[發(fā)明專利]一種微納米島狀碳酸鹽薄膜、制備方法及鈣鈦礦太陽能電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211209041.2
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115498112A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳棋;朱城;白陽
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: H01L51/44
• 分類號: H01L51/44;H01L51/42;H01L51/48;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 張潔

本發(fā)明涉及一種微納米島狀碳酸鹽薄膜、制備方法及鈣鈦礦太陽能電池，屬于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。所述碳酸鹽為熱膨脹系數(shù)為10×10^?5K^?1～40×10^?5K^?1的堿金屬碳酸鹽，納米島狀結(jié)構(gòu)的直徑為100nm～3000nm，所述薄膜的厚度為0.5nm～10nm。采用溶液法或熱物理蒸發(fā)法，通過控制條件使堿金屬碳酸鹽不連續(xù)生長、并在退火階段形成島狀結(jié)構(gòu)制備得到。利用堿金屬碳酸鹽層高于鈣鈦礦活性層的熱膨脹系數(shù)的優(yōu)勢，通過退火冷卻過程的不均勻變形調(diào)節(jié)鈣鈦礦活性層體相的應(yīng)力應(yīng)變行為，能夠?qū)⑵鋸脑械睦鞝顟B(tài)調(diào)節(jié)至壓縮狀態(tài)。進(jìn)一步，在界面處形成的不連續(xù)島狀納米結(jié)構(gòu)提供變形空間，可釋放界面處集中的殘余應(yīng)力應(yīng)變。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微納米島狀碳酸鹽薄膜、制備方法及鈣鈦礦太陽能電池，屬于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鈣鈦礦太陽能電池在短短十多年內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率從3.8％大幅增加到25.7％，而與硅的疊層電池已經(jīng)超過Shockley-Queisser極限，實(shí)現(xiàn)了超過29％的最大轉(zhuǎn)換效率。盡管鈣鈦礦太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率上具有顯著優(yōu)勢，但其穩(wěn)定性依然存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)力應(yīng)變工程已被證明對鈣鈦礦太陽能電池的光熱穩(wěn)定性有重大影響，因?yàn)樗婕俺煞之愘|(zhì)性、微觀結(jié)構(gòu)變形、缺陷形成、電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化和離子遷移勢壘相關(guān)的綜合調(diào)控機(jī)制。鈣鈦礦材料的應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)的晶格畸變會影響原子間鍵合、缺陷的形成能和離子遷移的活化能，導(dǎo)致薄膜加速降解行為。在多層堆疊器件結(jié)構(gòu)的界面處，極易出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變集中現(xiàn)象，由于電荷傳輸層和鈣鈦礦之間的熱膨脹系數(shù)不匹配和以及較弱的范德華力，過載的應(yīng)力應(yīng)變會導(dǎo)致薄膜破裂和器件界面過早脫離和分層。在這些力學(xué)分層處，產(chǎn)生更多暴露的表面和點(diǎn)缺陷，為水和氧氣侵入提供通道，為離子遷移提供場所，從而加速結(jié)構(gòu)分解和器件退化。因此，界面處可控的應(yīng)力-應(yīng)變調(diào)節(jié)對于提高鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

到目前為止，已有研究表明，鈣鈦礦多晶中晶格應(yīng)變的調(diào)節(jié)可以通過小原子/分子摻雜、化學(xué)交聯(lián)添加劑、退火工藝優(yōu)化等來實(shí)現(xiàn)。這些方法主要集中在體中的應(yīng)力-應(yīng)變效應(yīng)。此外，具有特定官能團(tuán)的有機(jī)鹽或聚合物被廣泛應(yīng)用于界面工程以鈍化缺陷并優(yōu)化光電性能。但是，有機(jī)物具有外部環(huán)境的不穩(wěn)定性(水、氧、光的不穩(wěn)定性)和較弱的化學(xué)相互作用。有機(jī)材料選擇不當(dāng)甚至?xí)铀俳缑嫣幍碾x子遷移和鹵素聚集行為。有研究報道，Cs₂CO₃可作為作為電池的缺陷鈍化層或者傳輸層被應(yīng)用去減少器件中的非輻射符合損失，提高器件轉(zhuǎn)換效率。然而，目前尚未報道過無機(jī)材料在界面處實(shí)現(xiàn)可控的應(yīng)力-應(yīng)變調(diào)節(jié)的相關(guān)技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種微納米島狀碳酸鹽薄膜、制備方法及鈣鈦礦太陽能電池。利用堿金屬碳酸鹽層高于鈣鈦礦活性層的熱膨脹系數(shù)的優(yōu)勢，通過退火冷卻過程的不均勻變形調(diào)節(jié)鈣鈦礦活性層體相的應(yīng)力應(yīng)變行為，能夠?qū)⑵鋸脑械睦鞝顟B(tài)調(diào)節(jié)至壓縮狀態(tài)。進(jìn)一步，在界面處形成的不連續(xù)島狀納米結(jié)構(gòu)提供變形空間，可釋放界面處集中的殘余應(yīng)力應(yīng)變。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種微納米島狀碳酸鹽薄膜，所述碳酸鹽為熱膨脹系數(shù)為10×10^-5K^-1～40×10^-5K^-1的堿金屬碳酸鹽，微納米島狀結(jié)構(gòu)的直徑為100nm～3000nm，所述薄膜的厚度為0.5nm～10nm。

優(yōu)選的，所述碳酸鹽納米島狀結(jié)構(gòu)的直徑為500nm～1000nm。

優(yōu)選的，所述碳酸鹽的熱膨脹系數(shù)為20×10^-5K^-1～30×10^-5K^-1。