适于生产的低成本太阳能电池结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，特别是一种适于生产的低成本太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，由于在商用太阳能电池市场上占主导地位的硅太阳能电池仍不能满足低成本的要求，人们一直在探索满足高效率和低成本要求的新型太阳能电池。自2009年以来，具有钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物为吸光层的太阳能电池(钙钛矿太阳能电池)近年来获得了较快的发展，有希望成为具有市场潜力的高效率、低成本太阳能电池。
近期，钙钛矿太阳能电池成为研究热点。中国发明专利CN 103915567 A公开了一种以无机化合物为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。其特点是它包括透明导电衬底和依次层叠于该衬底上的电子传输层、具有钙钛矿晶体结构的吸光层、无机化合物空穴传输层和正电极。该发明采用无机化合物作为空穴传输层优点是可提高钙钛矿太阳能电池性能的稳定性，延长太阳能电池的使用寿命。
[0003]中国发明专利CN 103746078 A公开了一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。该钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的衬底、透明电极、电子传输层、电子传输-吸光层、吸光层、空穴传输-吸光层、空穴传输层和顶电极，其中:所述吸光层为具有钙钛矿结构的光伏材料吸光层；所述电子传输-吸光层是电子传输材料和1丐钛矿结构光伏材料嵌合形成的复合功能层；所述空穴传输-吸光层是空穴传输材料和钙钛矿结构光伏材料嵌合形成的复合功能层。该钙钛矿太阳能电池吸光层的两侧都具有一定的微纳结构，从而与其外侧的传输层之间能够形成材料相互嵌合的复合功能层，大幅提高吸光层与传输层的接触面积，有利于提高激子分离及电荷传输效率，从而抑制光生电子与空穴的复合，改善器件性能。该电池的转化率在9%以下。
[0004]中国发明专利CN 104465994 A公开了一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法，涉及太阳能电池。提供可实现低成本、高效率、产业化的一种基于全涂布工艺的钙钛矿太阳能电池的制备方法。1)在透明导电基底上采用涂布工艺依次制备电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层；所述涂布工艺采用slot-die涂布或喷雾式涂布；2)在空穴传输层上涂布顶电极，所述涂布采用丝网印刷和刮刀涂布。解决了蒸镀以及印刷贵重金属电极的工艺及成本问题，还解决了涂布高温碳浆可能导致的对钙钛矿层的破坏。采用一步退火的方法，即涂布完所有的功能层后在70 ~ 150° C下进行退火。该发明简化了制作工艺，不过并没有提及光电转化率。
[0005]上述发明逐步将钙钛矿太阳能电池向产业化不断推进，不过，目前还不能大规模生产。作为一种可以量产的太阳能电池片，不仅要求制备简单、成本低，更重要的是其产出一也就是光电转化效率要高。目前还没有报道能够批量生产的转化率在15%以上的钙钛矿太阳呢电池，寻找更高效率的太阳能电池结构是人们一致努力的目标。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了充分利用钙钛矿材料的性质，本发明提供了一种适于生产的低成本太阳能电池及其制备方法。采用本发明的电池材料及其结构，能够大幅提高太阳能电池对光子的吸收及其转化效率，从而提高太阳能电池的光电转化效率，改善器件性能。
[0007]
本发明的技术方案如下:
1)采用导电玻璃作为透光/透明电极层；
2)制备得到电子传输层:接着旋涂已酸丙酮镍、醋酸锂、乙酸镁四水合物的混合物，烘干(300°C — 400°C)，制备得到电子传输层，厚度控制在10-100nm之间；
3)制备吸光层:
a.配制PbI2溶液，PbI2的浓度为0.5-3.0Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:浓度5-lOmg/mL，溶剂为异丙醇；
采用溶液法原位合成钙钛矿材料:先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层。通过控制PbI2与CH3NH3I反应溶液的浓度，控制钙钛矿的形貌与厚度，厚度控制在50-500nm之间；
4)制备电子吸收层:
采用富勒烯衍生物的氯苯溶液旋涂于吸光层，烘干，得到电子吸收层，控制溶液的浓度与涂布厚度，使电子吸收层的厚度在30-150nm之间；
5)制备空穴传输层:
将异丙氧基钛(或双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液)与乙醇铌的混合，搅拌均匀，旋涂于电子吸收层上；
6)顶电极的制备:
采用真空热蒸镀、喷涂、沉积等方法，在器件上表面蒸镀50-300nm的导电金属层或碳层。
[0008]本发明的钙钛矿太阳能电池透光/透明电极层的材料为透明且能导电的材料组成，包括但不限于铟锡氧化物(ΙΤ0，Indium Tin Oxides)、氟锡氧化物(FT0，fluorinedoped tin oxide)、招锌氧化物(ΑΖ0，aluminium-doped zinc oxide)等常用的透明电极材料。电子传输层为四元氧化物，由N1、Mg、L1、0四种元素构成，且Li / Mg的摩尔比介于1:10与1:3之间。吸光层为具有钙钛矿结构的材料，所采用的钙钛矿结构光伏材料为ABX3型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿。其中，B为铅、锡、锑，X为卤素元素。电子吸收层为富勒烯的衍生物，包含但不限于PCBM、PC71BM。空穴传输层由三元氧化物构成，包含T1、Nb、0三种元素，且Nb / Ti的摩尔比介于1:30与1:10之间。顶电极为金属电极或导电碳材料电极，如银、金、铜、石墨、石墨稀等等。
[0009]有益的效果:采用本发明的材料与结构，能够充分利用钙钛矿材料的性能，并挖掘其潜能，形成P — I 一 N异质结，充分吸收太阳光能并提高其转化率，其转化效率可达16%以上。本发明采用了纳米级独特的电子传输层一吸光层一电子吸收层，能够提升P — 1- N异质结捕获一吸收光子的能力。本发明主要采用工业上成熟的涂布法，适合产业化生产大尺寸、低成本、高效率的太阳能电池的生产。然而，现有的钙钛矿太阳能电池尚未得到大面积可用于生产的样品，本发明解决了这一问题，所发明的技术适合于制备大面积、高效率的太阳能电池，其成本只有传统硅太阳能电池的三分之一。
[0010]
【具体实施方式】
下面通过结合附图1与实施例详细描述本发明的器件及其制备方法，但不构成对本发明的限制。
【附图说明】:
附图1为本发明的结构示意图。图中1为透光/透明电极层、2为电子传输层、3为吸光层、4为电子吸收层、5为空穴传输层和6为顶电极。
[0011]实施例1
1)采用氟锡氧化物(FTO，fluorinedoped tin oxide)导电玻璃作为透光/透明电极层；
2)按照摩尔比1:1:10的比例配置已酸丙酮镍、醋酸锂、乙酸镁四水合物的混合溶液，旋涂于透光/透明电极层上，于350°C烘干，制备得到电子传输层；厚度99nm ;
3)制备吸光层:
a.配制PbI2溶液，浓度为3.0Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:浓度5mg/mL，溶剂为异丙醇；
采用溶液法原位合成钙钛矿材料:先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层；厚度53nm ;
4)制备电子吸收层
采用PCBM的氯苯溶液旋涂于吸光层之上，烘干，得到厚度145nm的电子吸收层；
5)制备空穴传输层:
将双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯前驱体溶液与乙醇铌的混合按10:1的比例的混合，搅拌均匀，旋涂于电子吸收层上，得到空穴传输层；
6)顶电极的制备:
采用真空热蒸镀的方法在空穴传输层上蒸镀276nm的银层。
[0012]进行电池性能测试，实验过程中采用在100mW/cm2太阳能模拟器(Newport)AM1。5G光照下进行，测得光电转化率卫17%。
[0013]实施例2
1)采用铝锌氧化物ΑΖ0导电玻璃作为透光/透明电极层；
2)按照摩尔比2:1:3的比例配置已酸丙酮镍、醋酸锂、乙酸镁四水合物的混合溶液，旋涂于透光/透明电极层上，于360°C烘干，制备得到电子传输层；厚度85nm ;
3)制备吸光层:
a.配制PbI2溶液，浓度为0.5Mol/L，溶剂为二甲基甲酰胺；
b.配制CH3NH3I溶液:浓度10mg/mL，溶剂为异丙醇；
采用溶液法原位合成钙钛矿材料:先在电子传输层上旋涂PbI2溶液，烘干后放入CH3NH3I溶液中浸泡生长出钙钛矿材料，得到钙钛矿吸光层；厚度490nm ;
4)制备电子吸收层