[發(fā)明專利]基于石墨烯ZnO陰極的平面鈣鈦礦太陽能電池及制備方法

在審

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• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104617220A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設計）人: 張春福;唐詩;張進成;陳大正;郝躍;習鶴;羅莉
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱衛(wèi)星

技術領域

本發(fā)明屬于微電子器件技術領域，特別涉及太陽能電池，具體是一種鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，可用于光電轉換。

背景技術

當今社會，經濟的迅猛發(fā)展帶來了諸如能源危機和全球變暖等嚴峻問題，可再生清潔能源的發(fā)展與利用已經受到全世界的廣泛關注。區(qū)別于煤、石油、天然氣等傳統能源，太陽能是一種綠色、清潔、可再生能源，取之不盡用之不竭，有潛力成為未來能源供給中的重要組成部分。太陽能電池作為一種光電轉換器件，其研究與應用已經受到越來越多的重視。與成本高昂的硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池采用鈣鈦礦半導體材料作為光活性層，具有成本低廉、光吸收系數高、質地輕、柔韌性好、制造工藝簡單等特點。隨著近年來國內外相關研究的不斷深入，特別是采用介孔電池結構和異質結的光活性層結構后，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性不斷提升。鈣鈦礦太陽能電池中常見的介孔結構，通常是在平面結構的基礎上再次旋涂納米顆粒，這一過程不但增加了工藝的復雜度還提高了鈣鈦礦太陽能電池的成本。因而，平面結構的鈣鈦礦太陽能電池越來越受到重視。

為了保證充分的光學吸收，太陽能電池必須采用透明電極，該電極需要兼顧透光性和導電性。目前，氧化銦錫ITO是太陽能電池中應用最廣的透明電極，但氧化銦錫ITO也有自身的問題，如自然界中銦元素的儲量有限，銦元素本身具有毒性，近年來氧化銦錫ITO的價格也穩(wěn)步上升。對低成本的鈣鈦礦太陽能電池而言，為了實現其大規(guī)模商業(yè)化生產，除了提高其能量轉換效率，更低的成本和更好的環(huán)境友好性也是業(yè)界非常重視的。在眾多潛在的氧化銦錫ITO替代品中，石墨烯具有超越氧化銦錫ITO的透光性和導電性，完全滿足透明電極的需求，而且碳元素在自然界含量豐富，無毒性，同時石墨烯也易于大面積成膜。因此石墨烯是很有潛力的氧化銦錫ITO替代電極，可用于制備更低成本和環(huán)境友好的平面結構鈣鈦礦太陽能電池。

為了提高平面結構鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率，在電池結構中通常需要加入電極修飾層以實現界面的能級匹配和高效的電荷載流子傳輸。平面結構鈣鈦礦電池中，太陽光從陰極一側入射進入光活性層，因此陰極修飾層的透光性和導電性對電池性能的影響不容忽視。在鈣鈦礦太陽能電池中，常用的陰極修飾層有ZnO、TiO₂、Cs₂CO₃、Ca等等，由于具有高的電子遷移率和高的可見光區(qū)透射率，ZnO是一種很好的修飾層材料。ZnO薄膜可以用多種方法制備，如射頻磁控濺射、原子層淀積、脈沖激光淀積、化學氣相淀積和溶膠凝膠法等等，但這些工藝大多成本高昂，且需要200℃以上的高溫，因此不適合制備大面積薄膜，且無法兼容柔性襯底。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種基于石墨烯ZnO陰極的平面鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法，以簡化制作工藝，降低成本，實現大面積薄膜制備與柔性襯底的兼容。

為實現上述目的，本發(fā)明的太陽能電池自下而上包括：襯底、陰極、電子傳輸層、光活性層、空穴傳輸層、陽極，其特征在于：

陰極，采用石墨烯，用于收集電子；

電子傳輸層，采用ZnO，用于修飾界面，阻擋空穴，傳輸電子。

為實現上述目的，本發(fā)明制作平面結構鈣鈦礦太陽能電池的方法包括如下步驟：

(1)清洗襯底基片：將石墨烯陰極玻璃基片依次置于去離子水、丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗5-15min，清洗完成后用氮氣槍吹干；

(2)制備ZnO前驅體溶液：

將150mg顆粒尺寸小于5um的ZnO粉末溶于15ml濃度為25％的氨水中，經5min超聲振動后放入溫度為5℃冰箱冷藏24h，得到濃度為0.125M/L的ZnO前驅體溶液；

(3)在帶有石墨烯陰極的玻璃基片上旋涂ZnO前驅體溶液，旋涂轉速為2000-4000r/min，時間為40s，并在溫度為100～200℃的烘箱中退火5-15min，形成ZnO電子傳輸層；

(4)在ZnO電子傳輸層上旋涂PbI₂溶液，并在70℃下退火15min，以蒸發(fā)有機溶劑，旋涂時的轉速為2000-4500r/min，旋涂的時間為30-60s；