一种钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术的钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池涉及专门适用于将光能转换为电能的半导体器件。本发明专利技术的钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池由底部电极、N型氧化物半导体膜、C60电子薄膜、钙钛矿单晶光吸收层、单晶硅空穴传输层以及顶部电极构成。所述的氧化物半导体薄膜是通过磁控溅射获得的N型的氧化锌薄膜，C60电子薄膜是通过热蒸镀获得的一层缓冲层，钙钛矿单晶是钙钛矿结构的光吸收材料，空穴传输层是通过磁控溅射获得的P型单晶硅材料，底部和顶部电极是通过热蒸镀获得的铝或银构成的膜。本发明专利技术将钙钛矿单晶材料作为光吸收层，将P型单晶硅材料作为空穴传输层，获得了稳定、高效的太阳电池。

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜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，具体地说是钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池及其制备方法及其制备方法。
技术介绍
太阳能的利用是人类社会进步的一大突破，在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能作为可再生能源，主要的利用手段是将太阳能转化为电能，进而应用与人类生活的方方面面。低价高效并长期稳定的太阳电池是利用太阳能实现大规模光电转换的基础。一类太阳电池是单晶硅太阳电池。这种电池的稳定性好，是目前应用最广泛的太阳能电池。但是由于硅是间接带隙材料，光吸收能力相对差，单晶硅太阳电池需要耗用厚度达到数十微米至220微米的高纯、高晶体质量的晶体硅材料才能完全吸收太阳光。由于晶体硅材料耗用难以削减，而且晶体硅材料制作工艺严苛，所以单晶硅太阳电池的成本难于显著下降，至今规模替代水电、煤电和核电。一类太阳电池是最近迅速发展的钙钛矿光吸收层太阳电池。这类电池的组成为导电基底、电子传输材料、钙钛矿光吸收层、有机空穴传输材料、金属电极。这类电池中的钙钛矿光吸收层具有低廉的成本、简单的制备工艺、良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度可超过1um，所以这类电池具有超低成本的潜力。但目前钙钛矿光吸收层太阳电池中使用有机空穴传输材料，有机空穴传输材料寿命相对硅等无机材料要短很多，而且有机空穴传输材料的价格也远高于硅等无机材料。所以钙钛矿光吸收层太阳电池稳定性差、目前综合成本高。还有一类电池是钙钛矿与硅结合的太阳电池。这类电池中的组成为导电基底、电子传输材料、钙钛矿光吸收层、P型非晶硅薄膜、金属电极。这类电池以钙钛矿材料为光吸收层，以P型非晶硅薄膜替代传统的有机空穴传输材料，不需要厚度达到几十微米甚至220微米的晶硅材料实现光吸收，也不使用稳定性差价格昂贵的有机空穴材料，因而这种电池具有低廉的成本、优异光电转换性能的潜力。但由于制备工艺需要互相匹配的制约，目前这种钙钛矿与硅结合的太阳电池中的钙钛矿光吸收层为非晶与微晶的混合相薄膜，这种钙钛矿与硅结合的太阳电池中的P型非晶硅薄膜也是为非晶薄膜或非晶与微晶的混合相薄膜。非晶与微晶的混合相薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷会造成载流子的复合，而且薄膜态的钙钛矿对温度，湿度，气体敏感度都具有很高的反应，很容易受到影响，失去本来的特性。因此目前的钙钛矿与硅结合的太阳电池存在光电转换性能低、稳定性不足的缺点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：本专利技术提供一种钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池及其制备方法。本专利技术实现了使用钙钛矿单晶作为光吸收层、P型单晶硅作为空穴传输层的太阳电池及其工艺相互匹配的制备方法，不仅克服了非晶与微晶的混合相钙钛矿薄膜稳定性差、载流子的复合高的缺点，还克服了硅薄膜为非晶硅或非晶与微晶的混合相存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷造成的载流子复合，同时避免了使用价格高、稳定性差的有机空穴传输材料，因此得到了更加高效，稳定的太阳电池。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池由底部电极、氧化物半导体薄膜、富勒烯(C60)薄膜层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和顶部电极构成；氧化物半导体薄膜是n型半导体薄膜，钙钛矿光吸收层是钙钛矿晶体结构的光吸收材料，空穴传输层是具备与钙钛矿光吸收层相匹配能级的P型单晶硅薄膜，底部与顶部电极是铝或银构成的膜；所述空穴传输材料被沉积在钙钛矿单晶材料上，C60薄膜层被蒸镀在钙钛矿单晶表面上，氧化物半导体薄膜被溅射沉积在C60薄膜层的衬底上，由铝或银构成的膜被镀在空穴传输层和氧化物半导体薄膜上形成底部和顶部电极。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的氧化物半导体薄膜为ZnO薄膜。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的光吸收材料是甲胺铅碘钙钛矿晶体(CH3NH3PbI3)。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的空穴传输层材料是P型单晶硅薄膜。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的钙钛矿光吸收层的厚度为1um～175um。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述空穴传输层的厚度为5～500nm。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的C60薄膜层的厚度为5～30nm。上述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述氧化物半导体薄膜的厚度为5～200nm。钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池的制备方法，其步骤如下：第一步制备钙钛矿单晶材料(CH3NH3PbI3)制备钙钛矿晶体材料(CH3NH3PbI3)可选取以下两种方法中的任意一种A.方法一A-1.CH3NH3I的制备制备CH3NH3I的原料为甲胺溶液(33wt％，溶剂为乙醇)和碘化氢溶液(57wt％，溶剂为水)。按体积比为甲胺溶液∶碘化氢溶液＝2～3∶1(甲胺溶液稍微过量)，将两种溶液混合放入到250烧杯中，利用恒温磁力搅拌器在0℃不停搅拌1.5～2h。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，具体步骤为：先将前一步得到的产品重新溶解在乙醇中，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℃下真空干燥24h，获得CH3NH3I。A-2.钙钛矿晶体CH3NH3PbI3的制备制备钙钛矿晶体CH3NH3PbI3的原料为Pb(CH3COOH)2·3H2O(37.933g，0.1mol)和第一步制备的CH3NH3I(15.9g，0.1mol)，溶剂为水的57wt％的HI(260ml)。首先将0.1mol的Pb(CH3COOH)2·3H2O溶于260ml的HI溶液中，并利用恒温磁力搅拌器不停搅拌(溶液温度为65℃)，形成黄色溶液，再将0.1mol的CH3NH3I加入黄色溶液中，当CH3NH3I晶体充分溶解在溶液后停止搅拌，将溶液温度按一定的速率缓慢的从65℃降到40℃，使溶液饱和，几天后，烧杯底部就会出现黑色且有光泽的CH3NH3PbI3钙钛矿晶体。最后，将得到的钙钛矿晶体先用HI清洗，过滤，然后用丙酮清洗，过滤。B.方法二B-1.CH3NH3I的制备制备CH3NH3I的原料为CH3NH2(40wt％，溶剂为乙醇)和HI(57wt％，溶剂为水)。按摩尔比为CH3NH2∶HI＝1∶1，将两种溶液混合放入到250ml烧杯中，利用恒温磁力搅拌器在0℃不停搅拌1.5～2h。搅拌完毕后，利用旋转蒸发仪在500C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，具体步骤为：先将前一步得到的产品重新溶解在乙醇中，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600C下真空干燥24h，获得CH3NH3I。B-2.钙钛矿晶体CH3NH3PbI3的制备制备钙钛矿晶体CH3NH3PbI3的原料为PbI2(纯度99.9985％)，HI(57wt％，溶剂为水)。首先，将0.04mol的PbI2溶解在100ml的HI，形成含有Pb+2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，其特征在于：由顶部电极、氧化物半导体薄膜、C60电子薄膜、钙钛矿单晶光吸收层，单晶硅空穴传输层、底部电极构成。

【技术特征摘要】
1.钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，其特征在于：由顶部电极、氧化物半导体薄膜、C60电子薄膜、钙钛矿单晶光吸收层，单晶硅空穴传输层、底部电极构成。2.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的氧化物半导体薄膜为ZnO薄膜。3.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的光吸收材料是甲胺铅碘钙钛矿晶体(CH3NH3PbI3)。4.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的空穴传输层材料是P型单晶硅薄膜。5.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的钙钛矿光吸收层的厚度为1um～175um。6.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述空穴传输层的厚度为5～500nm。7.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述的C60薄膜层的厚度为5～30nm。8.根据权利要求1所述钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池，所述氧化物半导体薄膜的厚度为5～200nm。9.钙钛矿单晶材料与P型单晶硅结合的薄膜太阳电池的制备方法，其步骤如下：第一步制备钙钛矿单晶材料(CH3NH3PbI3)制备钙钛矿晶体材料(CH3NH3PbI3)可选取以下两种方法中的任意一种方法一A-1.CH3NH3I的制备制备CH3NH3I的原料为甲胺溶液(33wt％，溶剂为乙醇)和碘化氢溶液(57wt％，溶剂为水)。按体积比为甲胺溶液∶碘化氢溶液＝2～3∶1(甲胺溶液稍微过量)，将两种溶液混合放入到250mL烧杯中，利用恒温磁力搅拌器在0℃不停搅拌1.5～2h。搅拌完毕后，利用旋转蒸发仪在500℃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，具体步骤为：先将前一步得到的产品重新溶解在乙醇中，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600℃下真空干燥24h，获得CH3NH3I。A-2.钙钛矿晶体CH3NH3PbI3的制备制备钙钛矿晶体CH3NH3PbI3的原料为Pb(CH3COOH)2·3H2O(37.933g，0.1mol)和第一步制备的CH3NH3I(15.9g，0.1mol)，溶剂为水的57wt％的HI(260mL)。首先将0.1mol的Pb(CH3COOH)2·3H2O溶于260mL的HI溶液中，并利用恒温磁力搅拌器不停搅拌(溶液温度为65℃)，形成黄色溶液，再将0.1mol的CH3NH3I加入黄色溶液中，当CH3NH3I晶体充分溶解在溶液后停止搅拌，将溶液温度按一定的速率缓慢的从65℃降到40℃，使溶液饱和，几天后，烧杯底部就会出现黑色且有光泽的CH3NH3PbI3钙钛矿晶体。最后，将得到的钙钛矿晶体先用HI清洗，过滤，然后用丙酮清洗，过滤。B.方法二B-1.CH3NH3I的制备制备CH3NH3I的原料为CH3NH2(40wt％，溶剂为乙醇)和HI(57wt％，溶剂为水)。按摩尔比为CH3NH2∶HI＝1∶1，将两种溶液混合放入到250mL烧杯中，利用恒温磁力搅拌器在0℃不停搅拌1.5～2h。搅拌完毕后，利用旋转蒸发仪在500℃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，具体步骤为：先将前一步得到的产品重新溶解在乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：田汉民，金慧娇，田学民，戎小莹，张天，郭丹，赵昆越，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12