一种半透明钙钛矿太阳电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳电池制备，尤其涉及一种半透明钙钛矿太阳电池及其制备方法。

背景技术：

1、作为一类新型的太阳电池，半透明钙钛矿太阳电池具有制备工艺多样化、生产成本低、光电转换效率高和器件可柔性化等优点。在半透明钙钛矿太阳电池研发过程中，寻找合适的透明电极材料是最重要的研究工作之一。透明导电金属氧化物薄膜是唯一一种在硅基太阳电池和单结钙钛矿太阳电池广泛应用的透明电极材料，其优异的化学稳定性、良好的电学性能和光学性能已经在长期的研究和应用中得到了证明。因此，透明导电金属氧化物薄膜成为了半透明钙钛矿太阳电池透明电极解决方案的首选材料。

2、在半透明钙钛矿太阳电池研究和生产中，透明电极大多是不同掺杂的氧化铟薄膜，包括锌掺杂的氧化铟、氢掺杂的氧化铟、锆掺杂的氧化铟等材料。这些材料均是无定形透明导电金属氧化物薄膜，无需任何后处理，便可具有高透过率、良好的导电性、合理的载流子密度以及优良的化学稳定性。但铟作为一种稀有元素，不仅价格高昂，还面临着未来供不应求的潜在风险。这为半透明钙钛矿太阳电池的大范围应用埋下了隐患。同时，在动物实验过程中，研究人员也发现铟、及铟化合物会造成严重的肺部及生殖系统伤害，这意味着使用铟作为半透明钙钛矿太阳电池生产原材料之一对环境和人体健康存在安全隐患。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种半透明钙钛矿太阳电池，利用反应等离子沉积技术生长镓掺杂的氧化锌薄膜取代传统半透明钙钛矿太阳电池的氧化铟基透明导电金属氧化物薄膜。本发明还提供一种半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，通过调控镓掺杂的氧化锌薄膜的制备工艺实现低成本制备半透明钙钛矿太阳电池。

2、具体
技术实现要素：
如下：

3、第一方面，本发明提供一种半透明钙钛矿太阳电池，包括层叠设置的透明衬底、第一氧化锌层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层以及第二氧化锌层，所述第二氧化锌层为镓掺杂的氧化锌层。

4、可选地，所述第一氧化锌层上设置有第一栅线层，所述第二氧化锌层上设置有第二栅线层。

5、可选地，所述第一氧化锌层为掺杂有0.1wt％–10wt％al、ga和sn中的一种或多种元素的薄膜，所述第一氧化锌层的厚度为80nm–600nm。

6、可选地，所述第二氧化锌层为掺杂有0.1wt％–10wt％ga元素的薄膜，所述第二氧化锌层的厚度为60nm–500nm。

7、可选地，所述空穴传输层为niox层、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)层、硫氰酸亚铜层和聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]层中的一层或多层的层叠层。

8、可选地，所述钙钛矿吸光层由abx3型钙钛矿材料形成，其中，a-为ch3nh3+、ch3ch2nh3+、hn＝(nh2)+或cs+一价阳离子；b2+为pb2+或sn2+二价阳离子；x-为cl-、br-或i-一价阴离子。

9、可选地，所述电子传输层为sno2层、in2o3层、tio2层、zno2层、pc61bm层和c60层中的一层或多层的层叠层。

10、可选地，所述第一栅线层和所述第二栅线层为导电材料层。

11、第二方面，本发明提供一种半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

12、在透明衬底上沉积第一氧化锌层；

13、在所述的第一氧化锌层上依次形成空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；

14、在所述电子传输层上沉积第二氧化锌层；

15、在所述第一氧化锌层上远离所述空穴传输层的一侧沉积第一栅线层，在所述第二氧化锌层上沉积第二栅线层。

16、可选地，所述第一氧化锌层通过磁控溅射、化学气相沉积或反应等离子体沉积工艺制备。

17、可选地，所述第一氧化锌层和/或所述第二氧化锌层通过反应等离子体沉积工艺进行制备，工艺条件为：

18、沉积气体：ar气体；

19、反应气体：o2气体；

20、调节氧流量为20sccm；

21、沉积气压为：0.386pa；

22、衬底温度：室温；

23、薄膜厚度：60nm-500nm。

24、可选地，所述第二氧化锌层的制备原料为镓掺杂的氧化锌陶瓷靶材。

25、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

26、本发明提供的一种半透明钙钛矿太阳电池，采用氧化锌层作为透明电极的，具体采用镓掺杂的氧化锌层作为透明电极，取代了传统氧化铟基材料的透明电极，避免了铟的使用所带来的环境污染和毒性问题，降低半透明的生产成本，增强了半透明钙钛矿太阳电池的环境友好性。且，作为一种低功函数的n型半导体材料，镓掺杂的氧化锌薄膜可以降低透明电极与电子传输层之间的界面势垒，促进光生载流子的分流与收集，提高半透明钙钛矿太阳电池的光电转换效率。

27、本发明还提供一种半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，该制备方法采用反应等离子体沉积方式进行无铟透明电极的制备，反应等离子体沉积的工作原理决定了镓掺杂的氧化锌层沉积过程中，有效等离子体的能量分布在20-30ev范围内，几乎不产生能量高于40ev的高能等离子体。因此，镓掺杂的氧化锌层沉积过程不会损伤电子传输层，也无需引入额外的缓冲层，有效降低了半透明钙钛矿太阳电池生产工艺的复杂程度。

28、此外，采用反应等离子体沉积方法在室温-200℃的温度范围内制备的镓掺杂的氧化锌膜层具有良好的光学透过率和电导率。因此，无需对制备好的镓掺杂的氧化锌层进行额外的热处理工艺，这有效降低了半透明钙钛矿太阳电池生产的能耗的同时，避免了热处理工艺对半透明钙钛矿太阳电池其他功能层的损伤。

技术特征：

1.一种半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，包括层叠设置的透明衬底、第一氧化锌层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层以及第二氧化锌层，所述第二氧化锌层为镓掺杂的氧化锌层。

2.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述第一氧化锌层上设置有第一栅线层，所述第二氧化锌层上设置有第二栅线层。

3.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述第一氧化锌层为掺杂有0.1wt％–10wt％al、ga和sn中的一种或多种元素的薄膜，所述第一氧化锌层的厚度为80nm–600nm。

4.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述第二氧化锌层为掺杂有0.1wt％–10wt％ga元素的薄膜，所述第二氧化锌层的厚度为60nm–500nm。

5.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层为niox层、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)层、硫氰酸亚铜层和聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]层中的一层或多层的层叠层。

6.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层由abx3型钙钛矿材料形成，其中，a-为ch3nh3+、ch3ch2nh3+、hn＝(nh2)+或cs+一价阳离子；b2+为pb2+或sn2+二价阳离子；x-为cl-、br-或i-一价阴离子。

7.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述电子传输层为sno2层、in2o3层、tio2层、zno2层、pc61bm层和c60层中的一层或多层的层叠层。

8.根据权利要求1所述的半透明钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述第一栅线层和所述第二栅线层为导电材料层。

9.一种半透明钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一氧化锌层通过磁控溅射、化学气相沉积或反应等离子体沉积工艺制备。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述第一氧化锌层和/或所述第二氧化锌层通过反应等离子体沉积工艺进行制备，工艺条件为：

12.根据权利要求9-11任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第二氧化锌层的制备原料为镓掺杂的氧化锌陶瓷靶材。

技术总结
本发明提供的一种半透明钙钛矿太阳电池及其制备方法，采用镓掺杂的氧化锌作为该太阳电池的透明电极。作为一种低功函数的n型半导体材料，镓掺杂的氧化锌层可以降低透明电极与电子传输层之间的界面势垒，促进光生载流子的分流与收集，提高半透明钙钛矿太阳电池的光电转换效率；此外，镓掺杂的氧化锌还具有无毒、价格低廉等特点，采用镓掺杂的氧化锌取代传统氧化铟基材料的透明电极，避免了铟的使用所带来的环境污染和毒性问题，降低半透明的生产成本，增强了半透明钙钛矿太阳电池的环境友好性。

技术研发人员：宋超,崔子浩,石鹏,刘奇浩
受保护的技术使用者：苏州元脑智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1