鈣鈦礦基薄膜太陽電池的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池。所述鈣鈦礦基薄膜太陽電池包括：透明襯底；在所述透明襯底上形成的透明導(dǎo)電層；在所述透明導(dǎo)電層上形成的且為半導(dǎo)體材料的致密層；在所述致密層上形成的多孔絕緣層；在所述多孔絕緣層上形成的多孔碳對電極層；以及填充在所述多孔絕緣層內(nèi)部的孔隙中的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料。本實(shí)用新型提供了碳對電極在鈣鈦礦基薄膜太陽電池中的應(yīng)用。與現(xiàn)有的鈣鈦礦基薄膜太陽電池相比，本實(shí)用新型采用碳材料替代昂貴的貴金屬材料作為對電極，成本大大降低。并且本實(shí)用新型能夠采用簡單、快速、可規(guī)?；a(chǎn)的絲網(wǎng)印刷法制備，進(jìn)一步節(jié)約了成本，有利于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦基薄膜太陽電池的工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】鈣鈦礦基薄膜太陽電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及太陽電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽電池發(fā)電利用了特定半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，具體而言，光與半導(dǎo)體的相互作用產(chǎn)生光生載流子，光生電子-空穴對再通過半導(dǎo)體內(nèi)部形成的內(nèi)建電場分別到達(dá)兩極，產(chǎn)生電勢。當(dāng)與外電路相連時，就能源源不斷地產(chǎn)生電流。這種半導(dǎo)體光電器件應(yīng)該滿足以下兩個條件:(1)入射光的能量應(yīng)大于半導(dǎo)體禁帶寬度，并且半導(dǎo)體材料對入射光有足夠大的吸收系數(shù)；(2)半導(dǎo)體有光伏結(jié)構(gòu)，必須能形成內(nèi)建電場。太陽電池轉(zhuǎn)換效率是太陽電池最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，而電池效率的高低取決于電池材料的特性和整個系統(tǒng)的構(gòu)架。目前硅基太陽電池技術(shù)是最為成熟、應(yīng)用最廣的光伏技術(shù)。但是，隨著硅基太陽電池技術(shù)的日漸成熟，其缺陷也日益明顯，一是轉(zhuǎn)化率受限制，二是成本高。
[0003]目前太陽電池研究包括兩個主要方向:(I)先不計(jì)成本地提高轉(zhuǎn)換效率，再設(shè)法降低成本；(2)先尋求更廉價的光電轉(zhuǎn)換材料,再逐步提高轉(zhuǎn)化率。娃基薄膜、多元化合物薄膜、染料敏化、聚合物薄膜等各種替代技術(shù)隨之誕生。近期，具有層狀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦有機(jī)金屬材料作為一種廉價、高吸光系數(shù)的吸光材料，受到關(guān)注。
[0004]鈣鈦礦基薄膜太陽電池主要包括兩種結(jié)構(gòu)，一種是基于鈣鈦礦對納晶多孔寬禁帶半導(dǎo)體薄膜(如TiO2, ZnO, SnO2)敏化的薄膜電池，另一種是以多孔絕緣材料薄膜(如Al2O3,ZrO2, SiO2等)為支架層的本體異質(zhì)結(jié)薄膜電池。對于鈣鈦礦基薄膜太陽電池，存在的最大缺點(diǎn)是其對電極通常采用的是金、銀等貴金屬電極，這不僅會顯著增加電池原料成本，同時貴金屬電極的制備方法采用真空蒸鍍或磁控濺射設(shè)備，大大提高電池的制作成本，并且受真空蒸鍍或磁控濺射工藝的限制，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，極大地限制了鈣鈦礦基薄膜太陽電池的發(fā)展。在該【技術(shù)領(lǐng)域】，急切希望能夠采用成本低的對電極材料來代替貴金屬，并期望研制出新的成本低的適用工業(yè)生產(chǎn)的制備工藝。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷之一，提供一種低成本的鈣鈦礦基薄膜太陽電池。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池，包括:
[0007]透明襯底；
[0008]在所述透明襯底上形成的透明導(dǎo)電層；
[0009]在所述透明導(dǎo)電層上形成的且為半導(dǎo)體材料的致密層；
[0010]在所述致密層上形成的多孔絕緣層；
[0011]在所述多孔絕緣層上形成的多孔碳對電極層；以及
[0012]填充在所述多孔絕緣層內(nèi)部的孔隙中的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料。[0013]本實(shí)用新型的鈣鈦礦基薄膜太陽電池在所述多孔絕緣層和多孔碳對電極層之間可以不設(shè)置有機(jī)空穴層。
[0014]在一種實(shí)施方式中，所述透明導(dǎo)電層的一部分可以延伸超過所述致密層、所述多孔絕緣層和所述多孔碳對電極層而暴露出來。
[0015]在一種實(shí)施方式中，所述多孔碳對電極層的一部分延可以伸超過其下的所述多孔絕緣層、所述致密層和所述透明導(dǎo)電層而形成在所述透明襯底上；并且，所述多孔碳對電極層的所述一部分與所述透明襯底上的所述透明導(dǎo)電層彼此絕緣。
[0016]在一種實(shí)施方式中，所述透明導(dǎo)電層可以具有彼此絕緣的正極區(qū)域和負(fù)極區(qū)域；其中，所述多孔碳對電極層的一部分、所述多孔絕緣層和所述致密層基本上形成在所述透明導(dǎo)電層的所述負(fù)極區(qū)域上；所述多孔碳對電極層的另一部分延伸超過所述多孔絕緣層、所述致密層和所述透明導(dǎo)電層的所述負(fù)極區(qū)域而形成在所述透明導(dǎo)電層的所述正極區(qū)域上。
[0017]在一種實(shí)施方式中，所述透明襯底可以為透明玻璃，并且，所述透明導(dǎo)電層可以為所述透明玻璃上的FTO薄膜。
[0018]在一種實(shí)施方式中，所述致密層可以為厚度在20_150nm之間的TiO2薄膜。
[0019]在一種實(shí)施方式中，所述多孔絕緣層可以為厚度在200-1500nm之間的Al2O3, ZrO2或SiO2材料的多孔層?？蛇x地，Al2O3, ZrO2或SiO2材料的形貌可以為納米顆粒、納米棒或納米線。
[0020]在一種實(shí)施方式中，所述多孔碳對電極層可以為活性炭、碳黑、片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維或硬碳材料的多孔層。在一種實(shí)施方式中，所述多孔碳對電極層的厚度可以在5-10 μ m之間。
[0021]在一種實(shí)施方式中，所述致密層、所述多孔絕緣層和所述多孔碳對電極層可以通過絲網(wǎng)印刷法形成。
[0022]本實(shí)用新型提供了碳對電極在鈣鈦礦基薄膜太陽電池中的應(yīng)用。本實(shí)用新型還通過將不同碳電極應(yīng)用在鈣鈦礦基薄膜太陽電池中，提高此類電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0023]本實(shí)用新型能夠采用碳材料替代昂貴的貴金屬材料作為對電極，成本大大降低。通過采用簡單、快速、可規(guī)?；a(chǎn)的絲網(wǎng)印刷法代替真空鍍膜或磁控濺射法，進(jìn)一步節(jié)約了成本，并解決了鈣鈦礦基薄膜太陽電池金對電極成本高、真空蒸鍍制備金屬電極方法難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的問題，有利于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦基薄膜太陽電池的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0024]與現(xiàn)有的鈣鈦礦基薄膜太陽電池相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0025]I)制作過程簡便易行、薄膜厚度容易控制。
[0026]2)電池制備成本顯著降低。
[0027]3)適于制備大面積鈣鈦礦基薄膜太陽電池。
[0028]根據(jù)下文結(jié)合附圖對本實(shí)用新型具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會更加明了本實(shí)用新型的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本實(shí)用新型的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0030]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型一個實(shí)施例的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是根據(jù)本實(shí)用新型另一個實(shí)施例的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是根據(jù)本實(shí)用新型再一個實(shí)施例的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5是根據(jù)本實(shí)用新型又一個實(shí)施例的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]在具體描述本實(shí)用新型的實(shí)施方式之前，首先介紹本實(shí)用新型所采用的電池效率測量方法。電池的光電性能用計(jì)算機(jī)控制的恒電位/恒電流儀(Princeton AppliedResearch, Model263A)。將制備的太陽電池器件的光陽極和光陰極分別與恒電位/恒電流儀的工作電極和對電極端連接。光源使用500W氙燈，入射光強(qiáng)為lOOmw/cm2，光照面積為
0.1cm2。除非另有說明，以下各實(shí)施例中的光電性能測量都是在室溫下進(jìn)行的。
[0036]本實(shí)用新型中所使用的術(shù)語，除非另外指出，是根據(jù)其在本【技術(shù)領(lǐng)域】中的常規(guī)含義來理解。
[0037]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中常見的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，鈣鈦礦基體異質(zhì)結(jié)薄膜電池一般性地可包括玻璃襯底I’，設(shè)置在玻璃襯底I’上的FTO導(dǎo)電膜2’，在FTO導(dǎo)電膜2’上形成的半導(dǎo)體材料的致密層3’，在致密層3’上形成的具有多孔結(jié)構(gòu)的支架層4’，在支架層4’上形成的有機(jī)空穴層7’，以及在有機(jī)空穴層7’上形成的貴金屬材料的對電極層6’，其中，在支架層4’內(nèi)部填充有鈣鈦礦有機(jī)金屬材料5’。通常情況下，在制備圖1所示的太陽電池的過程中，從下向上逐層制備。在制備完支架層4’后，通過旋涂法或其他方法將鈣鈦礦有機(jī)金屬材料5’填充進(jìn)支架層4’內(nèi)的孔隙中，然后制備有機(jī)空穴層7’，再通過真空鍍膜法或磁控濺射法在有機(jī)空穴層7’的表面鍍制對電極層6’。在上述的制備過程中，必須在鍍制對電極層6’之前，將鈣鈦礦有機(jī)金屬材料5’填充進(jìn)支架層4’內(nèi)的孔隙中，這是由于對電極層6’的結(jié)構(gòu)致密，鍍制完成以后，很難通過其將鈣鈦礦有機(jī)金屬材料5’填充進(jìn)入支架層4’內(nèi)部孔隙中。
[0038]在上述制備鈣鈦礦基薄膜太陽電池的方法中，由于對電極層6’通過真空鍍膜法或磁控濺射法鍍制，難以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。但如果不采用真空鍍膜法或磁控濺射法鍍制貴金屬對電極層6’，或者選取其他非金屬導(dǎo)電材料制備對電極層6’，很難在對電極層6’與有機(jī)空穴層7’之間形成歐姆接觸。
[0039]本申請的發(fā)明人特別地發(fā)現(xiàn)，可以采用多孔碳材料替代金屬材料制備多孔碳對電極層，將支架層4’的多孔結(jié)構(gòu)采用絕緣材料制成，并且在制成支架層4’后，常用如絲網(wǎng)印刷法等可商業(yè)化的制膜方法直接在支架層4’上制備一層多孔碳材料的對電極層6’，再通過對電極層6’的多孔結(jié)構(gòu)將鈣鈦礦有機(jī)金屬材料5’填充進(jìn)支架層4’內(nèi)，可以解決上述技術(shù)難題。
[0040]圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型一個實(shí)施例的鈣鈦礦基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實(shí)用新型的鈣鈦礦基薄膜太陽電池可以包括:透明襯底1，在透明襯底I上形成的透明導(dǎo)電層2，在透明導(dǎo)電層2上形成的且為半導(dǎo)體材料的致密層3，在致密層3上形成的多孔絕緣層4作為支架層，在所述多孔絕緣層4上形成的多孔碳對電極層6，以及填充在多孔絕緣層4內(nèi)部的孔隙中的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料5。
[0041]透明襯底I可以為透明玻璃，并且，透明導(dǎo)電層2可以為透明玻璃上的FTO薄膜。致密層3可以由TiO2薄膜形成；其厚度可以在20-150nm之間；優(yōu)選可以為50nm。多孔絕緣層4可以為由Al2O3, ZrO2或SiO2材料或其他絕緣材料形成的多孔層；其厚度可以在200_1500nm之間。Al2O3, ZrO2或SiO2材料的形貌可以為納米顆粒、納米棒或納米線。
[0042]多孔碳對電極層6可以為由選自包括活性炭、碳黑、片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維或硬碳材料中的一種或多種材料形成的多孔層。多孔碳對電極層6的厚度可以在5-10 μ m之間。填充在多孔絕緣層4內(nèi)部的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料可以選自化學(xué)通式為(RNH3)BXmYn中的一種或多種材料，其中R=CH3, C4H9, C8H9 ；B=Pb, Sn ；X, Y=Cl, Br, I ;m=l，2，3 ;n=3_m。(RNH3) BX111Yn 具體可包括以下材料:CH3NH3PbCl3，CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3, CH3NH3PbClBr2, CH3NH3PbCl2Br, CH3NH3PbBrI2, CH3NH3PbBr2I,CH3NH3PbClI2, CH3NH3PbCl2I, C4H9NH3PbCl3, C4H9NH3PbBr3, C4H9NH3PbI3, C4H9NH3PbClBr2,C4H9NH3PbCl2Br, C4H9NH3PbBrI2, C4H9NH3PbBr2I, C4H9NH3PbCl2I, C4H9NH3PbClI2, C8H9NH3PbCl3,C8H9NH3PbBr3, C8H9NH3PbI3, C8H9NH3PbCl2Br, C8H9NH3PbClBr2, C8H9NH3PbBr2I, C8H9NH3PbBrI2,C8H9NH3PbCl2I, C8H9NH3PbClI2, CH3NH3SnCl3, CH3NH3SnBr3, CH3NH3SnI3, CH3NH3SnCl2Br,CH3NH3SnClBr2, CH3NH3SnBr2I, CH3NH3SnBrI2, CH3NH3SnCl2I, CH3NH3SnClI2, C4H9NH3SnCl3,C4H9NH3SnBr3, C4H9NH3SnI3, C4H9NH3SnCl2Br, C4H9NH3SnClBr2, C4H9NH3SnBr2I, C4H9NH3SnBrI2,C4H9NH3SnCl2I, C4H9NH3SnClI2, C8H9NH3SnCl3, C8H9NH3SnBr3, C8H9NH3SnI3, C8H9NH3SnCl2Br,C8H9NH3SnClBr2, C8H9NH3SnBr2I, C8H9NH3SnBrI2, C8H9NH3SnCl2I 和 C8H9NH3SnClI215
[0043]為了便于在透明導(dǎo)電層2上制備陽電極，在圖3所示的實(shí)施例中，可以使透明導(dǎo)電層2的一部分23延伸超過致密層3、多孔絕緣層4和多孔碳對電極層6而暴露出來。除此之外，圖3所示實(shí)施例與圖2所示的實(shí)施例基本相同。
[0044]此外，為了便于在多孔碳對電極層6上制備陰電極，在圖4所示的實(shí)施例中，還可以使多孔碳對電極層6的一部分61延伸超過其下的多孔絕緣層4、致密層3和透明導(dǎo)電層2而形成在透明襯底I上。并且，位于透明襯底I上的多孔碳對電極層6的一部分61與透明襯底上I的透明導(dǎo)電層2可以在透明襯底I的表面上相互間隔開，使得它們之間彼此絕緣。在實(shí)際的制備過程中，多孔碳對電極層6的該一部分61與透明襯底上I的透明導(dǎo)電層2之間也可以填充有致密層3。除此之外，圖4所示實(shí)施例與圖3所示的實(shí)施例基本相同。
[0045]在圖5所示的實(shí)施例中，透明導(dǎo)電層2具有相互間隔開而彼此絕緣的正極區(qū)域21和負(fù)極區(qū)域22。該正極區(qū)域21和負(fù)極區(qū)域22可以通過在一個完整的透明導(dǎo)電層2上刻蝕露出玻璃襯底I獲得?？涛g區(qū)域相當(dāng)于在正極區(qū)域21和負(fù)極區(qū)域22之間形成了一條絕緣帶12，如圖5所示。多孔碳對電極層6的一部分62、多孔絕緣層4和致密層3基本上形成在透明導(dǎo)電層2的負(fù)極區(qū)域22上。多孔碳對電極層6的另一部分61延伸超過多孔絕緣層
4、致密層3和透明導(dǎo)電層2的負(fù)極區(qū)域22而形成在透明導(dǎo)電層2的正極區(qū)域21上。在實(shí)際的制備過程中，絕緣帶12的區(qū)域也可以被致密層3填充。除此之外，圖5所示實(shí)施例與圖4所示的實(shí)施例基本相同。
[0046]在以上的圖1-5中，為了明顯地示出層狀結(jié)構(gòu)，太陽電池在豎向上的尺寸要比實(shí)際的大很多倍。而實(shí)際上，由于每一層的厚度在幾十納米到幾十微米之間，而每一層的平面尺寸基本在厘米量級，因此，太陽電池的各層幾乎都是平的，不會像圖4和5中的致密層3和多孔碳對電極層6那樣出現(xiàn)明顯的彎折。此外，在圖5中，為了明顯地示出透明導(dǎo)電層2的負(fù)極區(qū)域22和多孔碳對電極層6的另一部分61之間是明顯間隔開的，所以絕緣帶12的寬度也要比實(shí)際上的尺寸大，在實(shí)際制備過程中可以根據(jù)需要設(shè)置絕緣帶12的尺寸。
[0047]下面結(jié)合圖5所示的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，簡單描述本實(shí)用新型的制備方法。
[0048]提供表面具有透明導(dǎo)電層2的透明襯底I，通過刻蝕操作從透明導(dǎo)電層2分出兩個相互絕緣的正極區(qū)域21和負(fù)極區(qū)域22 ;然后在透明導(dǎo)電層2的負(fù)極區(qū)域22上形成半導(dǎo)體材料的致密層3。致密層3可以采用絲網(wǎng)印刷法制備，優(yōu)選采用文獻(xiàn)(Chin.Phys.Lett., 2006, 23 (9)，2606-2608)中公開的絲網(wǎng)印刷方法制備。接著在致密層3上形成多孔絕緣層4，再在多孔絕緣層4上和透明導(dǎo)電層2的正極區(qū)域21上形成一體的多孔碳對電極層6。例如可將多孔碳對電極層6的一部分62形成在多孔絕緣層4上，多孔碳對電極層6的另一部分61延伸超過多孔絕緣層4、致密層3和透明導(dǎo)電層2的負(fù)極區(qū)域22而形成在透明導(dǎo)電層2的正極區(qū)域21上。
[0049]其中，多孔絕緣層4和多孔碳對電極層6均可以采用絲網(wǎng)印刷法制成。在一個實(shí)施例中，可以在致密層3上通過絲網(wǎng)印刷法印刷一層Al2O3或ZrO2或SiO2漿料，在60_100°C烘干后，經(jīng)300-550°C燒結(jié)得到多孔絕緣層4。用于制備漿料的Al2O3, ZrO2或SiO2材料的形貌可以為納米顆粒、納米棒或納米線。
[0050]在采用絲網(wǎng)印刷法制備多孔碳對電極時，碳材料的漿料可以通過如下方式獲得:將粒徑范圍在10-2000nm之間的碳材料均勻分散于有機(jī)溶劑中，制成碳材料的質(zhì)量百分比濃度為10-60%，優(yōu)選為30%的漿料。其中，碳材料可以選自包括活性炭、碳黑、片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維或硬碳材料中的一種或多種。有機(jī)溶劑可以選自包括乙醇、丙醇、異丙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、二甘醇、甘油、松油醇、丙酮、1，4- 二氧六環(huán)、乙腈、3-甲氧基丙腈、乙二醇一甲醚、乙二醇二甲醚、乙二醇一乙醚、吡啶、乙二胺、嗎啉、甲酰胺、乙酰胺、N-甲基甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲亞砜、N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種，優(yōu)選為松油醇。
[0051]在多孔絕緣層4上制備好多孔碳對電極層6后，將具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料經(jīng)由多孔碳對電極層6填充到多孔絕緣層4內(nèi)部的孔隙中。例如可以將有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料制成旋涂液，通過旋涂法將有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料填充至多孔絕緣層4的孔隙中。旋涂液中有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料的質(zhì)量百分比濃度可以為5?45%，優(yōu)選為40%。旋涂液可以通過將等摩爾量的BX3 (B=Pb或Sn ；X=C1, Br, I)與有機(jī)碘化胺RNH3I(R=CH3, C4H9, C8H9)共同溶解在Y - 丁內(nèi)酯或N，N- 二甲基甲酰胺中制成。
[0052]將上述的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料填充到多孔絕緣層4內(nèi)部的孔隙中后，可以將制備好的太陽電池進(jìn)行封裝?？蛇x的封裝工序?yàn)樵谝烟畛溻}鈦礦材料的器件背面粘結(jié)一片熱熔膠膜，再用蓋玻片或薄玻璃片蓋上，熱壓密封固定。
[0053]在本實(shí)用新型中，可以根據(jù)將一片透明導(dǎo)電層刻蝕形成的彼此絕緣的導(dǎo)電層區(qū)域的數(shù)量，制作單塊鈣鈦礦基薄膜太陽電池或由多個單塊鈣鈦礦基薄膜太陽電池并聯(lián)而成的電池模塊。
[0054]由以上的描述可知，本實(shí)用新型通過采用絲網(wǎng)印刷法制備多孔碳對電極，極大地節(jié)約了成本，并有利于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦基薄膜太陽電池的工業(yè)化。與現(xiàn)有的鈣鈦礦基薄膜太陽電池相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:[0055]I)制作過程簡便易行、薄膜厚度容易控制。
[0056]2)電池制備成本顯著降低。
[0057]3)適于制備大面積鈣鈦礦基薄膜太陽電池。
[0058]下面結(jié)合更具體的實(shí)施例，詳細(xì)描述本實(shí)用新型的太陽電池的制備方法。
[0059]實(shí)施例1
[0060]在一塊導(dǎo)電玻璃上制備5個并聯(lián)的太陽電池，步驟如下:
[0061]導(dǎo)電玻璃刻蝕步驟:割制尺寸為20mm(a)X60mm(b)的導(dǎo)電玻璃，使用激光切割機(jī)沿著導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電層b方向上刻蝕4條平行的絕緣帶將導(dǎo)電玻璃分割為5塊子區(qū)域(每塊20mmX 12mm)。這5塊子區(qū)域分別用于制備一個單獨(dú)的太陽電池，最終形成的每個太陽電池的截面圖例如如圖5所示。再在導(dǎo)電玻璃(參見圖5，在圖5中導(dǎo)電玻璃由透明襯底I和透明導(dǎo)電層2形成)的導(dǎo)電層(參見圖5的透明導(dǎo)電層2 )上距離b邊一側(cè)邊緣6mm處刻蝕一條與該邊平行的絕緣帶(參見圖5的絕緣帶12),把導(dǎo)電玻璃分割為正極區(qū)域(6mmX60mm,參見圖5的正極區(qū)域21)和負(fù)極區(qū)域(14mmX60mm，參見圖5的負(fù)極區(qū)域22)，正、負(fù)極之間不能導(dǎo)通。導(dǎo)電玻璃的5塊子區(qū)域均具有一個正極區(qū)域和負(fù)極區(qū)域。刻蝕后的導(dǎo)電玻璃依次用洗滌劑、去離子水、乙醇超聲清洗。
[0062]絲網(wǎng)印刷制膜步驟:使用絲網(wǎng)印刷機(jī)，在洗凈的導(dǎo)電玻璃的負(fù)極區(qū)域(14mmX60mm)印刷一層尺寸為8_X60_的TiO2致密層漿料，經(jīng)80°C烘干、450°C燒結(jié)30分鐘后得到致密TiO2薄膜(參見圖5的致密層3)，薄膜厚度可在20-150nm之間任選；再在其表面印刷一層尺寸為8mmX60mm的Al2O3納米顆粒漿料，經(jīng)80°C烘干、450_550°C燒結(jié)30分鐘后得到Al2O3多孔薄膜(參見圖5的多孔絕緣層4)，薄膜厚度可在200-1500nm之間任選；在Al2O3多孔薄膜上印刷5塊尺寸均為6mmX IOmm的碳衆(zhòng)料,該5塊碳衆(zhòng)料分別位于導(dǎo)電玻璃的一塊子區(qū)域中，并且該碳漿料大部分(參見圖5的多孔碳對電極層6的一部分62)覆蓋在所制備的Al2O3表面，另一部分(參見圖5的多孔碳對電極層6的一部分61)覆蓋在導(dǎo)電玻璃的正極區(qū)域；經(jīng)801:烘干、350-550°C燒結(jié)30分鐘后得到多孔碳對電極(參見圖5的多孔碳對電極層6)。
[0063]鈣鈦礦填充步驟:將上述制備的器件滴加一定濃度的鈣鈦礦溶液，旋涂，真空干燥箱80°C保持I個小時。
[0064]封裝步驟:將熱熔膠膜、蓋玻片依次放入熱壓機(jī)中，熱壓15秒。即可得到一整塊電池構(gòu)成的鈣鈦礦基薄膜太陽電池。
[0065]以TiO2致密層厚度為50nm、厚度為8μπι的導(dǎo)電炭黑對電極為例，采用不同濃度的CH3NH3PbI3溶液，不同厚度的Al2O3多孔絕緣層，制得的太陽電池的光電化學(xué)性能測試結(jié)果見表I。
[0066]表I基于不同濃度的CH3NH3PbI3溶液和不同厚度的Al2O3多孔絕緣層制得的
[0067]鈣鈦礦基太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率
【權(quán)利要求】
1.一種鈣鈦礦基薄膜太陽電池，包括: 透明襯底； 在所述透明襯底上形成的透明導(dǎo)電層； 在所述透明導(dǎo)電層上形成的且為半導(dǎo)體材料的致密層； 在所述致密層上形成的多孔絕緣層； 在所述多孔絕緣層上形成的多孔碳對電極層；以及 填充在所述多孔絕緣層內(nèi)部的孔隙中的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬半導(dǎo)體吸光材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電層的一部分延伸超過所述致密層、所述多孔絕緣層和所述多孔碳對電極層而暴露出來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述多孔碳對電極層的一部分延伸超過其下的所述多孔絕緣層、所述致密層和所述透明導(dǎo)電層而形成在所述透明襯底上；并且，所述多孔碳對電極層的所述一部分與所述透明襯底上的所述透明導(dǎo)電層彼此絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電層具有彼此絕緣的正極區(qū)域和負(fù)極區(qū)域； 其中，所述多孔碳對電極層的一部分、所述多孔絕緣層和所述致密層基本上形成在所述透明導(dǎo)電層的所述負(fù)極區(qū)域上；所述多孔碳對電極層的另一部分延伸超過所述多孔絕緣層、所述致密層和所述透明導(dǎo)電層的所述負(fù)極區(qū)域而形成在所述透明導(dǎo)電層的所述正極區(qū)域上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述透明襯底為透明玻璃，并且，所述透明導(dǎo)電層為所述透明玻璃上的FTO薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述致密層為厚度在20-150nm之間的TiO2薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述多孔絕緣層為厚度在200-1500nm之間的Al2O3, ZrO2或SiO2材料的多孔層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述多孔碳對電極層為活性炭、碳黑、片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維或硬碳材料的多孔層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述多孔碳對電極層的厚度在5-10 μ m之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦基薄膜太陽電池，其特征在于，所述致密層、所述多孔絕緣層和所述多孔碳對電極層通過絲網(wǎng)印刷法形成。
【文檔編號】H01L51/48GK203536476SQ201320614230
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】孟慶波, 石將建, 李冬梅, 羅艷紅 申請人:中國科學(xué)院物理研究所