含氧化物纳米颗粒缓冲层的太阳能电池和制造方法技术

公开了一种用于在导电层的高能沉积期间保护有机层的缓冲层。根据本发明专利技术的缓冲层特别适合用于基于钙钛矿的单结太阳能电池和包括至少一个钙钛矿基吸收层的双结太阳能电池结构。在某些实施例中，所述缓冲层包括使用溶液态处理形成的基于氧化物的纳米颗粒层，其中在包含有机层的结构上旋涂包含纳米颗粒和挥发性溶剂的溶液。随后在不降解有机层的低温过程中除去溶剂。

Solar cell with oxide nano particle buffer layer and manufacturing method thereof

A buffer layer for protecting an organic layer during high energy deposition of a conductive layer is disclosed. The buffer layer according to the invention is particularly suitable for a single junction solar cell based on perovskite and a double junction solar cell structure consisting of at least one perovskite base absorption layer. In some embodiments, the buffer layer includes an oxide based nanoparticle layer formed using a solution state process, in which a solution containing nanoparticles and volatile solvents is swirled on the structure containing the organic layer. The solvent is then removed in the low temperature process without degradation of organic layers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含氧化物纳米颗粒缓冲层的太阳能电池和制造方法关于联邦资助研究的声明在政府扶持下，本专利技术按照能源部授予的DE-EE0004946合同作出。政府拥有本专利技术某些权限。相关案件的声明本案要求对2015年10月22日提交的美国临时专利申请号为62/245，260(代理人案卷号：146-062PR1)和2016年9月22日提交的美国临时专利申请号为62/398，220的优先权(代理人案卷号：146-065PR2)，每一个通过引用并入本文。
本专利技术通常属于光电子学，并且尤其属于用于太阳能电池的透明电极的形成。技术背景太阳能电池是一种光电半导体器件，将射入其上的光能直接转换成电能。在太阳能电池的吸收层上吸收入射光，其产生自由电载流子(即，电子和空穴)。自由电载流子在器件两端产生电压，该电压可直接用于对电力系统供电或存储在电存储系统(例如，电池等)中随后使用。为了在吸收材料上产生自由载流子对，光子必须具有比材料的能带隙(EG)更高的能量。材料的EG是其顶部价带(被束缚电子填充的最高能级)和底部导带(被自由电子填充的最低能级)之间的能量差。当光子被吸收，其能量留作束缚电子空穴对，其释放电子，并能够使得电子使能够从价带到导带。光子的能量与其波长成反比(Ep＝hc/λ，其中Ep为光子能量，h为普朗克常数，c为光速，而λ为波长)；因此，较长波长的光(例如，红光)具有比短波长的光(例如，蓝光)更低的光子能量。从而，用于吸收光的半导体的选择对太阳能电池的效率具有重要影响。由于相对其他半导体材料，硅的EG相对低，制造基础设施高度发达，并且成本低，其可能是目前最普遍用在太阳能电池上的吸收材料。不幸的是，硅并不能有效地吸收光。此外，因为自由电子和自由空穴易于分别占据底部导带和顶部价带的能级，从更高能量的光子接收的电子空穴对的任何额外的能量，在所谓的“热化”过程中转换成传输到半导体材料的热量。热化过程降低了太阳能电池的能量转换效率，并且还提高了器件的温度，从而导致退化和寿命问题。在改进器件性能的探索中，太阳能电池界一直在积极寻找硅的可替代材料，现在钙钛矿被认为是最具吸引力的硅替代品之一。实际上，最近几年钙钛矿基太阳能电池的效率已经可以同硅基器件相竞争。其迅速崛起是独特性能相组合的结果，包括强光学吸收和长双极扩散长度，这些性能是由其固有缺陷的良性性质所致。此外，钙钛矿非常适合用于叠层(tandem)太阳能电池配置的顶部电池，这与在更传统的单电池装置所达到的相比，实现了改进的能量转换效率和热化损耗。叠层太阳能电池是一种堆叠结构，包括由具有相对较高EG的材料制成的顶部光伏部分和由具有相对较低EG的材料制成的底部光伏部分。换句话说，叠层太阳能电池具有两个p-n结和两个不同的能带隙。当光入射到堆叠结构时，高能光子首先在顶部吸收，而低能光子穿过顶部在底部光伏部分吸收。这能够使得吸收的光谱更广，因此超过单结效率的限制，提高了能量转换效率。此外，由于高能光子在顶部电池的吸收，降低了底部电池的热化效应。根据顶部太阳能电池的材料的EG，硅基叠层太阳能电池的基本效率限制可以高达大约39％——明显高于单结硅太阳能电池的33.7％的理论效率限制。因为钙钛矿具有宽的，可调谐的能带隙和溶液可加工性能，在用于具有包含各种不同较低EG材料的底部电池的叠层太阳能电池配置的顶部电池中特别引人关注。因此，钙钛矿为实现提高效率的工业目标并继续压低模块成本提供了途径。基于钙钛矿的叠层太阳能电池已经在机械堆叠的四端配置和单片集成的三端配置中得到证明。机械堆叠的叠层结构最为成功，最近已达超过24％的电转换效率。机械堆叠架构具有超过单片集成结构的一些优势——最显著地是简化了器件制造，允许硅表面纹理化，并且无需电流匹配。而单片集成叠层结构由于具有更少的透明电极层，具有更大的希望。然而迄今为止，由于热和环境的不稳定问题，单结和叠层钙钛矿基太阳能电池二者的商业可行性受到限制。钙钛矿易受水分和甲基胺离子溢出的影响。此外，钙钛矿材料的卤化物可与金属电极反应，导致电极腐蚀。现有技术中已经做出了稳定钙钛矿的努力，例如利用疏水异质结接触，或提供减少水分进入的封装层或无针孔金属氧化层以防止金属与卤化物相互作用。但是，在防止甲基胺离子溢出中进展很少。此外，太阳能电池的顶部电极需要高度透明和高度导电。然而，由于制造的限制，在进入钙钛矿之前，光需要首先穿过标准架构中的空穴传输层(例如螺环-OMeTAD)或倒置架构中的电子受体层(例如，[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯([60]PCBM)、[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯([61]PCBM)、浴铜灵(BCP)等)，会产生明显的寄生损失。事实上用于透明接触的工业标准是溅射的铟锡氧化物(ITO)，其通常通过RF磁控管溅射沉积成薄膜。可是，沉积和后退火期间的温度可能加速甲胺演变，导致钙钛矿有源层发生不可逆转性损伤。此外，溅射的电极材料颗粒的高能量在溅射过程中容易损伤钙钛矿和载流子提取层(即，螺环-OMeTAD、PCBM、浴铜灵(BCP)等)，导致器件性能的退化。在接触形成之前在钙钛矿/载流子提取层堆叠的顶部增加缓冲层被认为是用于减少与ITO沉积相关的问题的潜在方法。不幸的是，现有技术中由于缓冲层与钙钛矿组成成分的化学反应，使得缓冲层的长期稳定性差。此外，现有技术中缓冲层的效率较低，使得填充因子和开路电压降低。进一步地，很多现有技术中的缓冲层需要附加的真空处理，例如蒸发，其使太阳能电池的制造不期望地复杂化。更进一步地，某些现有技术的缓冲层与多数理想的器件架构都不匹配。例如，氧化钼(MoOx)不能用于倒置的太阳能电池架构中。现有技术中仍没有证实在基于钙钛矿的太阳能电池结构中容易形成高质量，高透明接触窗口的能力。
技术实现思路
本专利技术使得能够在光电子器件/电路中形成透明导电电极(TCO)，例如铟锡氧化物(ITO)接触，而这原本会出现问题或者不可能的。根据现有技术的教导，通过包含溶液处理过的氧化物纳米颗粒的缓冲层来实现。本专利技术的实施例特别适合用于单结和双结太阳能电池架构中。本专利技术的说明性实施例是倒置结构的基于钙钛矿的单结太阳能电池，基于钙钛矿的太阳能电池包含溅射沉积的ITO的透明导电电极，其设置在包含多个宽带隙氧化物基纳米颗粒的缓冲层上。在说明性实施例中，纳米颗粒为氧化锌纳米颗粒；但是在某些实施例中，纳米颗粒包括不同氧化物，包括金属氧化物和半导体氧化物。在某些实施例中，氧化物纳米颗粒掺杂了其他材料(例如铝、氢、铟、镓等)，以便提高其导电性。纳米颗粒缓冲层的加入使能够在沉积和退火处理ITO层而不损害钙钛矿层。在某些实施例中(例如叠层太阳能电池)，退火ITO材料的能力是特别重要的，因为可以改善结晶度，这提高了其导电性和光学透明性。使用在低温(例如，<200℃，并且优选在约60℃至75℃的范围内)下进行的基于溶液的方法，在包括基于钙钛矿吸收层的层结构上形成纳米颗粒缓冲层，基于钙钛矿的吸收层位于作为电子选择性层(即，空穴阻挡)的n型异质结层和作为空穴选择性层的p型异质结层之间。通过低温和基于溶液的工艺形成缓冲层的能力，简化了整个制造工艺，并减少了底层的退化。这在底层有机材料上形成缓冲层的实施例中(如说明性实施例)特别重要。在某些实施例中，包括作为叠层太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光电子器件，包括：包含有机材料的第一层；包含多个氧化物纳米颗粒的第二层，其所述多个氧化物纳米颗粒的特征为宽能带隙；以及第一透明导电电极；其特征在于，所述第二层在所述第一层和所述第一透明导电电极之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.22 US 62/245,260;2016.09.22 US 62/398,2201.光电子器件，包括：包含有机材料的第一层；包含多个氧化物纳米颗粒的第二层，其所述多个氧化物纳米颗粒的特征为宽能带隙；以及第一透明导电电极；其特征在于，所述第二层在所述第一层和所述第一透明导电电极之间。2.根据权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，所述有机材料为钙钛矿材料。3.根据权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，其所述的多个氧化物纳米颗粒包括选自由氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氧化钛(TiO2)、氧化钨(W2O3)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镍(NiO)、氧化钼(MoOx)等组成的氧化物组。4.根据权利要求3所述的光电子器件，其特征在于，其所述多个纳米颗粒掺入选自由铝、氢、铟和镓组成的组的第一掺杂物。5.根据权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，所述光电子器件选自由太阳能电池、发光二极管、和电致变色器组成的光电子器件组。6.根据权利要求1所述的光电子器件，其特征在于，所述第一层包括具有第一能带隙(EG)的第一种钙钛矿，以及所述光电子器件进一步包括：第三层，所述第三层包含具有低于所述第一EG的第二EG的第一材料；以及第二透明导电电极，所述第二透明导电电极在所述第一层和所述第三层之间，所述第二透明导电电极与所述第一层和所述第三层的每一个电连接。7.根据权利要求6所述的光电子器件，其特征在于，所述光电子器件是单片集成的叠层太阳能电池。8.根据权利要求7所述的光电子器件，其特征在于，所述第一种材料包括第二种钙钛矿。9.光电子器件，包括：第一层，所述第一层包含第一材料，所述第一种材料包含第一种钙钛矿并具有第一能带隙(EG)；第一电接触与所述第一层进行电连接，所述电接触对特征为第一波长范围的第一光信号基本是透明的；以及缓冲层，所述缓冲层在所述电接触和所述第一层之间，所述缓冲层包含多个氧化物纳米颗粒。10.根据权利要求9所述的光电子器件，其特征在于，所述氧化物纳米颗粒包括选自由氧化锡、氧化锌、掺铝氧化锌(AZO)、氧化钛、氧化镍、氧化铂、氧化钨和氧化钒组成的组的宽能带隙氧化物。11.根据权利要求9所述的光电子器件，进一步包括：第一空穴选择性层；第一电子选择性层，所述第一层在所述第一空穴选择性层和所述第一电子选择性层之间；以及第二电触头，所述第二电触头与所述第一层进行电连接；其特征在于，所述第一层、所述第一空穴选择性层、所述第一电子选择性层...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·A·布什，C·D·拜利，M·D·麦格希，T·莱杰腾斯，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国,US