一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法技术

本发明专利技术公开了一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法，该方法针对真空辅助两步法进行两次退火，将其中第一步真空物理沉积的无机化合物薄膜，通过良溶剂/不良溶剂组成的混合溶剂蒸汽退火处理。由于良溶剂可与无机化合物薄膜中铅离子作用形成中间配合物，有利于延缓第二次热退火时钙钛矿多晶薄膜的结晶，从而改善钙钛矿多晶薄膜的结晶质量，同时混合溶剂蒸汽退火中不良溶剂的存在，也保证了第一步无机化合物层包覆整个晶硅底电池的绒面，从而确保了最终全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的优异性能，该改性方法有望推动全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化进程。矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化进程。矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化进程。

【技术实现步骤摘要】
一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法


[0001]本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法，可大幅改善钙钛矿顶电池制备工艺的可重复性。

技术介绍

[0002]有机
‑
无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)在过去十年中引起了人们的浓厚兴趣，单结钙钛矿太阳能电池光电转换效率(PCE)现在已超过25％。其可调的带隙和制备成本低的特点让其非常适合与晶硅电池搭配，制备高效钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。在钙钛矿/晶硅叠层结构中，高能量光子在钙钛矿顶电池中被吸收，低能量光子在晶硅底电池中被吸收，两种材料合理搭配使用可减少热损失，理论上可获得超过33％的光电转换效率。
[0003]近年来，钙钛矿多晶薄膜通常由液相法制备获得，主要包括在基底上涂布前驱体溶液(如旋涂，刮涂等方法)和湿膜的退火。调控钙钛矿前驱体溶液的化学状态以及涂布工艺，可以控制晶体的成核生长动力学行为，进而大幅度提升薄膜的结晶质量。在所有调控方案中，前驱体的溶剂工程是最常用且最有效的手段，强极性(良)溶剂可以和Pb
2+
进行配位，进而影响结晶速率，而弱极性(不良)溶剂的使用可以减少强溶剂的残留，即减少配位作用的强度。然而目前商用化的晶硅电池的正反两面均为商业化微米级的大绒面形貌，传统的液相法无法在大绒面衬底上制备高质量的钙钛矿多晶薄膜，这极大的限制了钙钛矿/晶硅叠层电池领域的发展。
[0004]针对双面绒面的晶硅底电池，钙钛矿顶电池中钙钛矿多晶薄膜光吸收层的制备可采用真空辅助两步法，制备方法简单，并且无视基底是抛光面还是绒面，可以完全配合已产业化的晶硅底电池生产工艺。但采用真空辅助两步法制备的全绒面的高效钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中，还存在一些重要的挑战。主要归因于第一步真空物理气相沉积无机化合物薄膜，其无法形成液相法中的中间配合物，导致顶电池钙钛矿多晶薄膜的结晶过程不可控。因此，真空辅助两步法制备的钙钛矿多晶薄膜工艺可重复性差，导致全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池最终的性能远远低于理论值，还存在很大的提升空间。如何优化真空辅助两步法中第一步无机化合物薄膜的质量，使其接近于液相法的制备效果，是整个制备过程优化的关键。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法。
[0006]本专利技术所述的全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池由双面绒面异质结晶硅底电池、纳米晶硅隧穿复合层和钙钛矿顶电池三部分组成，纳米晶硅隧穿复合层选用p型纳米晶硅，通过等离子体增强化学气相沉积制备在晶硅底电池上。
[0007]本专利技术所述全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池，从制备顺序看分别为：背面银电极、背面氧化铟锡透明电极、p型非晶硅、本征非晶硅、微米级绒面的本征单晶硅片、本征非
晶硅、n型非晶硅、p型纳米晶硅隧穿复合层、空穴传输层2,2,7,7
‑
四(N,N
‑
二对甲苯基)氨基
‑
9,9
‑
螺二芴(spiro
‑
TTB)、钙钛矿多晶薄膜、钝化层LiF、电子传输层C
60
、保护层SnO2、正面氧化铟锡透明电极、减反层MgF2和正面银栅线电极。其中，选用n型非晶硅面未沉积氧化铟锡透明电极的商业化双面绒面异质结晶硅电池片，已包含背面银电极、背面氧化铟锡透明电极、背面p型非晶硅、背面本征非晶硅、微米级绒面的本征单晶硅片、正面本征非晶硅、正面n型非晶硅，将其作为晶硅底电池；空穴传输层spiro
‑
TTB、钙钛矿多晶薄膜、钝化层LiF、电子传输层C
60
、保护层SnO2、正面氧化铟锡透明电极、正面银栅线电极和减反层MgF2构成钙钛矿顶电池。
[0008]晶硅底电池的上下表面均为商业化微米级的大绒面形貌，器件每层制备的薄膜均需保持该绒面形貌，以实现最佳的光学调控。钙钛矿顶电池中钙钛矿多晶薄膜是基于真空辅助两步法制备，第一步通过热蒸发真空沉积设备气相共沉积碘化铅和溴化铯，形成一层碘化铅和溴化铯混合的无机化合物薄膜，为形成与液相法类似的蒸汽配合物，将沉积了无机化合物薄膜的样品置于密闭容器中，通入一定流量的良溶剂/不良溶剂混合蒸汽，优选良溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)或者甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种，不良溶剂为氯苯。两者溶剂蒸气的混合(体积)比例、流量和通入蒸气时间可调节第一层无机化合物薄膜中Pb
2+
离子与良溶剂的相互作用强弱。一般可从该层无机化合物薄膜颜色观察得到，当薄膜颜色突然变淡时，表明足量良溶剂已和Pb
2+
离子发生作用形成蒸汽配合物，应立即停止溶剂蒸气退火，并迅速将样品从密闭容器中取出。第二步采用甲脒氢碘酸盐和甲脒氢溴酸盐的二元混合有机铵盐乙醇溶液液相涂敷在该无机化合物薄膜上。在潮湿的空气中进行热退火处理，第二次退火完成后即可获得最终的钙钛矿多晶薄膜。
[0009]所述全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中钙钛矿多晶薄膜制备过程中，第一步无机化合物采用真空热蒸发设备进行物理气相沉积，替代了传统液相法。通过额外增加的溶剂蒸汽退火，对物理沉积获得的无机化合物薄膜退火处理，良溶剂分子成功的引入，使其获得接近与液相法的效果。然后，将按一定比例混合的甲脒类有机铵盐溶液，通过液相涂敷在无机化合物薄膜上，在50％左右的相对湿度环境中、150℃热台上热退火20～40分钟后完成钙钛矿多晶薄膜的制备。我们可通过第一步的溶剂退火改善其结晶性，包括晶粒尺寸和结晶取向等特性，并抑制钙钛矿多晶薄膜中孔洞的形成，大幅提升绒面晶硅底电池上生长的钙钛矿多晶薄膜的结晶质量。
[0010]进一步地，所述空穴传输层spiro
‑
TTB、钝化层LiF、电子传输层C
60
、减反层MgF2、正面银栅线电极和背面银电极通过热蒸发真空沉积设备沉积制得，保护层SnO2通过原子层沉积设备沉积制得，纳米晶硅隧穿复合层通过等离子体增强化学气相沉积制得。
[0011]本专利技术的机理：
[0012]在全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中采用真空辅助两步法生长钙钛矿多晶薄膜中，我们知道物理沉积第一步无机化合物虽然解决了绒面硅片上保形性的问题，但物理沉积工艺无法对钙钛矿薄膜的结晶性进行有效调控，因而真空法制备的钙钛矿太阳能电池性能较差。而液相两步法中普遍采用良溶剂溶解碘化铅等无机材料，将其液相涂敷后获得第一层无机化合物薄膜，该薄膜中残留大量的良溶剂分子可与无机化合物中的铅卤化物形成蒸汽配合物，从而延缓钙钛矿多晶薄膜的结晶速率，促进钙钛矿薄膜的均匀结晶，最终能获得高效的钙钛矿电池。为了获得与液相法所制备的相似钙钛矿薄膜，采用溶剂蒸汽对第
一层无机化合物薄膜进行退火，成为了一种有效策略。而良溶剂和不良溶剂的搭配使用可以降低良溶剂分子的蒸汽浓度，进而减少对第一层无机化合物薄膜形状的破坏，使得获得钙钛矿多晶薄膜仍本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法，其特征在于：所述全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池由双面绒面异质结晶硅底电池、纳米晶硅隧穿复合层和钙钛矿顶电池三部分组成，所述钙钛矿顶电池中钙钛矿多晶薄膜是通过两次退火的两步法制备，第一步采用热蒸发设备在隧穿复合层上物理沉积无机化合物薄膜，并通过混合溶剂蒸汽退火处理；第二步采用液相法将有机铵盐涂敷在处理后的无机化合物薄膜上，并通过热退火处理完成钙钛矿多晶薄膜的制备。2.根据权利要求1所述的一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法，其特征在于：所述钙钛矿顶电池中钙钛矿多晶薄膜中第一步沉积无机化合物薄膜，采用热蒸发真空沉积设备共蒸发碘化铅和溴化铯，将碘化铅和溴化铯的沉积速率比调整为1:0.04至1:0.08之间，得到总厚度为300
‑
800nm的无机化合物薄膜。3.根据权利要求1所述的一种全绒面钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的改性方法，其特征在于：所述钙钛矿顶电池中钙钛矿多晶薄膜中第一次退火处理是通过混合溶剂蒸汽进行处理，将沉积了无机化合物薄膜的样品置于密闭容器中，通入流量为10
‑4‑
10
‑2m3/h的良溶剂/不良溶剂混...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚凯，张芙，熊志俊，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：