一种埋栅硅钙钛矿太阳电池及其制备方法技术

技术编号:19749225 阅读:23 留言:0更新日期:2018-12-12 05:25
本发明专利技术一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池及其制备方法,涉及专门适用于将光能转换为电能的半导体器件,是一种将栅状电极直接接入电子传输层内部的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池。本发明专利技术采用电极埋栅结构减少了太阳电池的栅状电极的宽度的同时将电极直接接入到电子传输层的内部,增大其与电子传输层的接触面积,有效的提高了电子收集能力,另一方面大大增加了太阳光照射到电池的面积,提高了现在薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池的光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种埋栅硅钙钛矿太阳电池及其制备方法
本专利技术的技术方案涉及专门适用于将光能转换为电能的半导体器件,具地说是一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池及其制备方法。
技术介绍
采用薄膜晶硅与钙钛矿构成的硅钙钛矿太阳电池,称为薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,这种硅钙钛矿太阳电池既克服了目前普通钙钛矿太阳电池因使用有机空穴传输材料而稳定性不足、制备成本高的问题,又克服了使用体块晶硅材料为空穴传输材料的钙钛矿太阳电池硅材料使用量大的缺点,同时又克服了使用非薄膜晶硅为空穴传输材料的钙钛矿太阳电池因非晶硅材料缺陷多而造成性能下降的缺点,于是提高了太阳电池的稳定性,降低了成本。然而,目前太阳电池发电成本仍然高于煤电等常规发电成本,因此进一步降低薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池发电成本对不断提高这种太阳电池的竞争性具有重要意义。除了降低薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池的材料成本、制备成本以及延长电池的使用寿命之外,增加单位面积太阳电池的太阳光吸收利用效率是进一步降低薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池发电成本的重要途径。目前薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池的结构为由透明导电层、电子传输层、钙钛矿光吸收层、硅空穴传输层和背电极构成,其中透明导电层在电池的受光面。常见的透明导电层为ITO(锡掺杂三氧化铟)、AZO(铝掺杂氧化锌)等,它们的禁带宽度大,可见光透过率高,但导电性差,制备成本高。因此在大规模商用的单晶硅、多晶硅等商业太阳电池中都没有采用透明导电层作为采集电池受光面的光生电子的电极材料。而采用金属采集电池受光面的光生电子,具有导电性优良的特点,但需要满足金属导电栅线与硅钙钛矿太阳电池电子传输层的接触势垒、化学稳定和制备工艺匹配,不能在金属栅线制备工艺中造成电子传输层、钙钛矿光吸收层、硅空穴传输层和背电极的损伤,而且由于金属不透光,需要在满足收集光生电子速度与数量的同时,尽量减小金属导电栅线宽度所占电池的比值,使更多的光能够入射太阳电池,进一步提高电池的光电转化效率以及综合性能。因此,开发具有与薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池电子传输层的接触势垒、化学稳定和制备工艺匹配,并且在满足收集光生电子速度与数量的同时,尽量减小金属导电栅线宽度所占电池的比值的金属导电栅线的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,是薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池提高竞争性的一项重要工作。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:提供一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池及其制备方法,是一种具有电极埋栅式金属电极的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池及其制备方法,本专利技术实现在薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池中将栅状金属电极埋入到电子传输层中,且该栅状金属电极与电子传输层的接触势垒、化学稳定和制备工艺匹配,并且在满足收集光生电子速度与数量的同时,尽量减小金属导电栅线宽度所占电池的比值的金属导电栅线的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池减小了栅状电极所占电池的面积比,增加了光照太阳电池的面积,大大提高了电池的光电转化效率以及各项性能。本专利技术所采用的技术方案是:一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,是一种将栅状电极埋入至电子传输层的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,由透明导电基底、P型薄膜晶硅层、电子空穴复合抑制结构层、钙钛矿光吸收层、由致密氧化锌构成的电子传输层和埋栅电极构成,其中,钙钛矿光吸收层与P型薄膜晶硅层具备相匹配的能级,在P型晶硅薄膜层与钙钛矿光吸收层之间加有SiO2构成的电子空穴复合抑制结构层;其组成顺序方式是:P型薄膜晶硅层置于透明导电基底上面,电子空穴复合抑制结构层被制备在P型薄膜晶硅层上,钙钛矿光吸收层置于电子空穴复合抑制结构层的上面,并与P型薄膜晶硅层形成薄膜晶硅钙钛矿异质结,由致密氧化锌构成的电子传输层置于钙钛矿光吸收层上面,栅状电极置于由致密氧化锌构成的电子传输层内部,以上六个功能层依次叠加,构成此一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池。上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,所述透明导电基底为以玻璃为基底的AZO、ITO或FTO透明氧化物导电层。上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,所述P型薄膜晶体硅层的厚度为10~2000nm。上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,所述电子空穴复合抑制结构层的厚度为1nm~200nm。上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,所述钙钛矿光吸收层所用的钙钛矿材料是CH3NH3PbI3或由CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbI2Cl和CH3NH3PbICl2混合构成,厚度为0.05~30um。上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,所述栅状电极为铝、银或铜构成的栅线。上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池的制备方法,步骤如下:第一步,在透明导电基底上制备P型薄膜晶硅层:(1.1)制备P型α-Si:H非晶硅薄膜:将背电极放置于PECVD设备样品台上,通过PECVD法,在反应压力5Pa~50Pa、衬底温度50℃~350℃、SiH4气体流量为0.1sccm~10sccm、H2气体流量为1sccm~100sccm、PH3气体流量为0.0001sccm~1sccm的条件下,在透明导电基底上生长20~3000nm厚的P型α-Si:H非晶硅薄膜,(1.2)对P型α-Si:H非晶硅薄膜进行脱氢处理:在高纯N2气氛、250℃~550℃的条件下对上一步所得的P型α-Si:H非晶硅薄膜处理4小时,完成P型α-Si:H非晶硅薄膜的脱氢处理,(1.3)完成晶硅薄膜的准分子激光晶化:在反应室温度200℃~400℃、本底真空度1×10-4Pa~9×10-4Pa条件下,通过准分子激光对上一步得到的P型α-Si:H非晶硅薄膜进行晶化,其中激光波长为308nm,脉宽为5ns~50ns,频率从1Hz到1000Hz可调,能量密度从20mJ/cm2~800mJ/cm2可调,实现在非晶硅薄膜相变条件下加热至熔化,随着冷却发生晶化,由此在透明导电基底上制备得P型薄膜晶硅层,该P型薄膜晶体硅层的厚度为10~2000nm;第二步,在P型薄膜晶硅上制备电子空穴复合抑制结构层:通过PECVD方法,在反应压力5Pa~50Pa、衬底温度50℃~350℃、气体流量为SiH41sccm~100sccm、N2O20sccm~1000sccm和N240sccm~2000sccm条件下,在第一步所制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上制备沉积厚度为1nm~200nm的SiO2薄膜,即在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上制备得到电子空穴复合抑制结构层。第三步,在电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层:在上述第二步制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层,采用以下方法:(3.1)CH3NH3I的制备:制备CH3NH3I的原料是重量百分比浓度为33%的甲胺乙醇溶液和重量百分比浓度为57%的碘化氢溶液,按体积比为百分比浓度为33%的甲胺乙醇溶液∶重量百分比浓度为57%的碘化氢溶液=2~3∶1将两种溶液混合后放入到250mL的圆底烧瓶内,在0℃下,利用恒温磁力搅拌器不停搅拌1.5~2小时,搅拌完毕后利用旋转蒸发仪在50℃下通过旋转蒸发去除溶剂,之后将获得的白色固体用乙醚清洗三次,具体清洗步骤为:先将前述获得的白色固体重新全部溶解在乙醇中,再本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种埋栅硅钙钛矿太阳电池,其特征在于:是一种将栅状电极埋入至电子传输层的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,由透明导电基底、P型薄膜晶硅层、电子空穴复合抑制结构层、钙钛矿光吸收层、由致密氧化锌构成的电子传输层和埋栅电极构成,其组成顺序方式是:P型薄膜晶硅层置于透明导电基底上面,电子空穴复合抑制结构层被制备在P型薄膜晶硅层上,钙钛矿光吸收层置于电子空穴复合抑制结构层的上面,并与P型薄膜晶硅层形成薄膜晶硅钙钛矿异质结,由致密氧化锌构成的电子传输层置于钙钛矿光吸收层上面,栅状电极置于由致密氧化锌构成的电子传输层内部,以上六个功能层依次叠加,构成此一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池。

【技术特征摘要】
1.一种埋栅硅钙钛矿太阳电池,其特征在于:是一种将栅状电极埋入至电子传输层的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,由透明导电基底、P型薄膜晶硅层、电子空穴复合抑制结构层、钙钛矿光吸收层、由致密氧化锌构成的电子传输层和埋栅电极构成,其组成顺序方式是:P型薄膜晶硅层置于透明导电基底上面,电子空穴复合抑制结构层被制备在P型薄膜晶硅层上,钙钛矿光吸收层置于电子空穴复合抑制结构层的上面,并与P型薄膜晶硅层形成薄膜晶硅钙钛矿异质结,由致密氧化锌构成的电子传输层置于钙钛矿光吸收层上面,栅状电极置于由致密氧化锌构成的电子传输层内部,以上六个功能层依次叠加,构成此一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池。2.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池,其特征在于:上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,所述栅状电极为铝、银或铜构成的栅线。3.根据权利要求1所述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池,其特征在于:所述电子空穴复合抑制结构层的厚度为1nm~200nm。4.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池,其特征在于:所述钙钛矿光吸收层所用的钙钛矿材料是CH3NH3PbI3或由CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbI2Cl和CH3NH3PbICl2混合构成,厚度为0.05~30um。5.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池,其特征在于:所述P型薄膜晶体硅层的厚度为10~2000nm。6.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池的制备方法,其特征在于步骤如下:第一步,在透明导电基底上制备P型薄膜晶硅层(1.1)制备P型α-Si:H非晶硅薄膜:将背电极放置于PECVD设备样品台上,通过PECVD法,在反应压力5Pa~50Pa、衬底温度50℃~350℃、SiH4气体流量为0.1sccm~10sccm、H2气体流量为1sccm~100sccm、PH3气体流量为0.0001sccm~1sccm的条件下,在透明导电基底上生长20~3000nm厚的P型α-Si:H非晶硅薄膜,(1.2)对P型α-Si:H非晶硅薄膜进行脱氢处理:在高纯N2气氛、250℃~550℃的条件下对上一步所得的P型α-Si:H非晶硅薄膜处理4小时,完成P型α-Si:H非晶硅薄膜的脱氢处理,(1.3)完成晶硅薄膜的准分子激光晶化:在反应室温度200℃~400℃、本底真空度1×10-4Pa~9×10-4Pa条件下,通过准分子激光对上一步得到的P型α-Si:H非晶硅薄膜进行晶化,其中激光波长为308nm,脉宽为5ns~50ns,频率从1Hz到1000Hz可调,能量密度从20mJ/cm2~800mJ/cm2可调,实现在非晶硅薄膜相变条件下加热至熔化,随着冷却发生晶化,由此在透明导电基底上制备得P型薄膜晶硅层,该P型薄膜晶体硅层的厚度为10~2000nm;第二步,在P型薄膜晶硅上制备电子空穴复合抑制结构层;通过PECVD方法,在反应压力5Pa~50Pa、衬底温度50℃~350℃、气体流量为SiH41sccm~100sccm、N2O20sccm~1000sccm和N240sccm~2000sccm条件下,在第一步所制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上制备沉积厚度为1nm~200nm的SiO2薄膜,即在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上制备得到电子空穴复合抑制结构层。第三步,在电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层;在上述第二步制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层,采用以下方法:(3.1)CH3NH3I的制备:制备CH3NH3I的原料是重量百分比浓度为33%的甲胺乙醇溶液和重量百分比浓度为57%的碘化氢溶液,按体积比为百分比浓度为33%的甲胺乙醇溶液∶重量百分比浓度为57%的碘化氢溶液=2~3∶1将两种溶液混合后放入到250mL的圆底烧瓶内,在0℃下,利用恒温磁力搅拌器不停搅拌1.5~2小时,搅拌完毕后利用旋转蒸发仪在50℃下通过旋转蒸发去除溶剂,之后将获得的白色固体用乙醚清洗三次,具体清洗步骤为:先将前述获得的白色固体重新全部溶解在乙醇中,再不断地添加干乙醚析出沉淀物,此过程重复两次,最后将得到的白色固体放入到真空干燥箱中,在60℃和真空度为5×104Pa的条件下干燥24小时,制得CH3NH3I;(3.2)成分为CH3NH3PbI3的钙钛矿前驱溶液的制备:将摩尔比为质量百分比为99.999%的PbCl2∶上述A-1步制得的CH3NH3I=1∶3混合,并溶解在质量百分比纯度为99.9%的N,N-二甲基甲酰胺中,使得PbCl2...

【专利技术属性】
技术研发人员:田汉民苏天宇戎小营
申请(专利权)人:河北工业大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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