[發明專利]摻氧混合氣體放電等離子體氧化處理鈣鈦礦太陽電池空穴傳輸層的方法

在審

• 申請號: 201711045750.0
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107887521A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 王東棟;曲浩;張春梅;趙高;牛晨
• 申請（專利權）人: 北京印刷學院
• 主分類號: H01L51/50
• 分類號: H01L51/50;H01L51/56;H01L51/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張立改

技術領域

本發明涉及太陽電池技術領域，特別是涉及一種利含氧混合氣體放電低溫等離子體處理鈣鈦礦太陽電池，快速實現其空穴傳輸層功能化的方法。

背景技術

隨著工業化的發展，水污染、土壤污染、大氣污染的現象日趨嚴重，能源危機和環境污染不容忽視，人們對可再生能源的需求也越來越大。在風能、水能、地熱能、生物質能和太陽能等各種可再生能源中，太陽能是安全，無污染,不受地理條件限制，應用范圍最廣，最有發展前途的一種。在太陽能的有效利用中，太陽能光伏轉換是近些年來發展最快、最具活力的研究領域。光伏器件可以幫助我們將太陽能轉換成可以直接使用的電能,是人類社會解決環境問題，應對能源危機以及尋求可持續發展的重要對策。

目前無機硅太陽電池仍是光伏器件市場上的主導，但是由于其生產工藝比較復雜，需要高溫、高真空，成本高，從而限制了其大規模商用化。基于碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CuInGaSe)等材料的新型薄膜太陽電池也面臨著含有重金屬元素鎘(Cd)以及稀缺元素銦(In)和鎵(Ga)等問題，限制了其大規模商用化。因此人們一直努力開發探索諸如染料敏化太陽電池、量子點太陽電池等更低成本、更高效率的新型太陽電池技術。而有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池因兼具低成本溶液加工和優異的光電轉換性能在國際上備受關注。

鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料一般采用spiro-MeOTAD(2，2，7，7-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9-螺二芴)，但是實際上單純Spiro-MeOTAD本身具有較低的空穴遷移率，10^-4cm²/V·s，只有通過氧化后才具有高的導電性和空穴遷移率，且電阻率高，必須進行摻雜才能達到使用的要求，一般采用Li-TFSI(雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰)。Li-TFSI可以顯著提升spiro-MeOTAD的空穴傳輸能力，且可以提升器件的開路電壓。這種材料組合需要氧化，且在氧化過程中Li+可能被消耗掉，且鋰鹽極易吸潮，從而影響電池的效率與穩定。

目前對于Spiro-MeOTAD的氧化處理，主要是在特定氣體氛圍內靜置，通過氧氣分子與Spiro-MeOTAD分子之間的相互作用來實現的。這種方法控制性差，耗時較長，通常需要幾個小時到十幾個小時，對于鈣鈦礦太陽電池的工業化規模生產，尤其是流水線式的連續生產非常不利。

發明內容

本發明針對當前在特定氣體氛圍內靜置鈣鈦礦太陽電池，氧化其空穴傳輸層耗時較長、控制性差的問題，提出利用含氧混合氣體放電低溫等離子體來氧化處理鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層，以快速實現空穴傳輸層功能化和太陽電池器件的正常工作。

一種快速氧化鈣鈦礦太陽電池的方法，其特征在于，利用摻氧混合氣體放電低溫等離子體處理鈣鈦礦太陽電池，利用氧等離子體中活性基團與空穴傳輸層發生反應來實現其空穴傳輸層的功能化。

具體包括以下步驟：

(1)制備薄膜鈣鈦礦太陽電池；

(2)通入含氧和放電氣體的混合氣體，利用等離子體發生裝置產生穩定、均勻的氣體放電等離子體；將鈣鈦礦電池置于等離子體區域，利用氧等離子體與空穴傳輸層發生反應來完成空穴傳輸層的功能化，并控制反應時間。

摻氧混合氣體放電等離子體快速氧化處理鈣鈦礦太陽電池空穴傳輸層的方法，其特征在于，利用摻氧混合氣體放電低溫等離子體對鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層進行氧化處理，利用氧等離子體中活性基團與空穴傳輸層發生反應來迅速完成空穴傳輸層的功能化，以快速實現空穴傳輸層功能化和太陽電池器件的正常工作。進一步優選鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層為Spiro-MeOTAD。

進一步優選鈣鈦礦太陽電池，包括依次組合的陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和陰極，如圖1所示，優選光活性層的材料為具有鈣鈦礦結構的有機-無機雜化材料。

利用等離子體發生裝置產生穩定的氧等離子體，并調整放電參量，如氣壓、氣體配比、放電電壓、放電電流可根據需要進行調節，優選等離子體放電功率為5～200瓦。

放電氣體為摻氧混合放電氣體，包括放電氣體如氬氣等和氧氣的混合氣體(兩者可以按任意體積流量比例進行，如1:2)；所述等離子體發生裝置產生穩定等離子體的方法可能為交流放電(電容耦合放電、感應耦合放電、介質阻擋放電、微波放電、表面波放電)或者直流放電(輝光放電、脈沖放電、電弧放電、空心陰極放電、磁控管放電)。將鈣鈦礦電池置于等離子體區域，利用氧等離子體與空穴傳輸層發生反應來完成空穴傳輸層的功能化，并控制反應時間。等離子體處理時間優選為0.5～100S。