[發(fā)明專利]一種基于反溶液浴的鈣鈦礦薄膜制備方法及太陽能電池

有效

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• 申請日: 2019-01-24
• 公開（公告）號: CN109904318B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱瑞;張翼飛;涂用廣;楊曉宇;龔旗煌
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發(fā)明公布了一種基于反溶液浴的鈣鈦礦薄膜制備方法及太陽能電池。通過在反溶劑中加入適當(dāng)?shù)娜苜|(zhì)以配制具有不同功能的反溶液，實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶控制和形貌調(diào)控，同時鈍化了鈣鈦礦薄膜與載流子傳輸層的界面，減少了表面缺陷態(tài)和界面復(fù)合，提高了界面處的載流子濃度和抽取效率，更有利于載流子的傳輸。通過反溶液浴法制備的鈣鈦礦太陽能電池，具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的穩(wěn)定性。該制備方法簡便且生產(chǎn)周期較短，可控性和重復(fù)性強，在大面積、規(guī)模化的鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)制備中極具應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電功能材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于反溶液浴的鈣鈦礦薄膜制備方法及太陽能電池。

背景技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的高速變革與發(fā)展，人類社會對能源的需求也在飛速增長。不可再生的化石能源是過去和現(xiàn)在能源體系中的主力軍，然而化石能源的枯竭危機以及環(huán)境污染的日益加重促使我們積極尋找成本低廉、清潔高效的可再生能源。在現(xiàn)有的眾多新型能源中，太陽能因具有能量密度高、儲量豐富、使用清潔等優(yōu)點而備受關(guān)注。太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源技術(shù)，但目前廣泛使用的硅基太陽能電池成本較高且制備工藝繁復(fù)，因此，開發(fā)與制備新型太陽能電池刻不容緩。有機無機雜化的鈣鈦礦型太陽能電池由于其優(yōu)異的光電性能，自2009年出現(xiàn)以來，在短短的十年內(nèi)就實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率從3.8％到23.7％的飛躍，并迅速成為新型光伏技術(shù)的研究熱點。

與已有的其它太陽能技術(shù)相比，鈣鈦礦太陽能電池的綜合性能優(yōu)良，具有以下優(yōu)點：吸光系數(shù)較高，帶隙寬度合適且可調(diào)，載流子輸運性質(zhì)較好，缺陷容忍度較高，開路電壓較高，成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，和可制備高效柔性器件等。作為介孔型及平面型鈣鈦礦太陽能電池中的核心部分，鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量高低是決定器件性能的基本前提。所以，制備平整致密且接觸良好的鈣鈦礦薄膜，對提升鈣鈦礦太陽能電池的綜合性能具有不可替代的重要性。然而，由于鈣鈦礦薄膜自身存在的晶界和晶體缺陷，以及其與載流子傳輸層之間的界面接觸問題，使得器件工作中載流子復(fù)合嚴(yán)重，從而導(dǎo)致太陽能電池的開路電壓和填充因子下降，這是鈣鈦礦太陽能電池在制備和生產(chǎn)過程中普遍存在的問題。在已報道的鈣鈦礦薄膜制備方法中，高效的制備工藝多為“一步法”滴加反溶劑，但其過程復(fù)雜、人為因素較大且難以制備大面積器件，限制了鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。因此，關(guān)鍵的問題是能夠通過簡單易行、可重復(fù)性高的技術(shù)手段來制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，從而加速鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于反溶液浴的鈣鈦礦薄膜制備方法及太陽能電池。通過在反溶劑中加入功能性材料，優(yōu)化鈣鈦礦前驅(qū)膜在反溶液中的成膜過程，改善晶體成核與生長，實現(xiàn)鈣鈦礦薄膜的生長調(diào)控，獲得平整致密的薄膜，進而組裝鈣鈦礦型太陽能電池，提升器件的光電性能。

本發(fā)明的鈣鈦礦太陽能電池，包括透明襯底，以及在該襯底上依次層疊的透明電極、金屬氧化物傳輸層、鈣鈦礦薄膜、空穴或電子傳輸層和頂電極，其特征在于，所述鈣鈦礦薄膜由反溶液浴法制備：將鈣鈦礦前驅(qū)膜浸泡于反溶液中一定時間，使鈣鈦礦層初步結(jié)晶和生長，然后除去表面多余的反溶液，于80～200℃退火處理，得到鈣鈦礦薄膜；其中所述反溶液為含有溶質(zhì)的反溶劑。

本發(fā)明鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶和生長被反溶液調(diào)節(jié)和控制。反溶液中的所述反溶劑是指難以溶解鈣鈦礦吸光層且不與之反應(yīng)的溶劑，包括但不限于異丙醇、叔丁醇、仲戊醇、仲己醇等低極性醇類溶劑或苯甲醚、甲苯、氯苯等常見的低極性溶劑。所述溶質(zhì)是指可溶解或分散在反溶劑中的物質(zhì)，包括但不限于噻唑、吡嗪、咔唑等含氮有機小分子，甲胺氫鹵酸鹽、甲脒氫鹵酸鹽、胍氫鹵酸鹽等鹵化胺鹽，聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等具有凝聚和成膜作用的聚合物，或量子點等納米顆粒。溶質(zhì)具有促進結(jié)晶生長、改善薄膜質(zhì)量、提升器件光電性能的效果。

優(yōu)選的，將鈣鈦礦前驅(qū)膜浸泡在含有上述溶質(zhì)的反溶液中1～100s，使鈣鈦礦層初步結(jié)晶和生長后除去表面多余的反溶液，轉(zhuǎn)移至加熱臺80～200℃退火處理，得到平整致密、結(jié)晶良好的鈣鈦礦薄膜。該操作通常是在氮氣等惰性氣體氣氛下進行。