钙钛矿太阳能电池及其制造方法与流程

本发明涉及一种具有由特定成分形成的电子传输层且在上述电子传输层与源电极之间引入导电阻挡层的钙钛矿太阳能电池及其制造方法。

背景技术：

1、为解决化石能源的枯竭及其利用所带来的全球环境问题，如太阳能、风能、水能等可再生清洁替代能源的研究正在积极展开。

2、其中，对直接从太阳光转换电能的太阳能电池的兴趣大大增加。在此，太阳能电池是指利用通过吸收来自太阳光的光能产生电子和空穴的光伏效应产生电流-电压的电池。

3、目前，已经可以制造出光能转换效率超过20％的基于n-p二极管型硅(si)单晶的太阳能电池并应用于实际太阳能发电，也有使用与其相比转换效率更高的如砷化镓(gaas)等的化合物半导体的太阳能电池。然而，由于这些基于无机半导体的太阳能电池需要以高纯度精炼的材料以实现高效率，因此精炼原材料会消耗大量能源，并且在使用原材料进行单晶化或薄膜化的过程中需要昂贵的工艺设备，因此，在降低太阳能电池制造成本方面存在局限性，这一直是大规模使用的障碍。

4、因此，为了以低成本制造太阳能电池，有必要大幅降低主要用于太阳能电池的材料或制造工艺的成本，作为基于无机半导体的太阳能电池的替代品，正在研究可以用低成本材料和工艺制造的钙钛矿太阳能电池。

5、最近，已经开发出使用钙钛矿结构的卤素化合物即(nh3ch3)pbx3(x＝i、br、cl)作为光敏材料的钙钛矿太阳能电池，并且正在进行商业化研究。钙钛矿结构的一般结构式为abx3结构，具有阴离子位于x位，大阳离子位于a位，小阳离子位于b位的结构。

6、作为分子式为(ch3nh3)pbx3的有机金属卤化物的钙钛矿太阳能电池在2009年首次被用作太阳能电池的光敏材料。此后，自从2012年研发出与现在结构相同的固态钙钛矿太阳能电池后，效率迅速提升。常规钙钛矿太阳能电池使用金属氧化物作为电子传输层，且主要使用如spiro-ometad等的有机材料或高分子材料作为空穴传输层(htl)。即，在如fto等的透明电极上制造金属氧化物多孔膜或薄膜，涂上钙钛矿材料，再涂上空穴传输层，再沉积金(au)或银(ag)等电极层。

7、钙钛矿太阳能电池商业化的一个重要课题是确保稳定性和柔性(flexible)技术，通过在光敏层上部使用金属氧化物形成的现有的电子传输层在光敏层(或光吸收层)上部沉积或涂布金属氧化物之后，在其上形成单独的有机粘合剂涂布。然而，在沉积形成金属氧化物时，制造工艺复杂且多步骤，大大提高制造成本，并且存在由于在沉积工艺过程中产生的物理和化学能量可能损坏光吸收层的缺点。另外，在形成有机粘合剂涂层的方法中，进行高温热处理以形成涂层，但是钙钛矿材料在200℃以上的高温下分解，还降低太阳能电池的柔性，从而缩小钙钛矿太阳能电池的应用范围。

8、另外，一般来说，在制造钙钛矿异质结太阳能电池时，为了在不损伤光吸收层的状态下形成电子传输层，通过沉积富勒烯(c60)来形成导电阻挡层，但富勒烯具有高吸光度，引起不必要的光吸收(寄生吸收(parasitic absorption))，从而存在降低太阳能电池的短路电流密度(jsc)等效率的问题。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明是为了克服上述问题而研制的，其旨在提供由特定材料形成的电子传输层与源电极之间形成导电阻挡层而不形成降低太阳能电池的jsc的富勒烯沉积层来确保高效率的钙钛矿太阳能电池及其制造方法。

3、解决问题的方案

4、为了解决上述问题，本发明的钙钛矿太阳能电池可以包括依次层叠空穴传输层(hole transport layer)、钙钛矿光吸收层、电子传输层(electron transporting layer)及源电极(source electrode)而成的层叠体，且在上述源电极与电子传输层之间可以形成有导电阻挡层(conductive barrier layer)。

5、作为本发明的一优选实施例，上述电子传输层可以包括表面改性的sno2纳米粒子。

6、作为本发明的一优选实施例，上述电子传输层的平均厚度可以为100nm以下。

7、作为本发明的一优选实施例，当上述电子传输层的厚度为20nm至30nm时，对500nm至550nm的波长的透光率(transmittance)可以为88％至95％。

8、作为本发明的一优选实施例，上述电子传输层的表面可以具有25nm以下的均方根(root mean square，rms)粗糙度(roughness)。

9、作为本发明的一优选实施例，上述导电阻挡层可以为沉积有铟锡氧化物(induimtin oxide，ito)、掺氟氧化锡(fluorine doped tin oxide，fto)、锑锡氧化物(sb2o3 dopedtin oxide，ato)、镓锡氧化物(gallium doped tin oxide，gto)、锌锡氧化物(tin dopedzinc oxide，zto)、掺镓zto(gallium doped zto，zto:ga)、铟镓锌氧化物(indium galliumzinc oxide，igzo)、铟锌氧化物(indium doped zinc oxide，izo)或铝锌氧化物(aluminumdoped zinc oxide，azo)的透明薄膜。

10、作为本发明的一优选实施例，上述导电阻挡层的平均厚度可以为50nm至110nm。

11、作为本发明的一优选实施例，上述导电阻挡层的表面可以具有30nm以下的均方根粗糙度。

12、作为本发明的一优选实施例，上述导电阻挡层的薄层电阻可以为80ω/sq以下。

13、作为本发明的一优选实施例，本发明的钙钛矿太阳能电池可以为p-i-n结构钙钛矿太阳能电池、倒置结构钙钛矿太阳能电池、串联型钙钛矿太阳能电池或串联型硅/钙钛矿异质结太阳能电池。

14、作为本发明的一优选实施例，当本发明的钙钛矿太阳能电池为倒置结构钙钛矿太阳能电池时，可以包括依次层叠漏电极(drain electrode)、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、导电阻挡层及源电极的结构。

15、作为本发明的一优选实施例，当本发明的钙钛矿太阳能电池为串联型硅/钙钛矿异质结太阳能电池时，可以包括依次层叠漏电极、硅太阳能电池、复合层、空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层、导电阻挡层及源电极的结构。

16、本发明的另一目的涉及一种上述钙钛矿太阳能电池的制造方法，其可以通过包括如下步骤的工艺制造：通过在包括空穴传输层和钙钛矿光吸收层的层叠体的钙钛矿光吸收层的上部涂布电子传输层形成用涂布剂来形成电子传输层的步骤；通过沉积工艺在上述电子传输层的上部形成作为透明薄膜的导电阻挡层的步骤；及在上述导电阻挡层上部形成源电极的步骤。

17、作为本发明的一优选实施例，可以通过溶液涂布工艺进行上述涂布，上述涂布可以采用旋涂、刮刀涂布、棒涂等溶液涂布方法进行。

18、作为本发明的一优选实施例，上述电子传输层用涂布剂可以包括0.50重量％至3.00重量％的表面改性的金属氧化物及残余量的有机溶剂。

19、发明的效果

20、本发明的钙钛矿太阳能电池可以使用通过低温热处理能够形成超薄膜的电子传输层形成用涂布剂的溶液涂布法来形成电子传输层，因此在形成电子传输层时可以防止光吸收层受到损伤，并且通过形成在电子传输层与源电极之间的导电阻挡层来防止电极穿透和离子迁移(ion migration)，从而可以防止太阳能电池的光电转换效率下降，并且太阳能电池的长期性能稳定性优异。