一種鈣鈦礦太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種鈣鈦礦太陽能電池，包括電子傳輸襯底、鈣鈦礦光活性層、空穴傳輸層和對電極，其特征在于，所述電子傳輸襯底選自氧化鋅單晶、雜原子摻雜氧化鋅單晶、表面含有微結構的氧化鋅單晶、表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶。所述鈣鈦礦太陽能電池，通過直接采用氧化鋅單晶、雜原子摻雜的氧化鋅單晶、或采用化學氣相沉積、濺射法、離子刻蝕處理過的氧化鋅單晶或雜原子摻雜的氧化鋅單晶作為電子傳輸襯底，同時兼具透光導電和電子傳輸收集電子的功能，減少了電池的層數，極大簡化了鈣鈦礦太陽能電池的結構，優化了制備過程。
【專利說明】
一種鈣鈦礦太陽能電池
技術領域
[0001]本申請涉及一種鈣鈦礦太陽能電池，屬于微電子器件技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著世界范圍內不可再生能源的日益消耗，能源短缺和環境惡化已經成為新世紀人類所面臨的愈發嚴重的問題。開發利用清潔可再生新能源越來越受到人們重視。太陽能正是其中一種綠色、清潔、可再生能源，取之不盡用之不竭，有潛力成為未來能源供給中的重要組成部分。作為光電轉換器件的太陽能電池，它的研究與應用已經受到越來越多的重視。
[0003]鈣鈦礦太陽能電池用有機/無機雜化鈣鈦礦材料ABX3作為光活性層，與傳統的硅基太陽能電池相比，它又具有成本低廉、光吸收系數高、載流子擴散長度大、質地輕、柔韌性好等優點。隨著近幾年來國內外相關研究的不斷深入，鈣鈦礦太陽能電池主要采用介孔結構和平面異質結兩種結構，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和穩定性不斷提升。
[0004]在高效的鈣鈦礦太陽能電池結構中通常需要選取合適的透明導電材料作為襯底，常用的有FTO導電玻璃(摻雜氟的SnO2透明導電玻璃，簡稱為FT0)、ΙΤ0(在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎上，利用濺射、蒸發等多種方法鍍上一層氧化銦錫膜加工制作成，簡稱ΙΤ0)等;與此同時還需要在襯底基礎之上制備合適的電子傳輸層來傳導電子，常用的有二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫等。通常，這些電子傳輸層的制備需要經過先在襯底上旋涂前驅體溶液，然后再進行高溫燒結的過程才能形成，這樣既耗時又耗力，同時增加了電池的結構，制備步驟繁瑣。
【發明內容】
[0005]根據本申請的一個方面，提供一種鈣鈦礦太陽能電池，通過直接采用氧化鋅單晶、雜原子摻雜的氧化鋅單晶、或采用化學氣相沉積、濺射法、離子刻蝕處理過的氧化鋅單晶或雜原子摻雜的氧化鋅單晶作為電子傳輸襯底，同時兼具透光導電和電子傳輸收集電子的功能，替代了現有技術中采用ITO或FTO等透明導電材料+電子傳輸層T12或SnO2的結構，減少了電池的層數，極大程度上簡化了鈣鈦礦太陽能電池的結構，省去了繁瑣的制備過程。
[0006]所述鈣鈦礦太陽能電池，包括電子傳輸襯底、鈣鈦礦光活性層、空穴傳輸層和對電極，其特征在于，所述電子傳輸襯底選自氧化鋅單晶、雜原子摻雜氧化鋅單晶、表面含有微結構的氧化鋅單晶、表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶。
[0007]所述氧化鋅單晶、雜原子摻雜氧化鋅單晶、表面含有微結構的氧化鋅單晶、表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶的晶體結構為六方纖鋅礦結構。
[0008]所述鈣鈦礦光活性層包含鈣鈦礦型晶體結構的光活性材料，如具有鈣鈦礦晶型(ABX3)的有機金屬鹵化物吸光材料，如碘化鉛甲胺CH3NH3Pb I3。
[0009]優選地，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶中的雜原子選自第IIIA族金屬元素中的至少一種。進一步優選地，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶中的雜原子是鋁和/或鎵。
[0010]優選地，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶選自摻鎵氧化鋅單晶(簡寫為GZ0)或者摻鋁氧化鋅單晶(簡寫為AZO)。
[0011]優選地，所述表面含有微結構的氧化鋅單晶和表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶中的微結構是微米結構和/或納米結構。
[0012]優選地，所述微米結構和/或納米結構通過在氧化鋅單晶表面或雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上進行離子刻蝕得到。
[0013]優選地，所述微米結構和/或納米結構通過在氧化鋅單晶表面或雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上采用氣相沉積法和/或磁控濺射法形成具有微米結構和/或納米結構的氧化鋅、具有微米結構和/或納米結構的雜原子摻雜氧化鋅、具有微米結構和/或納米結構的氧化鈦、具有微米結構和/或納米結構的氧化錫中的至少一種得到。
[0014]所述表面含有微結構的氧化鋅單晶和表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶可同時含有微米結構和納米結構。
[0015]作為一種實施方案，所述表面含有微結構的氧化鋅單晶是表面含有納米結構的氧化鋅單晶時，表面含有納米結構的氧化鋅單晶通過在氧化鋅單晶表面上采用氣相沉積法和/或磁控濺射法形成具有納米結構的氧化鋅、具有納米結構的雜原子摻雜氧化鋅、具有納米結構的氧化鈦、具有納米結構的氧化錫中的至少一種得到。
[0016]作為一種實施方案，所述表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶是表面含有納米結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶時，表面含有納米結構的氧化鋅單晶通過在雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上采用氣相沉積法和/或磁控濺射法形成具有納米結構的氧化鋅、具有納米結構的雜原子摻雜氧化鋅、具有納米結構的氧化鈦、具有納米結構的氧化錫中的至少一種得到。
[0017]優選地，所述微米結構選自微米線、微米球、微米片、微米墻、微米花、微米帶、微米管、微米棒、微米膜中的至少一種。
[0018]優選地，所述納米結構選自納米線、納米球、納米片、納米墻、納米花、納米帶、納米管、納米棒、納米膜中的至少一種。
[0019]根據本申請的又一方面，提供一種鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0020]SI，提供電子傳輸襯底；
[0021 ] S2，在所述電子傳輸襯底的上方形成I丐鈦礦光活性層；
[0022]S3，在所述鈣鈦礦光活性層的上方形成空穴傳輸層；以及
[0023]S4，在所述空穴傳輸層上方形成對電極。
[0024]作為一種實施方式，鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，由以下步驟組成:
[0025]SI，提供電子傳輸襯底；
[0026]S2，在所述電子傳輸襯底的上方形成I丐鈦礦光活性層；
[0027]S3，在所述鈣鈦礦光活性層的上方形成空穴傳輸層；以及
[0028]S4，在所述空穴傳輸層上方形成對電極。
[0029]步驟SI中所述電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶;或者
[0030]電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶;或者[0031 ]電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶-納米氧化鋅復合材料，所述氧化鋅單晶-納米氧化鋅復合材料通過在氧化鋅單晶表面上進行化學氣相沉積形成具有納米結構的氧化鋅層得至1J;或者
[0032]電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶-微米氧化鋅復合材料，所述氧化鋅單晶-微米氧化鋅復合材料通過在氧化鋅單晶表面上進行離子刻蝕形成微米結構得到;或者
[0033]電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶-納米雜原子摻雜氧化鋅復合材料，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶-納米雜原子摻雜氧化鋅復合材料通過在雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上進行化學氣相沉積形成具有納米結構的雜原子摻雜氧化鋅層得到;或者
[0034]電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶-微米雜原子摻雜氧化鋅復合材料，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶-微米雜原子摻雜氧化鋅復合材料通過在雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上進行離子刻蝕形成微米結構得到。
[0035]本申請的有益效果包括但不限于:
[0036]本申請所述的鈣鈦礦太陽能電池，采用的ZnO單晶或GZO單晶或AZO單晶具有良好的導電性、優異的透光性以及高熱穩定性等特點的材料作為襯底，可以同時作為透光導電材料和電子傳輸材料收集電子，取代了ITO或FTO等透明導電材料+電子傳輸材料T12或SnO2的結構，減少了電池的層數，極大程度上簡化了鈣鈦礦太陽能電池的結構，省去了繁瑣的制備過程。
【附圖說明】
[0037]圖1是本申請所述鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038]本申請所述鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖請參見圖1，鈣鈦礦光活性層2疊于電子傳輸襯底I之上；空穴傳輸層3疊于鈣鈦礦光活性層2之上；對電極4疊于空穴傳輸層3之上。在此結構的電池中，太陽光從電子傳輸襯底I一側入射進入鈣鈦礦光活性層，產生激子，激子在鈣鈦礦光活性層2、電子傳輸襯底I以及空穴傳輸層3的界面發生電荷分離，電子直接導入電子傳輸襯底I的單晶中，空穴傳入空穴傳輸層2，然后電子空穴傳導至外電路，然后完成光電轉化過程。
[0039]下面結合實施例詳述本申請，但本申請并不局限于這些實施例。
[0040]實施例中，ZnO單晶、GZO單晶和AZO單晶根據發明人黃豐之前的專利《提高水熱法生長單晶質量和效率的籽晶懸掛設備》(專利號為ZL 2012 2 0277751.4)中所提到的設備和方法制備而來。
[0041 ] 實施例1
[0042]將40μ1濃度為461mg/ml的碘化鉛的二甲基甲酰胺(簡寫為DMF)溶液滴加到作為電子傳輸襯底I的ZnO單晶表面(15.5mm X 13.5mm X 0.5mm)，然后再勾膠機上以2000r.p.m.的轉速旋涂30s;待旋涂均勻后，將旋涂有碘化鉛的ZnO單晶在加熱板上70°C加熱20min;隨后將冷卻好的涂有碘化鉛的ZnO單晶片放在勻膠機上，滴加ΙΟΟμΙ濃度為35mg/ml的甲基碘化銨的異丙醇溶液至碘化鉛薄膜上，靜置lmin，使碘化鉛與碘甲胺充分接觸反應形成甲胺碘化鉛鈣鈦礦光活性層2，然后以2000r.p.m.的轉速旋涂30s;待旋涂結束，將形成了甲胺碘化鉛鈣鈦礦光活性層的單晶片置于加熱臺上90°C加熱Ih;之后再將覆蓋有甲胺碘化鉛鈣鈦礦光活性層的單晶片置于勻膠機，滴加30μ1濃度為80mg/ml的Spiro-MeOTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’_螺二芴)的氯苯溶液，然后以2000r.p.m.轉速旋涂30s，隨后置于干燥器中氧化12h，形成空穴傳輸層3。在空穴傳輸層上通過熱蒸發法沉積80]11]1金形成對電極40
[0043]所得電池的有效面積為0.0725cm2，光電轉換效率為6.27%，電流密度為12.99mA/cm2，開路電壓915.3mV，填充因子FF為52.68% ο
[0044]實施例2
[0045]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，以摻鎵氧化鋅GZO為電子傳輸襯底I。
[0046]所得電池的有效面積為0.0725cm2，光電轉換效率為6.45%,電流密度為13.50mA/cm2，開路電壓910.0mV，填充因子FF為52.50% ο
[0047]實施例3
[0048]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，以摻鋁氧化鋅AZO為電子傳輸襯底I。
[0049]所得電池的有效面積為0.0725cm2，光電轉換效率為6.14%，電流密度為12.73mA/cm2，開路電壓915.lmV，填充因子FF為52.70%
[0050]實施例4
[0051]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在ZnO單晶之上通過化學氣相沉積(CVD)制備一層氧化鋅納米球形成復合結構作為電子傳輸襯底I。化學氣相沉積的方法參考浙江大學夏先輝碩士論文《固體源化學氣相沉積法制備ZnO納米結構及其生長機理的研究》中的方法，在ZnO單晶上形成100?200nm的氧化鋅納米球。
[0052]實施例5
[0053]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在GZO單晶之上通過化學氣相沉積(CVD)制備一層氧化鋅納米棒形成復合結構作為電子傳輸襯底I。化學氣相沉積的方法參考浙江大學夏先輝碩士論文《固體源化學氣相沉積法制備ZnO納米結構及其生長機理的研究》中的方法，在GZO單晶上形成60?I 1nm的氧化鋅納米棒。
[0054]實施例6
[0055]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在AZO單晶之上通過化學氣相沉積(CVD)制備一層氧化鋅納米球形成復合結構作為電子傳輸襯底I。化學氣相沉積的方法參考浙江大學夏先輝碩士論文《固體源化學氣相沉積法制備ZnO納米結構及其生長機理的研究》中的方法，在AZO單晶上形成100?200nm的氧化鋅納米球。
[0056]實施例7
[0057]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在ZnO單晶之上制備一層氧化鋅納米線陣列形成復合結構作為電子傳輸襯底I，氧化鋅納米線陣列的制備方法參考北京大學王偉博士論文《基于納米線陣列結構太陽能電池研究》中3.2.4部分的方法，所得薄膜厚度1.7?1.8μηι的氧化鋅納米線陣列。
[0058]實施例8
[0059]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在GZO單晶之上制備一層氧化鋅納米線陣列形成復合結構作為電子傳輸襯底I，氧化鋅納米線陣列的制備方法參考北京大學王偉博士論文《基于納米線陣列結構太陽能電池研究》中3.2.4部分的方法，所得薄膜厚度1.7?1.8μηι的氧化鋅納米線陣列。
[0060]實施例9
[0061 ]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在AZO單晶之上制備一層氧化鋅納米線陣列形成復合結構作為電子傳輸襯底I，氧化鋅納米線陣列的制備方法參考北京大學王偉博士論文《基于納米線陣列結構太陽能電池研究》中3.2.4部分的方法，所得薄膜厚度1.7?1.8μηι的氧化鋅納米線陣列。
[0062]實施例10
[0063]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在ZnO單晶之上通過磁控濺射法制備一層T12薄膜形成復合結構作為電子傳輸襯底I，具體磁控濺射法的方法參考北京大學王偉博士論文《基于納米線陣列結構太陽能電池研究》中的方法，所得T12薄膜的厚度約為 5nm。
[0064]實施例11
[0065]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在GZO單晶之上通過磁控濺射法制備一層T12薄膜形成復合結構作為電子傳輸襯底I，具體磁控濺射法的方法參考北京大學王偉博士論文《基于納米線陣列結構太陽能電池研究》中的方法，所得T12薄膜的厚度約為 5nm。
[0066]實施例12
[0067]電池的具體制備步驟同實施例1，不同之處在于，在AZO單晶之上通過磁控濺射法制備一層T12薄膜形成復合結構作為電子傳輸襯底I，具體磁控濺射法的方法參考北京大學王偉博士論文《基于納米線陣列結構太陽能電池研究》中的方法，所得T12薄膜的厚度約為 5nm。
[0068]經檢測，實施例4?實施例12中所得電池的有效面積均為0.0725cm2，光電轉換效率在6%?7%之間，電流密度在1211^/0112?1411^/0112之間，開路電壓在91011^?91611^之間，填充因子FF在52%?53%之間。
[0069 ]以上所述，僅是本申請的幾個實施例，并非對本申請做任何形式的限制，雖然本申請以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限制本申請，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本申請技術方案的范圍內，利用上述揭示的技術內容做出些許的變動或修飾均等同于等效實施案例，均屬于技術方案范圍內。
【主權項】
1.鈣鈦礦太陽能電池，包括電子傳輸襯底、鈣鈦礦光活性層、空穴傳輸層和對電極，其特征在于，所述電子傳輸襯底選自氧化鋅單晶、雜原子摻雜氧化鋅單晶、表面含有微結構的氧化鋅單晶、表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶。2.根據權利要求1所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶中的雜原子選自第IIIA族金屬元素中的至少一種。3.根據權利要求1所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶選自摻鎵氧化鋅單晶或摻鋁氧化鋅單晶。4.根據權利要求1所述的鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述表面含有微結構的氧化鋅單晶和表面含有微結構的雜原子摻雜氧化鋅單晶中的微結構是微米結構和/或納米結構。5.根據權利要求4所述的I丐鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述微米結構和/或納米結構通過在氧化鋅單晶表面或雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上進行離子刻蝕得到。6.根據權利要求4所述的I丐鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述微米結構和/或納米結構通過在氧化鋅單晶表面或雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上采用氣相沉積法和/或磁控濺射法形成具有微米結構和/或納米結構的氧化鋅、具有微米結構和/或納米結構的雜原子摻雜氧化鋅、具有微米結構和/或納米結構的氧化鈦、具有微米結構和/或納米結構的氧化錫中的至少一種得到。7.根據權利要求4所述的I丐鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述微米結構選自微米線、微米球、微米片、微米墻、微米花、微米帶、微米管、微米棒、微米膜中的至少一種。8.根據權利要求4所述的I丐鈦礦太陽能電池，其特征在于，所述納米結構選自納米線、納米球、納米片、納米墻、納米花、納米帶、納米管、納米棒、納米膜中的至少一種。9.權利要求1至8任一項所述鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，提供電子傳輸襯底； S2，在所述電子傳輸襯底的上方形成鈣鈦礦光活性層； S3，在所述鈣鈦礦光活性層的上方形成空穴傳輸層；以及 S4，在所述空穴傳輸層上方形成對電極。10.根據權利要求9所述的制備方法，其特征在于，步驟SI中所述電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶;或者 電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶;或者 電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶-納米氧化鋅復合材料，所述氧化鋅單晶-納米氧化鋅復合材料通過在氧化鋅單晶表面上進行化學氣相沉積形成具有納米結構的氧化鋅層得到;或者 電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶-微米氧化鋅復合材料，所述氧化鋅單晶-微米氧化鋅復合材料通過在氧化鋅單晶表面上進行離子刻蝕形成微米結構得到;或者 電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶-納米雜原子摻雜氧化鋅復合材料，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶-納米雜原子摻雜氧化鋅復合材料通過在雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上進行化學氣相沉積形成具有納米結構的雜原子摻雜氧化鋅層得到;或者 電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶-微米雜原子摻雜氧化鋅復合材料，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶-微米雜原子摻雜氧化鋅復合材料通過在雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上進行離子刻蝕形成微米結構得到;或者 電子傳輸襯底采用氧化鋅單晶-納米氧化鈦/氧化錫復合材料，所述氧化鋅單晶-納米氧化鋅復合材料通過在氧化鋅單晶表面上采用磁控濺射法形成具有納米結構的納米氧化鈦和/或納米氧化錫層得到;或者 電子傳輸襯底采用雜原子摻雜氧化鋅單晶-納米氧化鈦/氧化錫復合材料，所述雜原子摻雜氧化鋅單晶-納米氧化鋅復合材料通過在雜原子摻雜氧化鋅單晶表面上采用磁控濺射法形成具有納米結構的納米氧化鈦和/或納米氧化錫層得到。
【文檔編號】H01L51/42GK105845829SQ201610190114
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】黃豐, 劉淵, 鄭偉
【申請人】中國科學院福建物質結構研究所