一种平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构及制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，从下至上依次包括衬底、透明电极、太阳光吸收混合层、空穴传输层和金属背电极，太阳光吸收混合层为具有介孔的柱阵列支架结构层，柱阵列上下表面、柱阵列间隙及柱内介孔间隙内填充有钙钛矿功能材料。本发明中由钙钛矿功能材料和柱阵列结构所组成的太阳光吸收混合层，同时具有平面和介孔两种钙钛矿电池结构，能够较大幅度地提高电池光电特性。太阳光吸收混合层由金属氧化物支架和钙钛矿填充物构成，太阳光吸收混合层的上表面为空穴传输层平面，太阳光吸收混合层的下表面为电子传输层平面，这种规整的堆栈结构表观有利于采光和载流子的传输，能进一步提高转化效率。
【专利说明】一种平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构及制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能电池结构及制作方法，尤其涉及一种平面-介孔混合钙钛 矿太阳能电池结构及制作方法。
【背景技术】
[0002] 现有的太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装 置，简称光伏。晶硅基技术依然是目前实现工业光伏的主要手段，但晶硅生产成本太高、容 易造成环境污染，且工业用硅需求量大。自2009年以来，钙钛矿作为一种成熟的、历史悠久 的功能材料，在近、现代工业中有广泛的应用。基于钙钛矿ABX结构的薄膜太阳能电池有 可能大幅度提高对太阳能的转化利用，具有制作工艺简单、原材料来源广泛、造价低廉等优 点。一般A为甲胺基（CH 3NH3)，B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。
[0003] 近几年，钙钛矿太阳能电池高速发展，从2009年到2013年，短短4年将其转化效 率从3. 8%提高到16. 2%，超越了染料敏化、有机薄膜等所谓第三代太阳能技术的发展速度。 新型的钙钛矿太阳能电池实际上是一种多层功能结构实现光电转化的微纳堆栈型结构，玻 璃层上是ΙΤ0或掺杂F的氧化锡（FT0)，其上是Ti0 2、A1203或者ZnO作为介孔支架，然后填 充钙钛矿材料形成的太阳光吸收混合层，其上是空穴传输层，最后是背电极Ag。
[0004] 自从2009年，A. Kojima等首先采用了钙钛矿材料作为太阳能电池的吸光材料，随 着研究的深入，钙钛矿太阳能电池的效率不断提高。2012年，M.M. Lee等人和H.S. Kim等 分别报道了高效的固态钙钛矿太阳能电池，大大的提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效 率。之后，Pablo Docampo等用有机、无机两种蒸发源共沉积的方式制备a^NHfblhCld^ 膜，获得厚度均匀、致密的功能层平板异质结，转化效率达15%。而Michael D. McGehee等利 用混合级联有机电池覆盖在CIGS上的方式实现了 21. 4%的转化效率，是目前报道的最高转 化效率，而且制备成本低廉。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构及制作方法，能 够提高钙钛矿太阳能电池的转换效率。
[0006] 本发明采用下述技术方案： 一种平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，从下至上依次包括衬底、透明电极、太阳 光吸收混合层、空穴传输层和金属背电极，所述的太阳光吸收混合层为具有介孔的柱阵列 支架结构层，柱阵列上下表面、柱阵列间隙及柱内介孔间隙内填充有钙钛矿功能材料。
[0007] 所述的太阳光吸收混合层为Ti02、ZnO或A120 3材料制成的具有介孔的柱阵列结 构。
[0008] 所述的钙钛矿功能材料采用CH3NH3PbI3_ xClx或MAPblCl钙钛矿功能材料。
[0009] 所述的透明电极的制作材料采用ΙΤ0或FT0。
[0010] 所述的空穴传输层的制作材料采用P3HT、spiro-OMeTAD或PTAA。
[0011] 所述的金属背电极的制作材料采用Al、Cu或Au。
[0012] 一种如权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构的制作方法，包 括以下步骤： A :在衬底普通玻璃上淀积一层ΙΤ0或FT0薄膜，形成透明电极； B:在透明电极上制备一层金属氧化物颗粒的支架结构，支架结构为具有介孔的柱阵列 结构； C:在太阳光吸收混合层的柱阵列上下表面、柱阵列间隙及柱内介孔间隙内填充钙钛矿 功能材料； D :在太阳光吸收混合层的上表面覆盖空穴传输层以及金属背电极。
[0013] 所述B步骤中，以金属氧化物微细颗粒胶体为转移介质，利用气压纳米压印技术 将金属氧化物颗粒介质压印成具有柱状阵列结构的支架结构，低温退火让金属氧化物微细 颗粒之间进行微小量的热熔扩散，形成稳定的柱状阵列结构并同时形成柱内介孔间隙。
[0014] 所述C步骤中，通过旋涂钙钛矿功能材料，利用微波晶化的方式形成致密均匀的 钙钛矿层，重复旋涂和晶化过程，驱使钙钛矿功能材料在太阳光吸收混合层的柱阵列上下 表面、柱阵列间隙及柱内介孔间隙内完全、均匀、致密的填充和晶化。
[0015] 本发明中，太阳光吸收混合层中的柱阵列间隙及柱内介孔间隙内填充的钙钛矿功 能材料，能够形成致密均匀的光吸收组织结构，而柱阵列结构的太阳光吸收混合层又具有 陷光效应，驱使入射太阳光在微阵列中多次折射、反射，有利于提高光能量的吸收，进而激 发载流子的产生，提高光电转换效率。由钙钛矿功能材料和柱阵列结构所组成的太阳光吸 收混合层，同时具有平面和介孔两种钙钛矿电池结构，能够较大幅度地提高电池光电特性。 太阳光吸收混合层由金属氧化物支架和钙钛矿填充物构成，太阳光吸收混合层的上表面为 空穴传输层平面，太阳光吸收混合层的下表面为电子传输层平面，这种规整的堆栈结构表 观有利于采光和载流子的传输，能进一步提高转化效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明所述平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构的结构示意图； 图2为本发明所述平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构制作方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0017] 如图1所示，本发明所述平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，从下至上依次包 括衬底1、透明电极2、太阳光吸收混合层3、空穴传输层4和金属背电极5,太阳光吸收混合 层3为具有介孔的柱阵列支架结构，柱阵列6上下表面、柱阵列6间隙及柱内介孔间隙9内 填充有钙钛矿功能材料8。
[0018] 本实施例中： 衬底1材料可采用玻璃等透明材料。
[0019] 透明电极2位于衬底1的内侧表面上，具有传输电子的作用。材料可以是铟锡氧 化物（ΙΤ0)、氟锡氧化物（FT0)等常用的透明电极2材料。
[0020] 为了能够较好地起到太阳能转换的作用，太阳光吸收混合层3的柱阵列6结构所 用材料采用常见的金属氧化物，如氧化钛（Ti0 2)、氧化锌（ZnO)、氧化错（A1203)等,其中氧 化钛（Ti〇2)是目前钙钛矿太阳能电池器件中最常用的支架材料。
[0021] 钙钛矿功能材料8采用钙钛矿晶体制备，其作用是吸收入射光。本发明中在太阳 能吸收混合层中柱阵列6上下表面、柱阵列6间隙及柱内介孔间隙9内填充的钙钛矿功能 材料8,能够形成平面-介孔的混合结构，平面结构是指柱阵列6间隙内填充的钙钛矿功能 材料8所形成的结构，介孔结构是指柱内介孔间隙9内填充的钙钛矿功能材料8所形成的 结构，平面-介孔的混合结构可以进一步提高对入射光的吸收，以提高电池的转化效率。本 发明所述钙钛矿功能材料8可采用CH 3NH3PbI3_xClx或MAPblCl。
[0022] 空穴传输层4材料一般为具有较高空穴迁移率的材料，如P3HT、spiro-OMeTAD或 PTAA。
[0023] 金属背电极5的制作材料采用Al、Cu或Au。
[0024] 本发明中，柱阵列6上下表面、柱阵列6间隙及柱内介孔间隙9内填充的钙钛矿功 能材料8,能够形成致密均匀的光吸收组织结构，而柱阵列6结构的太阳光吸收混合层3又 具有陷光效应，驱使入射太阳光在微阵列中多次折射、反射，有利于提高光能量的吸收，进 而激发载流子的产生，提高光电转换效率。由钙钛矿功能材料8和柱阵列6所组成的太阳 光吸收混合层3结构，同时具有平面和介孔两种钙钛矿电池结构效果，能够较大幅度地提 高电池光电特性，有利于采光和载流子传输，能进一步提高转化效率。
[0025] 如图2所示，本发明所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构的制作方法，包 括以下步骤： A :在衬底1普通玻璃上利用热蒸发技术淀积一层ΙΤ0或FT0薄膜，形成透明电极2。
[0026] B :在透明电极2上制备一层金属氧化物颗粒7的支架结构，支架结构为具有介孔 的柱阵列6结构；金属氧化物颗采用Ti02、ZnO或A1 203材料； 具体制作时，以金属氧化物微细颗粒胶体为转移介质，利用气压纳米压印技术将金属 氧化物颗粒7介质压印成支架结构，低温退火让金属氧化物微细颗粒之间进行微小量的热 熔扩散，形成稳定的柱状阵列结构并同时形成柱内介孔间隙9。柱状阵列结构具有一定的陷 光效应，能够驱使入射太阳光在微阵列中多次折射、反射，有利于提高光能量的吸收，进而 激发载流子的产生。
[0027] C :在太阳光吸收混合层3的柱阵列6上下表面、柱阵列6间隙及柱内介孔间隙9 内填充钙钛矿功能材料8,钙钛矿功能材料8可以采用CH 3NH3PbI3_xClx或MAPblCl ; 具体制作时，通过旋涂钙钛矿功能材料8,利用微波晶化的方式形成致密均匀的钙钛 矿层，多次重复旋涂和晶化过程，驱使钙钛矿功能材料8在太阳光吸收混合层3的柱阵列6 上下表面、柱阵列6间隙及柱内介孔间隙9内完全、均匀、致密的填充和晶化，能够实现平 面-介孔两种钙钛矿太阳能电池在单一器件中的有机结合，获得混合钙钛矿太阳能电池新 结构。
[0028] D :在太阳光吸收混合层3的上表面覆盖空穴传输层4以及金属背电极5。
[0029] 本发明中，利用低成本的纳米压印技术局域化金属氧化物颗粒7,形成柱状阵列结 构支架结构，并在柱阵列6上下表面、柱阵列6之间和柱内部介孔间隙9填充钙钛矿功能材 料8,可以实现平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池新结构。具有快速、低成本、高精度的特 点。利用微波技术进行晶化，与常规晶化方法相比，能够极大地节省制备时间。同时，利用 微波晶化技术的均匀性、快速性特点，经过多批次涂覆实现钙钛矿功能材料8在柱阵列6上 下表面、柱阵列6间隙、柱内部介孔间隙9内的充分填充，再结晶过程能够提高钙钛矿功能 材料8的结晶度。本发明经过微波的调控，能够形成理想的钙钛矿层，具有实现方便、制备 迅速、可控性强的特点。
【权利要求】
1. 一种平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，从下至上依次包括衬底、透明电极、太 阳光吸收混合层、空穴传输层和金属背电极，其特征在于：所述的太阳光吸收混合层为具有 介孔的柱阵列支架结构层，柱阵列上下表面、柱阵列间隙及柱内介孔间隙内填充有钙钛矿 功能材料。
2. 根据权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：太阳 光吸收混合层为Ti02、ZnO或A1 203材料制成的具有介孔的柱阵列结构。
3. 根据权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述 的钙钛矿功能材料采用CH3NH 3PbI3_xClx或MAPblCl钙钛矿功能材料。
4. 根据权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述 的透明电极的制作材料采用IT0或FT0。
5. 根据权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述 的空穴传输层的制作材料采用P3HT、spiro-OMeTAD或PTAA。
6. 根据权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构，其特征在于：所述 的金属背电极的制作材料采用Al、Cu或Au。
7. -种如权利要求1所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构的制作方法，其特 征在于，包括以下步骤： A :在衬底普通玻璃上淀积一层IT0或FT0薄膜，形成透明电极； B:在透明电极上制备一层金属氧化物颗粒的支架结构，支架结构为具有介孔的柱阵列 结构； C:在太阳光吸收混合层的柱阵列上下表面、柱阵列间隙及柱内介孔间隙内填充钙钛矿 功能材料； D :在太阳光吸收混合层的上表面覆盖空穴传输层以及金属背电极。
8. 根据权利要求7所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构的制作方法，其特征 在于：所述B步骤中，以金属氧化物微细颗粒胶体为转移介质，利用气压纳米压印技术将金 属氧化物颗粒介质压印成具有柱状阵列结构的支架结构，低温退火让金属氧化物微细颗粒 之间进行微小量的热熔扩散，形成稳定的柱状阵列结构并同时形成柱内介孔间隙。
9. 根据权利要求7所述的平面-介孔混合钙钛矿太阳能电池结构的制作方法，其特征 在于：所述C步骤中，通过旋涂钙钛矿功能材料，利用微波晶化的方式形成致密均匀的钙钛 矿层，重复旋涂和晶化过程，驱使钙钛矿功能材料在太阳光吸收混合层的柱阵列上下表面、 柱阵列间隙及柱内介孔间隙内完全、均勻、致密的填充和晶化。
【文档编号】H01L51/48GK104157787SQ201410393915
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】段智勇, 王盼, 苏宇锋, 郑国恒, 钟英辉, 李冬雪, 王文 申请人:郑州大学