[發(fā)明專利]一種鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610589388.2
• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN106972100A
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田漢民;金慧嬌;田學民;戎小瑩;張?zhí)?/a>;郭丹;趙昆越
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的技術(shù)方案涉及專門適用于將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，具體地說是鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池及其制備方法及其制備方法。

背景技術(shù)

太陽能的利用是人類社會進步的一大突破，在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽能作為可再生能源，主要的利用手段是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，進而應(yīng)用與人類生活的方方面面。低價高效并長期穩(wěn)定的太陽電池是利用太陽能實現(xiàn)大規(guī)模光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。

一類太陽電池是單晶硅太陽電池。這種電池的穩(wěn)定性好，是目前應(yīng)用最廣泛的太陽能電池。但是由于硅是間接帶隙材料，光吸收能力相對差，單晶硅太陽電池需要耗用厚度達到數(shù)十微米至220微米的高純、高晶體質(zhì)量的晶體硅材料才能完全吸收太陽光。由于晶體硅材料耗用難以削減，而且晶體硅材料制作工藝嚴苛，所以單晶硅太陽電池的成本難于顯著下降，至今規(guī)模替代水電、煤電和核電。

一類太陽電池是最近迅速發(fā)展的鈣鈦礦光吸收層太陽電池。這類電池的組成為導(dǎo)電基底、電子傳輸材料、鈣鈦礦光吸收層、有機空穴傳輸材料、金屬電極。這類電池中的鈣鈦礦光吸收層具有低廉的成本、簡單的制備工藝、良好的光吸收、光電轉(zhuǎn)換特性以及優(yōu)異的光生載流子輸運特性，其電子與空穴擴散長度可超過1um，所以這類電池具有超低成本的潛力。但目前鈣鈦礦光吸收層太陽電池中使用有機空穴傳輸材料，有機空穴傳輸材料壽命相對硅等無機材料要短很多，而且有機空穴傳輸材料的價格也遠高于硅等無機材料。所以鈣鈦礦光吸收層太陽電池穩(wěn)定性差、目前綜合成本高。

還有一類電池是鈣鈦礦與硅結(jié)合的太陽電池。這類電池中的組成為導(dǎo)電基底、電子傳輸材料、鈣鈦礦光吸收層、P型非晶硅薄膜、金屬電極。這類電池以鈣鈦礦材料為光吸收層，以P型非晶硅薄膜替代傳統(tǒng)的有機空穴傳輸材料，不需要厚度達到幾十微米甚至220微米的晶硅材料實現(xiàn)光吸收，也不使用穩(wěn)定性差價格昂貴的有機空穴材料，因而這種電池具有低廉的成本、優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換性能的潛力。但由于制備工藝需要互相匹配的制約，目前這種鈣鈦礦與硅結(jié)合的太陽電池中的鈣鈦礦光吸收層為非晶與微晶的混合相薄膜，這種鈣鈦礦與硅結(jié)合的太陽電池中的P型非晶硅薄膜也是為非晶薄膜或非晶與微晶的混合相薄膜。非晶與微晶的混合相薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷會造成載流子的復(fù)合，而且薄膜態(tài)的鈣鈦礦對溫度，濕度，氣體敏感度都具有很高的反應(yīng)，很容易受到影響，失去本來的特性。因此目前的鈣鈦礦與硅結(jié)合的太陽電池存在光電轉(zhuǎn)換性能低、穩(wěn)定性不足的缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提供一種鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池及其制備方法。本發(fā)明實現(xiàn)了使用鈣鈦礦單晶作為光吸收層、P型單晶硅作為空穴傳輸層的太陽電池及其工藝相互匹配的制備方法，不僅克服了非晶與微晶的混合相鈣鈦礦薄膜穩(wěn)定性差、載流子的復(fù)合高的缺點，還克服了硅薄膜為非晶硅或非晶與微晶的混合相存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷造成的載流子復(fù)合，同時避免了使用價格高、穩(wěn)定性差的有機空穴傳輸材料，因此得到了更加高效，穩(wěn)定的太陽電池。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池由底部電極、氧化物半導(dǎo)體薄膜、富勒烯(C₆₀)薄膜層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和頂部電極構(gòu)成；氧化物半導(dǎo)體薄膜是n型半導(dǎo)體薄膜，鈣鈦礦光吸收層是鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的光吸收材料，空穴傳輸層是具備與鈣鈦礦光吸收層相匹配能級的P型單晶硅薄膜，底部與頂部電極是鋁或銀構(gòu)成的膜；所述空穴傳輸材料被沉積在鈣鈦礦單晶材料上，C₆₀薄膜層被蒸鍍在鈣鈦礦單晶表面上，氧化物半導(dǎo)體薄膜被濺射沉積在C₆₀薄膜層的襯底上，由鋁或銀構(gòu)成的膜被鍍在空穴傳輸層和氧化物半導(dǎo)體薄膜上形成底部和頂部電極。

上述鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池，所述的氧化物半導(dǎo)體薄膜為ZnO薄膜。

上述鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池，所述的光吸收材料是甲胺鉛碘鈣鈦礦晶體(CH₃NH₃PbI₃)。

上述鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池，所述的空穴傳輸層材料是P型單晶硅薄膜。

上述鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池，所述的鈣鈦礦光吸收層的厚度為1um～175um。

上述鈣鈦礦單晶材料與P型單晶硅結(jié)合的薄膜太陽電池，所述空穴傳輸層的厚度為5～500nm。