一種鈣鈦礦太陽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鈣鈦礦太陽電池技術領域，尤其是涉及一種納米陣列的新型電子傳輸層與鈣鈦礦材料相結合形成的新型鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]鈣鈦礦型甲胺鉛碘(鹵素)薄膜太陽電池(簡稱鈣鈦礦太陽電池(Perovskitesolar ce11))是目前新型太陽電池研究領域的熱點，從2009年到2015年，這6年的時間，其光電轉換效率從3.8%躍升至20.2%，提高了5倍多，具有廣泛的應用前景。
[0003]鈣鈦礦太陽電池自提出以來，由于采用的鈣鈦礦材料具有電學、光學、磁學等特性引起了人們的研究熱情。最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3),電學方面其迀移率高，既可傳輸電子，又可傳輸空穴，且是直接帶隙，載流子擴散長度可以達到lum，比傳統有機半導體高出1-2個數量級；帶隙寬度約為1.5eV，與太陽光譜匹配具有良好的光吸收特性，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收SOOnm以下的太陽光;光學方面吸收系數較高達到15/cm3，與現在產品化的CIGS薄膜太陽電池相媲美，這種獨特的鈣鈦礦材料制備的太陽電池具有十分優異的特性，表現在:1.制備工藝簡單、沉積溫度低。2.較高的光電特性，單結理論效率達到31.2%。3.適合做疊層電池，由于單結鈣鈦礦電池波長吸收限在SOOnm左右，且短波量子響應較高，適合做疊層電池的頂電池。因此，鈣鈦礦太陽電池有望成為具有高效率、低成本、柔性等優點的新一代太陽電池。
[0004]現在常規鈣鈦礦電池的結構主要包括導電玻璃、電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層及金屬電極。制備高效率鈣鈦礦太陽電池的關鍵問題之一是高質量、高電導電子傳輸層(ETL)的制備。另外，現在常規鈣鈦礦太陽電池采用的電子傳輸層為多孔的T12薄膜，界面較多，電子傳輸路徑較長，復合較為嚴重，易造成電流損失，光電性能降低。因此，為進一步改善界面和提高光電性能，并且適合用于柔性襯底上，電子傳輸層的性能是獲得高質量和高性能鈣鈦礦電池的關鍵。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種鈣鈦礦電池及其制備方法，該方法制備過程簡單，易于大面積生產與控制，使沉積在襯底上的電子傳輸層結晶質量好，界面復合低，使電子在其上的傳輸路徑縮短，改善光電流，提高電池的光電性能。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種鈣鈦礦太陽電池的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)透明導電電極的刻蝕:對導電襯底通過等離子體刻蝕和腐蝕，形成一定粗糙度的表面形貌；
[0008](2)制備電子傳輸層:將上述的導電襯底進行清洗，然后通過濺射法、水熱法或電子束沉積法制備種子層；
[0009]所述利用濺射法制備種子層的步驟如下:將處理完的導電襯底放置入真空設備中，抽取真空至至少8 X 10—4Pa，通入Ar和O2，氧氬流量比為0.01-0.1，工作氣壓為0.5Pa，直流磁控濺射電流為0.2-0.35A，電壓為370-410V，得到80-120nm厚的致密種子層，所述致密種子層為T ?02、ZnO或ΑΙ2Ο3的電子傳輸層；
[0010]所述利用水熱法制備電子傳輸層的步驟如下:首先配置前驅體溶液，取1-1Og的分析純NaOH與100mL-400mL的去離子水，配置8-15moVL的濃堿溶液，取2g-20g的Ti02、Zn0或Al2O3粉末與上述濃堿溶液混合，再加入50-200mL乙醇溶液，置于磁力攪拌器上攪拌l_2h。然后將上述混合液體倒入水熱反應釜中，再將載有致密層的樣品垂直放入反應釜中，密封;將反應釜放入恒溫干燥箱，反應溫度為180-240°C，反應時間12-24h;取出樣品，待其自然冷卻，用鹽酸和去離子水清洗至PH值為中性，即可得到Ti02、Zn0或Al2O3的納米線及雜化納米結構的電子傳輸層；
[0011]所述利用電子束沉積法制備種子層的步驟如下:在電子束設備中，將清洗干凈的導電襯底放入設備基底上，基底傾斜角度為15-30°，抽取真空至至少8X 10—4，基底旋轉速度為10-25r/min，基底溫度80-150°C，電離電流為2_3.5A，電離電壓為400-700V，沉積0.5_2h制備出Ti02、Zn0或Al2O3納米陣列，完成后取出，進行水熱處理形成納米纖維或雜化納米狀材料的電子傳輸層；
[0012](3)鈣鈦礦吸收層的制備:在上述的電子傳輸層上采用兩步法制備鈣鈦礦材料CH3NH3PbX3，首先將PbX2粉末加入DMF溶劑，配制0.05-0.25M的溶液，然后在60_100°C條件下磁力攪拌器中均勻攪拌，取過濾液a留用;將CH3NH3X粉末加入異丙醇溶液中，配制5-15mg/mL的均一溶液b;在旋涂機上設置旋轉速度為1000-4000r/min，先旋涂過濾液a，再旋涂溶液b，在80-120°C退火平臺上退火，得到400-600nm厚的CH3NH3PbX3薄膜，X為鹵素Cl、Br或I;
[0013](4)金屬電極的制備:采用熱蒸發法或濺射法制備；
[0014]所述熱蒸發法:首先利用掩模板將上述完成的樣品放置在真空設備中，采用機械栗及分子栗抽取真空達到8 X 10—4Pa，然后利用熱蒸發法，采用99.99 %純度的Au或Ag條真空蒸發金屬電極，厚度為60-150nm，完成鈣鈦礦太陽電池器件的制備；
[0015]所述濺射法:首先利用掩模板將上述完成的樣品放置在真空設備中，抽取真空達至IJ8 X 10—4Pa，然后利用濺射法，采用99.99 %純度的Au或Ag靶材，在Ar的氣氛下，濺射金屬電極，厚度為60-150nm，完成鈣鈦礦太陽電池器件的制備。
[0016]在步驟(3)和(4)之間還有旋涂法制備的空穴傳輸層，其制備方法為:將200uL的Spiro-OMETAD溶液滴在步驟(3)的薄膜上，利用旋涂機設定速度為2000r/min-4000r/min，時間20-60s，然后在100°C_180°C下退火處理lh，得到80-120nm厚的薄膜。
[0017]所述步驟(I)透明導電電極由襯底和導電層構成，所述襯底為玻璃、聚酰亞胺P1、PET或PEN柔性襯底材料，所述導電層為FT0，IT0、IZO或AZO中的一種或幾種導電材料的混入口 ο
[0018]所述步驟(I)導電層采用雙靶直流磁控濺射或射頻磁控濺射法制備。
[0019]所述雙靶直流磁控濺射制備方法:氧氬流量比為0.01- 0.2，濺射電流為0.1A -
0.45A，濺射電壓為300-600V，制備出方塊電阻為5-10Ω/Π(歐姆每方塊)，透過率為80%以上的透明導電電極。
[0020]所述射頻磁控濺射制備方法:氧氬流量比為0.01-0.2，射頻濺射功率為300W-1000W，直流電壓為100-300V，射頻電壓為200-500V，制備出方塊電阻5-10Ω/□，透過率為80%以上的透明導電電極。
[0021 ]上述制備方法制備的鈣鈦礦太陽電池。
[0022]本發明的有益效果是:
[0023]1、本發明提出了將ΙΤ0、ΙΖ0等透明導電電極用于鈣鈦礦電池中及其制備，襯底可選擇玻璃襯底或柔性襯底，降低了 FTO導電玻璃的成本。并且對透明導電電極進行了刻蝕或腐蝕相關處理，形成絨面結構，增加了光程，提高了光子利用率。
[0024]2、本發明提出了一種新型結構的鈣鈦礦太陽電池，電池結構如下:襯底、透明導電電極、致密層、電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層及金屬電極。電子傳輸層包括納米線、棒、柱或納米纖維或雜化納米結構及其復合體。
[0025]3、通過采用本發明的電子傳輸層，降低了界面復合和縮短了電子傳輸路徑，提高了光電流，改善了光電性能。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明結構鈣鈦礦太陽電池(有HTM層)的結構示意圖；