏蔽層、空穴傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層和反射電極組成。電池制備按以下下面的步驟進行。

(1)ito導電玻璃基底清洗：

同實施例一。

(2)ito導電玻璃基底上制備紫外光屏蔽層：

將上述ito導電玻璃基底裝如真空鍍膜機中，抽真空至真空度小于5×10^-4pa，開始制備紫外光屏蔽層，設置m-mtdata/f16cupc異質結個數n=10,先沉積5nm的f16cupc，再沉積5nm的m-mtdata，作為一個單元，繼續沉積5nm的f16cupc，再沉積5nm的m-mtdata,作為第二個單元……如此循環共沉積10次，獲得10個m-mtdata5nm/f16cupc5nm異質結構成的紫外光屏蔽層。f16cupc和m-mtdata的沉積速率控制為0.05nm/s，沉積厚度和沉積速率使用石英晶振片進行監控。獲得紫外光屏蔽層總厚度為100nm。

(3)紫外光屏蔽層上制備空穴傳輸層：

真空熱蒸鍍的方法生長30nmcui作為空穴傳輸層。

(4)空穴傳輸層上制備鈣鈦礦光吸收層：

采用雙源共蒸法沉積鈣鈦礦吸光層，pbi2與ch3nh3i蒸鍍的摩爾比為1:4,鈣鈦礦光吸收層厚度200nm。

(5)鈣鈦礦光吸收層上制備電子傳輸層：

真空鍍膜機中蒸鍍20nmc60作為電子傳輸層。

(6)電子傳輸層上制備反射電極：

熱蒸鍍200nm的al作為反射電極。

經過測試，使用100mw/cm2的模擬太陽光作為電池的工作光源，本實施例的基于紫外光屏蔽層的鈣鈦礦光伏電池效率下降到初始效率的一半的時間與沒有紫外光屏蔽層的電池對比器件的效率下降到初始效率一半的時間相比增加了2倍。

最后，給出本發明能夠成功基于的幾個基本原理和事實：1、m-mtdata/f16cupc對紫外光具有強烈的吸收作用，透過ito導電玻璃基底進入器件內部的紫外光幾乎可以被紫外光屏蔽層完全吸收，而不會到達鈣鈦礦吸光層處，避免了鈣鈦礦層受到紫外光的照射，提高了電池的工作壽命。2、多個m-mtdata/f16cupc異質結(例如實施例一中的30個m-mtdata2nm/f16cupc2nm異質結)組層的紫外光屏蔽層與總厚度相同的單異質結(60nmm-mtdata/60nmf16cupc)相比，導電性大大提高。紫外光屏蔽層的引入并沒有明顯提高電池的串聯電阻，電池的空穴收集可以有效的進行，從而避免了電池的能量轉換效率的下降。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。