一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太阳能电池领域，具体的说是涉及一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池。
【背景技术】
[0002]自2009年以来开始出现并迅速发展起来的一种采用甲胺碘铅(CH3NH3PbI3,简写为MALI)钙钛矿材料及其衍生物作为光吸收层的全新光伏薄膜技术，它采用低成本镀膜生产工艺，在短短几年的时间内实验室光电转换效率已成功突破20%。而目前市场上以硅和碲化镉为材料的主流太阳能电池，达到现有转化效率历时10多年。且最新研究表明钙钛矿电池转化效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本，鉴于此，光伏行业对钙钛矿普遍看好。
[0003]甲胺碘铅钙钛矿电池基本由基底、透明电极、电子传输层、甲胺碘铅钙钛矿光吸收层、空穴传输层、后电极构成。从结构讲可分为介孔钙钛矿电池和平面钙钛矿电池两种。其中介孔钙钛矿电池需要添加一层多孔疏松的二氧化钛薄膜，来保证甲胺碘铅钙钛矿材料的大面积附着以充分吸收阳光。而平面钙钛矿电池的光吸收材料是一层致密的钙钛矿薄膜，无需多孔疏松的二氧化钛层薄膜来支撑。两种结构的电池都是使用未经参杂的本征钙钛矿半导体材料作为光伏吸收层，而非参杂的P型或N型的钙钛矿半导体材料。此外，甲胺碘铅钙钛矿电池中的有机空穴传输层(HTL)可有效传输空穴，以阻碍电子在到达后电极前与空穴发生重组。但是由于有机空穴传输层纯度要求高、价格昂贵且通常性能不太稳定，同时采用现有通用溶液法制备的空穴传输层含有针孔，容易导致湿气的渗透而降低甲胺碘铅钙钛矿电池性能，这些都造成了甲胺碘铅钙钛矿电池成本的增加和工艺的复杂性。而且对于建立太阳能农场而言，要求电池在高温大风沙的沙漠环境中维持30年以上的寿命，可见现有钙钛矿电池仍存在艰巨的挑战。
[0004]近期报道的一种甲胺碘铅钙钛矿电池可以避免使用昂贵、不稳定且工艺复杂的空穴传输层，其在二氧化钛膜层上加添了一层氧化锆(zirconium oxide)，这层氧化锆可阻碍电子与空穴在到达后电极前的重组，起到同空穴传输层一样的作用。但是这种电池在制备过程中还需添加5-氨基戊酸的阳离子来加固其与疏松二氧化钛膜层的接触，使得电池制备工艺依然复杂。并且采用这种方法制备的钙钛矿电池光电效率仅为11.6%，远低于现有带空穴传输层的甲胺碘铅钙钛矿电池。
[0005]图1为现有技术中的甲胺碘铅钙钛矿电池结构图。该电池的结构从上之下依次是基板层1、镀在基板层I下表面的铟锡氧化物(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)层2、电子传输层3 (如T12),甲胺碘铅钙钛矿吸收层4、空穴传输层5 (如spiro-OMeTAD)、后电极层6 (如金或银)。电池的各膜层厚度分别为:透明电极2约为0.2 μm，电子传输层3在0.5-2.0 μπι之间，甲胺碘铅1丐钛矿吸收层4约为0.3 μm，空穴传输层5约为0.3 μm，后电极6约为0.1 μπι。
[0006]综上所述，现有甲胺碘铅钙钛矿电池的制备几乎离不开使用空穴传输层或添加其它膜层，以阻碍电子与空穴的重组(尽管相比于其它光伏材料，甲胺碘铅钙钛矿的载流子寿命较长，电子和空穴能维持长的分离状态)，这对降低钙钛矿电池制备成本以及提高钙钛矿电池稳定性能都十分不利，亟待寻找新的解决方案。
【实用新型内容】
[0007]针对现有技术中的不足，本实用新型要解决的技术问题在于提供了一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池。
[0008]为解决上述技术问题，本实用新型通过以下方案来实现:一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池，所述电池的结构从上到下依次为基板层、透明电极层、N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层、P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层、后电极层，所述透明电极层是镀在基板层的下表面。
[0009]进一步的，所述透明电极层厚度约为0.2 μπι，N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层的厚度在0.1~1.0 ym之间，P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层的厚度在0.5~200 ym之间，后电极层的厚度约为0.1 μπι。
[0010]进一步的，所述透明电极层为FTO或ΙΤ0，也可以用其它高光透率、高导电率的透明薄膜替代。
[0011 ] 进一步的，所述基板层为玻璃层或柔性聚合物层或金属板层。
[0012]进一步的，所述后电极层可用金电极或银电极替代。
[0013]进一步的，所述后电极层的材料可用任一纳米粒导电材料、碳导电材料、耗微管材料、石墨烯材料替代。
[0014]相对于现有技术，本实用新型的有益效果是:通过制备P-N型甲胺碘铅钙钛矿半导体电池，使得电池结构得到简化，从而简化了电池的制备工艺，降低了电池的制备成本；同时这种简化的甲胺碘铅钙钛矿电池避免了空穴传输层的制备工艺复杂、性能不稳定且价格昂贵等缺点；并且通过甲胺碘铅钙钛矿P-N结的形成和甲胺碘铅钙钛矿半导体自身的长寿命载流子，可实现高的光电转换效率。
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是现有技术中的甲胺碘铅钙钛矿电池结构图。
[0017]图2是本实用新型简化甲胺碘铅钙钛矿电池结构示意图。
[0018]附图中标记:基板层1、透明电极2、电子传输层3、甲胺碘铅钙钛矿吸收层4、空穴传输层5、后电极层6、N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层7、P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层8。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0020]现有甲胺碘铅钙钛矿电池是使用未经参杂的本征钙钛矿半导体材料作为光伏吸收层，需要电子传输层和空穴传输层来进一步阻碍电子-空穴对的重组，以获得更高的光电转换效率。但有研究表明，通过对甲胺碘铅钙钛矿材料进行不同的缺陷设计可得到P型或N型的甲胺碘铅钙钛矿半导体，如通过制造铅空位缺陷可得到P型甲胺碘铅钙钛矿半导体，通过制造甲胺官能团空隙可得到N型甲胺碘铅钙钛矿半导。其中铅空位的能级位于价带上方0.2eV处，空隙甲胺官能团的能级位于导带下方0.05eV处，这些缺陷(铅空位或甲胺官能团空隙)的能级非常靠近导带或价带的边缘，而不是位于带隙深层，所以不会导致电子-空穴对的重组。这为制备不含电子传输层或空穴传输层的P-N型甲胺碘铅钙钛矿电池提供了理论基础。
[0021]由于P型甲胺碘铅钙钛矿半导体需要铅空位，所以可通过减少甲胺碘铅钙钛矿制备溶液中碘化铅的用量来实现。同理，N型甲胺碘铅钙钛矿半导体需要甲胺官能团空隙，可采用大量甲基碘化胺强制性地让甲基胺官能团归位于空隙位置；或使用甲胺气体，同时使用氢气在1.1Pa的大气下来进行配制，强制性地让甲基胺官能团归位于空隙位置。此外，N型参杂还可以通过改变阳离子的原子价来调控，如使用三族金属元素(如铝、镓、铟或硼)来代替铅，这样采用三价金属原子替代二价铅原子，可使原子最外层电子轨道电荷数减少从而实现N型参杂。
[0022]请参照附图2，本实用新型的一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池，所述电池的结构从上到下依次为基板层1、透明电极2、N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层7、P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层8、后电极层6。所述透明电极2是镀在基板层I的下表面。所述透明电极2厚度约为0.2 μπι, N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层7的厚度在0.1-1.0 μm之间，P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层8的厚度在0.5~200 μm之间，后电极层6的厚度约为0.1 μπι。所述透明电极2可以为任意一种高光透率、高导电率的透明薄膜层，所述基板层I为玻璃层或柔性聚合物层或金属板层，所述后电极层6为金电极或银电极，所述后电极6可用任一纳米粒导电材料、碳导电材料、耗微管材料、石墨烯材料替代。
[0023]实施例1:
[0024]本实用新型中P型甲胺碘铅钙钛矿半导体的导带位置与相邻后电极相比，要低0.0-0.3 eV，η型甲胺碘铅钙钛矿半导体的价带位置与邻近透明电极相比，要高0.0~0.2eV，可有效防止电子与空穴的复合。本实用新型的简化甲胺碘铅钙钛矿电池，其甲胺碘铅钙钛矿半导体的禁带宽度为1.52 eV，是一种直接带隙半导体。本实用新型提出的一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池，采用参杂的P型和N型甲胺碘铅钙钛矿半导体材料，形成P-N结的平面甲胺碘铅I丐钛矿电池结构，有利于受光激发产生的电子-空穴对的有效分离和传输，同时依靠甲胺碘铅钙钛矿半导体自身的长寿命载流子可实现高的光电转换效率。并且它不需要电子传输层和空穴传输层，可有效避免空穴传输层的制备工艺复杂、性能不稳定且价格昂贵等缺点。
[0025]实施例2:
[0026]本实用新型提出一种简化的甲胺碘铅钙钛矿电池，同样适用于衍生物钙钛矿电池。包括部分或全部替代甲胺官能团或金属铅或卤素碘的各类衍生物钙钛矿电池，如使用其它有机官能团R.NH3.PbI3SHC(NH2)2 PbI3等替代甲胺官能团，或使用锡或钨全部或部分取代铅，或使用其它的卤素(如氯、溴或氟)全部或部分取代碘。并且上述的所有P-N结甲胺碘铅钙钛矿及其衍生物的太阳电池，不只限于单细胞的太阳电池结构，也可用于大面积独块的批量生产。
[0027]实施例3:
[0028]一种简化甲胺碘铅钙钛矿电池，从上之下依次是玻璃基板层、镀在玻璃基板下表面FT0、N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层、P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层、金电极层。FTO厚度为0.2 μπι, N型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层厚度为0.2 μπι(此厚度对电子传输最有利)，P型甲胺碘铅钙钛矿薄膜层厚度为1.5 μm，金电极层厚度为0.1 μπι。
[0029]金电极层可采用溅射、蒸镀等方法制备，P型和N型甲胺碘铅钙