[發明專利]應用于太陽電池的可印刷硫化鎘納米晶薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201711076583.6
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107819053B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 黃程;侯美慧;劉忠范;黃維
• 申請（專利權）人: 南京工業大學;蘇州大學;西北工業大學
• 主分類號: H01L31/073
• 分類號: H01L31/073;H01L31/18
• 代理公司: 南京業騰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32321
• 代理人: 董存壁

本發明公開了應用于太陽電池的可印刷硫化鎘納米晶薄膜的制備方法，屬于鈣鈦礦型太陽電池及相關光電半導體材料領域。包括制備Ag摻雜硫化鎘前驅溶液、旋涂制備納米晶薄膜、作為電子傳輸層及空穴阻擋層應用于鈣鈦礦太陽電池等步驟。通過分子絡合前驅體制備Ag摻雜硫化鎘前驅液，或離子交換熱擴散控制元素替換和Ag異價原子摻雜含量，該方法制備過程簡單、易操作，溫度不高，可實現大面積印刷；替代傳統致密型二氧化鈦，排除氧空位負面影響，提高電池光穩定性。Ag摻雜增強硫化鎘電子導電率與光導率，實現能級良好匹配；減少鎘離子擴散形成鈣鈦礦電子絕緣層，Ag擴散并摻雜鈣鈦礦，提高電池性能。摻雜硫化鎘薄膜可用于光電半導體與柔性印刷電子器件。

技術領域

本發明屬于太陽電池及其相關光電半導體薄膜材料領域，更具體地說，涉及一種應用于太陽電池的可印刷硫化鎘納米晶薄膜的制備方法。元素替換和異價原子摻雜的硫化鎘薄膜可用于制備薄膜太陽電池及其相關薄膜晶體管、電致發光、激光發射等光電半導體器件及柔性印刷電子或光電子薄膜器件。

背景技術

鈣鈦礦太陽電池自2009年被提出以來，在短短5年時間內，其效率迅速增加到20％以上。這種新型全固態太陽電池以其高轉換效率、原料豐富、可采用溶液或氣相沉積等簡單工藝制備和低加工成本等優點，在商業化應用方面呈現出一片光明的前景，很可能對整個太陽能科技行業以及人類經濟和社會生活產生巨大的影響。

目前，鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的穩定性問題是PSCs商業化最重要的障礙之一。發展高性能結構穩定性的有機無機鈣鈦礦材料與光電光伏電池是推進其應用的關鍵。研究表明，在鈣鈦礦太陽電池中，除提高鈣鈦礦半導體吸收層本身性能及結構與環境穩定性外，電子傳輸材料的性能和穩定性對鈣鈦礦電池的穩定性具有極大影響，存在著一些亟待解決的關鍵問題。需要進一步研究電子傳輸層與鈣鈦礦半導體吸收層的相互作用及影響，設計并制備高性能的電子傳輸層。當前，作為傳統的電子傳輸材料，TiO₂通常需要高溫燒結制備，這增加了器件的制作成本、且會降低與柔性襯底的兼容性；低溫制備的TiO₂納米顆粒具有較大的表面缺陷，會導致電子傳輸能力和器件效率的下降；ZnO在一定溫度條件下，會與PbI₂和CH₃NH₃I反應釋放的酸發生反應，雖然也可作電子傳輸材料，但是需要較高的退火溫度。所以，尋找一個合適的電子傳輸材料及其適當的制備方法具有非常重要的意義。

研究表明，硫化鎘(CdS)是n型半導體，具有良好的導電性，與其他電子傳輸材料相比，CdS材料具有較好的電子傳輸能力，比ZnO和TiO₂高很多，這將有助于電子在電子傳輸層中的傳導并且減小光伏器件的電阻。CdS具有2.4eV的直接帶隙，另外，CdS的導帶能級為3.98eV，且其費米能級與導帶能級相近，比ZnO(4.19eV)和TiO₂(4.21eV)低，可以更好的與鈣鈦礦材料相匹配。所以，可以用其作為空穴阻擋層代替傳統的致密型TiO₂，排除氧空位的負面影響，以改善PSCs的光穩定性。另外，通過溶液法制備CdS納米晶薄膜可實現大面積光伏印刷。所以，將其應用于鈣鈦礦柔性太陽電池具有較好的前景。

基于硫化鎘電子傳輸層高性能鈣鈦礦太陽電池可以獲得超過15％的穩定的光電轉換效率。但是X-射線光電子能譜等研究鎘離子擴散與摻雜的影響同時發現，由于鎘離子擴散進鈣鈦礦吸收層，構建在硫化鎘薄膜上的鈣鈦礦離子半導體薄膜表界面等處存在一定量的鎘離子。鎘離子擴散與摻雜增加了鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸，但是電子絕緣阻擋層的形成，增加了內阻，使器件性能下降。時間分辨發光測量表明，摻雜薄膜中并非由于固體缺陷引起的非輻射復合，而是形成了有機-無機鹵化鎘的第二相。有機-無機鹵化鎘的第二相化合物主要來者于硫化鎘與有機-無機鹵化物的反應，與鈣鈦礦離子半導體層積過程中的競爭相。由于該絕緣化合物的生成，作為鈣鈦礦離子半導體界面層的電子絕緣阻擋層，影響了器件性能的降低。

發明內容

1、要解決的問題