[發明專利]一種柔性疊層太陽電池及制備方法

有效

• 申請號: 201511014726.1
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN105470338B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 姚聰;喬在祥;趙彥民;趙岳;申緒男
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十八研究所
• 主分類號: H01L31/0687
• 分類號: H01L31/0687;H01L31/0216;H01L31/032;H01L31/18
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司12101
• 代理人: 李鳳

1.一種柔性疊層太陽電池，其特征在于：至少包括：

透明襯底層(1)，所述透明襯底層(1)為帶有納鈣玻璃或者柔性襯底的聚酰亞胺膜；其中聚酰亞胺膜的厚度范圍是25μm～100μm；

在所述透明襯底層(1)上表面為背電極層(2)，所述背電極層(2)的厚度范圍是100nm～1000nm；

在所述背電極層(2)的上表面為銅銦鎵硒活性層(3)，所述銅銦鎵硒活性層(3)的厚度范圍是1μm～3μm；

在所述銅銦鎵硒活性層(3)的上表面為CdS緩沖層(4)，所述CdS緩沖層(4)的厚度范圍是30nm～100nm；

在所述CdS緩沖層(4)的上表面為窗口層(5)，所述窗口層(5)的厚度范圍是100nm～500nm；

在所述窗口層(5)的上表面為中間層(6)，當所述中間層(6)為n型LiF，CsCO₃，C₆H₅COOLi，ZnO中的一種時，中間層(6)的厚度范圍為10nm～120nm；當所述中間層(6)為p型氧化鉬、MEH-PPV、PEDOT中的一種時，中間層(6)的厚度范圍為30nm～150nm；

在所述中間層(6)的上表面為電子傳輸層(7)，所述電子傳輸層(7)為TiO2，ZnO，Al₂O₃、SiO₂中的一種，所述電子傳輸層(7)的厚度范圍為50nm～300nm；

在所述電子傳輸層(7)的上表面為鈣鈦礦吸收層(8)，所述鈣鈦礦吸收層(8)的厚度范圍為100nm～1000nm；

在所述鈣鈦礦吸收層(8)的上表面為空穴傳輸層(9)，所述空穴傳輸層(9)的厚度范圍為100nm～1000nm；

在所述空穴傳輸層(9)的上表面為電極(10)。

2.根據權利要求1所述柔性疊層太陽電池，其特征在于：所述背電極層(2)的材料為鉬、鎳、鋁、金、銀、銅、鈦中的一種。

3.根據權利要求2所述柔性疊層太陽電池，其特征在于：所述窗口層(5)的材料為i-ZnO、ZnO-Al、ITO中的一種。

4.一種如權利要求3所述柔性疊層太陽電池的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟101、清潔聚酰亞胺膜表面：

使用等離子體反濺刻蝕機，工作壓強為0.3Pa，濺射功率為0.2kw，通過Ar對聚酰亞胺膜進行刻蝕清潔；清潔完成后剪裁至3cm*3cm的正方形；

步驟102、濺背電極層(2)：

選擇鉬、鎳、鋁、金、銀、銅、鈦中的一種，使用直流濺射，靶材純度為99.99％，功率為0.6kw，工作壓強為1.0Pa；濺射兩層，其中第一層厚度為100nm，第二層厚度為400nm；

步驟103、蒸鍍銅銦鎵硒活性層(3)：

使用三步法制備銅銦鎵硒薄膜，具體為在真空腔室中通過300℃-1200℃高溫蒸發，使銅銦鎵硒成分在襯底上發生化學反應，生成銅銦鎵硒化合物；首先，真空腔室真空5×10^-4Pa，真空蒸鍍銦鎵硒薄膜預制層，溫度分別為銦900℃、鎵1000℃、硒300℃；厚度范圍為300-800nm；然后再蒸鍍銅銦鎵硒材料，溫度分別為銅1200℃、銦900℃、鎵1000℃、硒300℃；厚度約為2μm；襯底都保持在450℃下；

步驟104、使用化學鍍膜方式鍍膜CdS緩沖層(4)：

醋酸氨、氨水、硫脲體積比例為2:3:1配置成500ml溶液，水浴溫度70℃，將聚酰亞胺膜浸泡在溶液中反應30min；制得CdS薄膜厚度約為50nm；

步驟105、濺射窗口層窗口層(5)

使用射頻磁控濺射方法濺射i-ZnO厚度為50nm，工作壓強0.6Pa，功率0.8kw；使用直流磁控濺射方法濺射ZnO:Al，工作壓強0.8Pa，功率1.0kw，ZnO:Al厚度約為350nm；

步驟106、使用蒸鍍和旋涂的方式制備中間層(6)；

將厚度為1.0nm的P型LiF沉積在窗口層上(5)；具體制備環境為：本地真空度為5×10^-4Pa，使用膜厚監測儀觀察到1.0nm時停止，蒸發時間為30min；

LiF制備完成后使用旋涂法制備PEDOT；旋涂轉速4000r/min，工作時間15s，得到的LiF厚度約為100nm；

步驟107、利用磁控濺射的方法制造電子傳輸層(7)；

利用磁控濺射的方式制備TiO2薄膜；具體為使用純度為99.99％的TiO₂靶材，工作環境的真空為5×10^-4Pa，工作壓強0.5Pa，濺射功率0.5kw，濺射時間2h，所得TiO₂薄膜厚度為100nm；

步驟108、一步法制備鈣鈦礦吸收層(8)；具體過程為：

CH₃NH₃I的制備：分別取30mL質量百分數為57％的HI溶液和30mL質量百分數為40％的甲胺溶液，于三口圓底燒瓶中混合并在冰水浴中攪拌反應；5h后將反應所得產物置于100mL單口燒瓶中，通過旋轉蒸發儀在50℃條件下旋蒸，所得產物通過乙醚清洗三次；隨后用甲醇和乙醚的混合溶劑使產物重結晶，生成一種白色晶體，最后在真空干燥箱中干燥；

分別取等質量的PbI₂與CH₃NH₃I溶于一定量的DMF溶劑制備出1.5mM/mL的前驅體溶液；取200μL的前驅體溶液，設置勻膠機的旋涂轉速為5000r/15s旋涂成膜，最后在120℃下退火90min處理得到鈣鈦礦吸收層(8)；

步驟109、旋涂法制備空穴傳輸層(9)；

將200μLSpiro-OMETAD溶液滴在鈣鈦礦吸收層薄膜上，設置旋涂轉速4000r/min，時間30s，150退火處理1h；所得Spiro-OMETAD薄膜厚度為100nm；

步驟110、利用條形掩膜板，真空蒸鍍100nm純度99.999％的Au做電極，從而制成光伏電池器件。

5.一種如權利要求3所述柔性疊層太陽電池的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟201、使用納鈣玻璃作為襯底：

將3cm*3cm的納鈣玻璃在清潔劑中反復清洗后，再分別經異丙醇、丙酮和氯仿溶液浸泡并超聲清洗，最后在紅外烘箱中干燥待用；

步驟202、濺背電極層(2)：

選擇鉬、鎳、鋁、金、銀、銅、鈦中的一種，使用直流濺射，靶材純度為99.99％，功率為0.6kw，工作壓強為1.0Pa；濺射兩層，其中第一層厚度為100nm，第二層厚度為400nm；

步驟203、蒸鍍銅銦鎵硒活性層(3)：

使用三步法制備銅銦鎵硒薄膜，具體為在真空腔室中通過300℃-1200℃高溫蒸發，使銅銦鎵硒成分在襯底上發生化學反應，生成銅銦鎵硒化合物；首先，真空腔室真空5×10^-4Pa，真空蒸鍍銦鎵硒薄膜預制層，溫度分別為銦900℃、鎵1000℃、硒300℃；厚度范圍為300-800nm；然后再蒸鍍銅銦鎵硒材料，溫度分別為銅1200℃、銦900℃、鎵1000℃、硒300℃；厚度約為2μm；襯底都保持在450℃下；

步驟204、使用化學鍍膜方式鍍膜CdS緩沖層(4)：

醋酸氨、氨水、硫脲體積比例為2:3:1配置成500ml溶液，水浴溫度70℃，將聚酰亞胺膜浸泡在溶液中反應30min；制得CdS薄膜厚度約為50nm；

步驟205、濺射窗口層窗口層(5)

使用射頻磁控濺射方法濺射i-ZnO厚度為50nm，工作壓強0.6Pa，功率0.8kw；使用直流磁控濺射方法濺射ZnO:Al，工作壓強0.8Pa，功率1.0kw，ZnO:Al厚度約為350nm；

步驟206、使用蒸鍍和旋涂的方式制備中間層(6)；

將厚度為1.0nm的P型LiF沉積在窗口層上(5)；具體制備環境為：本地真空度為5×10^-4Pa，使用膜厚監測儀觀察到1.0nm時停止，蒸發時間為30min；

LiF制備完成后使用旋涂法制備PEDOT；旋涂轉速4000r/min，工作時間15s，得到的LiF厚度約為100nm；

步驟207、利用磁控濺射的方法制造電子傳輸層(7)；

利用磁控濺射的方式制備TiO2薄膜；具體為使用純度為99.99％的TiO₂靶材，工作環境的真空為5×10^-4Pa，工作壓強0.5Pa，濺射功率0.5kw，濺射時間2h，所得TiO₂薄膜厚度為100nm；

步驟208、一步法制備鈣鈦礦吸收層(8)；具體過程為：

CH₃NH₃I的制備：分別取30mL質量百分數為57％的HI溶液和30mL質量百分數為40％的甲胺溶液，于三口圓底燒瓶中混合并在冰水浴中攪拌反應；5h后將反應所得產物置于100mL單口燒瓶中，通過旋轉蒸發儀在50℃條件下旋蒸，所得產物通過乙醚清洗三次；隨后用甲醇和乙醚的混合溶劑使產物重結晶，生成一種白色晶體，最后在真空干燥箱中干燥；

分別取等質量的PbI₂與CH₃NH₃I溶于一定量的DMF溶劑制備出1.5mM/mL的前驅體溶液；取200μL的前驅體溶液，設置勻膠機的旋涂轉速為5000r/15s旋涂成膜，最后在120℃下退火90min處理得到鈣鈦礦吸收層(8)；

步驟209、旋涂法制備空穴傳輸層(9)；

將200μLSpiro-OMETAD溶液滴在鈣鈦礦吸收層薄膜上，設置旋涂轉速4000r/min，時間30s，150退火處理1h；所得Spiro-OMETAD薄膜厚度為100nm；

步驟210、利用條形掩膜板，真空蒸鍍100nm純度99.999％的Au做電極，從而制成光伏電池器件。