一种可工业化制备钙钛矿太阳电池空穴传输层铜氧化物的方法与流程

本发明涉及一种太阳电池，特别涉及一种可工业化制备钙钛矿太阳电池空穴传输层铜氧化物的方法，属于太阳能电池领域。

背景技术：

为了解决大气环境污染的问题，近年来光伏电池组件得到广泛的推广应用。太阳电池主要由晶体硅电池和薄膜太阳能电池两大类组成，其中，在薄膜太阳能电池中，近年来新出现的钙钛矿太阳能小面积电池以其高达22％的初始光电转换效率引起人们的广泛重视。

然而，钙钛矿太阳电池的制备材料成本昂贵，其中最为昂贵的为spiro空穴传输层有机分子材料，其单位价格为黄金价格的3倍以上；并且其实验室制备技术采用的为溶液旋涂技术，该技术并不利于制备大面积均匀的薄膜，从而严重限制了钙钛矿薄膜电池的产业化推广。

综上所述，急需一种可以降低钙钛矿太阳电池的空穴传输层的成本，同时实现大规模产业化适用的空穴传输层制备方法的出现。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供了一种可工业化制备钙钛矿太阳电池空穴传输层铜氧化物的方法，其具有成本低、可工业化生产的优点。

钙钛矿薄膜太阳能电池主要由电子传输层(氧化钛)、空穴传输层(spiro，即2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、钙钛矿有机光电转换层、前后电极和玻璃基底等组成。然而由于其溶液旋涂法制备技术和高昂的材料成本限制了产业化的推广工作，本发明通过下列两种手段来降低空穴传输层材料的成本并开发出可产业化产品：一是利用磁控溅射技术取代溶液旋涂技术，二是利用低成本n2掺杂铜氧化物取代spiro分子作为空穴传输层材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可工业化制备钙钛矿太阳电池空穴传输层铜氧化物的方法，在已完成电子传输层和钙钛矿有机光电转换层的衬底上，采用磁控溅射技术沉积铜氧化物薄膜，所述磁控溅射过程中，通入o2和n2，制备n2掺杂铜氧化物薄膜作为所述空穴传输层。

进一步地，制得的所述钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高达15.7％。

进一步地，所述磁控溅射技术中，溅射功率为15-75w，沉积速率为2.5nm-5nm/min，溅射时工艺真空度为3-10mtorr。

更进一步地，所述溅射功率为20w，沉积速率为3nm/min，溅射工艺真空度为3mtorr。

进一步地，所述o2和n2的流量如下：o2:0.5-2sccm，n2:0-6sccm。

更进一步地，所述o2和n2的气体流量比为0.5:2时，所述n2掺杂铜氧化物薄膜的导电能力最佳。

进一步地，所述n2掺杂铜氧化物薄膜的厚度为50-150nm。

更进一步地，所述n2掺杂铜氧化物薄膜的厚度为75nm

本发明具有的有益效果如下：

(1)首先将磁控溅射技术运用到制备钙钛矿薄膜电池中的空穴传输层中，从而实现制备出大面积、均匀和重复性好的空穴传输层材料。

(2)在磁控溅射过程中，采用n2掺杂技术制备出导电性能比无n2掺杂优良的铜氧化物薄膜材料，从而降低了空穴传输层的方块电阻，提高了空穴的传输效率。

(3)利用n2掺杂铜氧化物薄膜取代spiro分子作为钙钛矿薄膜太阳能电池中的空穴传输层材料，使得电池空穴传输层的成本小于原来的1％，有效降低了电池成本，适于大规模的应用推广。

附图说明

图1为本发明利用磁控溅射技术制备n2掺杂铜氧化物的sem图；

图2为不同氮氧比的铜氧化物导电特性示意图；

图3为使用最佳工艺条件制备的太阳电池i-v曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

制备钙钛矿太阳电池的方法，具体如下：

首先，利用氧化锡透明导电玻璃作为衬底，在衬底上完成氧化钛电子传输层和钙钛矿有机光电转换层的制备；

然后，在已完成氧化钛电子传输层和钙钛矿有机光电转换层的玻璃衬底上，再利用磁控溅射技术沉积50-150nm厚铜氧化物薄膜作为空穴传输层，其中，磁控溅射过程中，除了通入o2和ar气外，还通入n2，制备出n2掺杂铜氧化物，以提高铜氧化物的导电能力。

本实施例中，如图1所示，n2掺杂铜氧化物薄膜的厚度为100nm，薄膜的面积为2.5*2.5cm²，膜厚均匀性±10％。

最后，完成铜氧化物沉积后再利用磁控溅射技术沉积150-300nm的铝膜，从而完成整个钙钛矿太阳能电池的制备。

具体的是，利用磁控溅射技术制备铜氧化物薄膜的工艺参数如下：

1、靶材：直径为60mm，cu靶，纯度为99.999％；

2、溅射功率：15-75w，沉积速率：2.5nm-5nm/min；

3、铜氧化物厚度：50-150nm；

4、溅射电源：直流电源、射频电源；

5、溅射时工艺真空度：3-10mtorr；

6、氧气氮气流量如下，o2:0.5-2sccm，n2:0-6sccm；

如图2所示，为不同氮氧比的铜氧化物薄膜的载流子和迁移率变化规律示意图，当氧气氮气比为0.5:2(气体流量比0.5sccm:2sccm)时，铜氧化物薄膜的导电能力最佳。

实施例1

溅射功率75w，工艺真空度5mtorr，o2：n2＝2:6sccm，铜氧化物厚度50nm，沉积速率5nm/min，太阳电池的光电转化效率为5.6％。

实施例2

溅射功率50w，工艺真空度10mtorr，o2：n2＝1:4sccm，铜氧化物厚度150nm，沉积速率3.5nm/min,太阳电池的光电转换效率10.2％。

实施例3

溅射功率：20w，工艺真空度3mtorr，o2：n2＝0.5：2sccm，铜氧化物层厚度75nm，沉积速率3nm/min，太阳电池的光电转化效率为15.7％，主要的电池参数为开路电压voc为1.04v，短路电流密度jsc为19.84ma/cm²，填充因子ff为75.87％(如图3所示，其为使用最佳工艺条件制备的太阳电池i-v曲线)。

通过上述参数控制制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高达15.7％，光电转化效率虽然比现有钙钛矿太阳能小面积电池略低，但是其成本却大大降低，可实现工业化推广。

以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种可工业化制备钙钛矿太阳电池空穴传输层铜氧化物的方法，在已完成电子传输层和钙钛矿有机光电转换层的衬底上，采用磁控溅射技术沉积铜氧化物薄膜，所述磁控溅射过程中，通入O2和N2，制备N2掺杂铜氧化物薄膜作为所述空穴传输层，N2掺杂铜氧化物薄膜的厚度为50‑150nm；制得的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高达15.7％。本发明可以降低钙钛矿太阳电池的空穴传输层的成本，同时实现大规模产业化适用。

技术研发人员：杜文汉;杨景景;姚茵;白建会;赵宇;肖进;熊超;朱晨曦
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：2018.07.30
技术公布日：2018.12.14