[實用新型]鈣鈦礦基薄膜太陽電池

有效

• 申請號: 201420649588.9
• 申請日: 2014-11-03
• 公開（公告）號: CN204243085U
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 孟慶波;李冬梅;肖俊彥;羅艷紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 范曉斌;郭海彬

技術領域

本實用新型涉及鈣鈦礦基太陽電池技術領域，尤其是涉及一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池。

背景技術

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，又稱為光伏電池。其發電利用了特定半導體材料的光伏效應，具體而言，光與半導體的相互作用產生光生載流子，光生電子-空穴對再通過半導體內部形成的內建電場分別到達兩極，產生電勢。當與外電路相連時，就能源源不斷地產生電流。這種半導體光電器件應該滿足以下兩個條件：1)入射光的能量應大于半導體禁帶寬度，并且半導體材料對入射光有足夠大的吸收系數；2)半導體有光伏結構，必須能形成內建電場。

太陽能電池轉換效率是太陽能電池最關鍵的技術指標，而電池效率的高低取決于電池材料的特性和整個系統的構架。目前硅基太陽電池技術是最為成熟、應用最廣的光伏技術。但是，隨著硅基太陽電池技術的日漸成熟，其缺陷也日益明顯，一是轉化率受限制，二是制作成本高。因此，人們開始把目光轉向低成本的太陽電池材料與技術。新型薄膜太陽電池由于其低廉的成本和簡單的制備工藝越來越受到人們的重視。提高薄膜太陽電池效率的關鍵之一在于尋求低成本、吸光范圍寬、高吸收系數的吸光材料。具有鈣鈦礦型層狀結構的有機-無機鉛半導體材料作為一種廉價、高吸收系數的吸光材料，受到關注。

近兩年來基于鈣鈦礦薄膜太陽能電池的發展非常迅速。鈣鈦礦太陽能電池是目前較為新穎的一類太陽能電池，主要是利用類似ABX₃(A＝CH₃NH₃⁺等；B＝Pb²⁺，Sn²⁺等；X＝Cl^-，I^-等)具有鈣鈦礦結構的光伏材料來實現光電轉換，該類電池制作工藝簡單、原材料來源廣泛、造價低廉。

鈣鈦礦基薄膜太陽電池的一般結構為：致密層、支架層、吸光層、空穴傳輸層和對電極。其中，吸光層由具有鈣鈦礦結構的材料形成。鈣鈦礦太陽能電池將光能轉換成電能可以分為三個主要過程：1)吸光層吸收一定能量的光子并產生電子空穴對(激子)；2)激子擴散至材料界面處時發生電荷分離；3)電子沿電子傳輸材料經電極進入外電路，空穴沿空穴傳輸材料經電極進入外電路，通過負載完成光能向電能的轉換。

基于不同種類的支架層，此類電池又分為兩種：一種是基于鈣鈦礦對納晶多孔寬禁帶半導體薄膜(如TiO₂，ZnO，SnO₂)敏化的薄膜電池，另一種是以多孔絕緣材料薄膜(如Al₂O₃，ZrO₂，SiO₂等)為支架層的本體異質結薄膜電池。這兩種結構的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率均已超過15％。目前，無論哪一種結構，空穴傳輸層對于獲得高效率都是非常必要的。一般用于空穴傳輸材料包括小分子空穴傳輸材料(如spiro-OMeTAD)，聚合物空穴傳輸材料(P3HT)和無機空穴傳輸材料(如CuI、CuSCN)。其中，聚合物空穴傳輸材料穩定性好，但是空穴遷移率偏低，如果能夠對其改性提高空穴傳輸性能，對于提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性非常重要。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池，采用分散有石墨炔的聚合物制作空穴傳輸層，提高了用于空穴傳輸的聚合物的空穴遷移能力，提升了電池的性能。

為了實現上述目的，本實用新型提供了一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池，包括：透明襯底；在透明襯底上形成的導電層；在導電層上形成的半導體材料的致密層；在致密層上形成的多孔支架層；在多孔支架層的內部空隙中填充的具有鈣鈦礦結構的半導體吸光層；在多孔支架層上形成的空穴傳輸層；以及在空穴傳輸層上形成的對電極；空穴傳輸層為能夠進行空穴傳輸的石墨炔-聚合物復合材料。

進一步地，鈣鈦礦基薄膜太陽電池還包括形成在多孔支架層和空穴傳輸層之間的加蓋層。

進一步地，石墨炔具有大π共軛結構。

進一步地，石墨炔為1,3-二炔鍵將苯環連接在一起組成的結構。

進一步地，石墨炔為納米片狀、納米帶狀、納米顆粒狀、納米線狀或納米管狀結構。

進一步地，當石墨炔為納米顆粒狀時，納米顆粒狀的石墨炔的粒徑為30～300nm。

進一步地，納米顆粒狀的石墨炔的粒徑為30～100nm。

進一步地，空穴傳輸層的厚度為10～500nm。

進一步地，空穴傳輸層的厚度為50～300nm。