以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池及制備方法
【專利摘要】以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池及制備，涉及太陽能電池。太陽能電池自下至上依次設(shè)有透明導(dǎo)電玻璃襯底、ZnO電子傳輸層、鈣鈦礦型材料層、空穴傳輸層和金屬背電極層。將襯底預(yù)處理，在襯底上制備ZnO薄膜，再加熱，退火，即濺射ZnO電子傳輸層；配制PbI2的DMF溶液，再旋涂在電子傳輸層上制得PbI2薄膜，然后浸入CH3NH3I的異丙醇溶液，即得鈣鈦礦型材料層；將2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶溶解在氯苯溶液中，再旋涂在鈣鈦礦型材料層上，制得空穴傳輸層，再制備金屬背電極層，即得。
【專利說明】以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池及制備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能電池，特別是涉及一種以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太 陽能電池及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗越來越多，其中像石油資源越來越少，能源問題必 將會成為今后的一個重大問題。太陽能為可再生資源，且具有取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，因 此太陽能電池的發(fā)展具有重要的意義。但是現(xiàn)今的太陽能電池要不光電轉(zhuǎn)換效率低，要不 成本太高。目前，硅太陽能電池具有較高的效率，但是在制備過程中需高溫、高真空，成本非 常高。有機(jī)聚合物太陽能電池具有成本較低、無毒、制備容易、可大面積柔性制造等特點(diǎn)，但 其光電轉(zhuǎn)換效率還較低。
[0003] 鈣鈦礦型太陽能電池，為光伏領(lǐng)域的一個新成員，其吸光材料是基于有機(jī)-無機(jī) 雜化的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（最常見的為CH 3NH3PbI3)的半導(dǎo)體材料，吸光范圍寬，且自身具有高的 載流子遷移率及較長的載流子壽命，光生電子和空穴能夠遷移較長的距離，有利于其被外 電路收集形成電流，因而電池能夠獲得高的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004] 目前，基于CH3NH3PbI3的鈣鈦礦型電池通常采用TiO 2作為電子傳輸層，并且能夠獲 得比較高的效率。但是此TiO2電子傳輸層結(jié)構(gòu)需要兩層結(jié)構(gòu)，一層為致密的TiO 2層，一層 為介孔結(jié)構(gòu)的TiO2層，而且都需要高達(dá)500°C溫度燒結(jié)制備，兩層厚度300nm以上，工藝較 為復(fù)雜。
[0005] 而采用濺射ZnO薄膜作為電子傳輸層，僅需要20nm以上，同時僅需一層，制備工藝 較為簡單，且具有較高的效率。
[0006] 中國專利CN104091888A公開一種鈣鈦礦型太陽能電池及其制備方法。所述鈣鈦 礦型太陽能電池由FTO玻璃基底、三明治結(jié)構(gòu)Ti0 2/Zn0/Ti02致密層、TiO2介孔/鈣鈦礦結(jié) 構(gòu)材料活性吸光層、spiro-OMeTAD空穴傳輸層與金電極組成。
[0007] 中國專利CN104051629A公開一種基于噴涂工藝制備鈣鈦礦型太陽能電池的方 法，具體為通過在透明導(dǎo)電基底上依次噴涂空穴傳輸層、鈣鈦礦活性層、電子傳輸層以及頂 電極而制備得到。通過改變噴涂工藝的不同參數(shù)，可以實現(xiàn)對器件質(zhì)量及性能的調(diào)控。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池及 其制備方法。
[0009] 所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池設(shè)有透明導(dǎo)電玻璃襯底、 ZnO電子傳輸層、I丐鈦礦型材料層、空穴傳輸層和金屬背電極層，透明導(dǎo)電玻璃襯底、ZnO電 子傳輸層、興鈦礦型材料層、空穴傳輸層和金屬背電極層從下至上依次疊層；
[0010] 所述鈣鈦礦型材料層為CH3NH3PbI3層，所述空穴傳輸層為2, 2'，7, 7' -四[N，N-二 (4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺二芴（spiro-MeOTAD)空穴傳輸層；所述金屬背電極層為 Au背電極層或Ag背電極層。
[0011] 所述透明導(dǎo)電玻璃襯底可采用銦錫氧化物（ITO)為導(dǎo)電層的導(dǎo)電玻璃襯底，所述 透明導(dǎo)電玻璃襯底的厚度可為100?150nm。
[0012] 所述ZnO電子傳輸層的厚度可為20?120nm。
[0013] 所述鈣鈦礦型材料層的厚度可為20?120nm。
[0014] 所述空穴傳輸層的厚度可為40?60nm。
[0015] 所述金屬背電極層的厚度可為60?150nm。
[0016] 所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法，包括以下步 驟：
[0017] 1)將透明導(dǎo)電玻璃襯底去除油脂和有機(jī)物，然后超聲洗滌，氮?dú)獯蹈?，即得預(yù)處理 后的透明導(dǎo)電玻璃襯底；
[0018] 2)在步驟1)所得預(yù)處理后的透明導(dǎo)電玻璃襯底上制備ZnO薄膜，再加熱，退火，即 溉射ZnO電子傳輸層；
[0019] 3)配制PbI2的DMF溶液，再將PbI2的DMF溶液旋涂在ZnO電子傳輸層上，制得黃 色的PbI 2薄膜，干燥后將PbI2薄膜浸入CH3NH3I的異丙醇溶液，然后用異丙醇漂洗，氮?dú)獯?干，即得棕色CH 3NH3PbI3層；
[0020] 4)將 2, 2'，7, 7' -四[N，N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9' -螺二芴 (spiro-MeOTAD)、二（三氟甲基磺酸酰）亞胺鋰（Li-TFSI)的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶 (TBP)溶解在氯苯溶液中，再旋涂在CH 3NH3PbI3層上，制得空穴傳輸層；
[0021] 5)在空穴傳輸層上制備金屬背電極層，即制得鈣鈦礦型太陽能電池。
[0022] 在步驟1)中，所述透明導(dǎo)電玻璃襯底的尺寸可為25mmX25mm ;所述去除油脂和有 機(jī)物可采用洗潔精和去離子水洗滌15min ;所述超聲洗滌可依次用丙酮、乙醇、去離子水超 聲洗漆l〇min。
[0023] 在步驟2)中，所述制備ZnO薄膜的方法可采用磁控濺射法制得所需厚度的ZnO薄 膜；所述加熱的條件可在150°C下加熱lOmin。
[0024] 在步驟3)中，所述配制PbI2的DMF溶液的溫度可在70°C下；所述PbI 2的DMF溶 液的摩爾濃度可為lmol/L ;所述旋涂可采用勻膠機(jī)旋涂；所述干燥的時間可為5min ;所述 CH3NH3I的異丙醇溶液的質(zhì)量濃度可為10mg/mL。
[0025] 在步驟4)中，所述2, 2'，7, 7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺二 芴（spiro-MeOTAD)、二（三氟甲基磺酸酰）亞胺鋰（Li-TFSI)的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶 0^)的配比可為8〇11^:17.541^:28.541^，其中，2,2'，7,7'-四隊^二（4-甲氧基 苯基）氨基]_9,9'_螺二芴（spiro-MeOTAD)以質(zhì)量計算，二（三氟甲基磺酸酰）亞胺鋰 (Li-TFSI)的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶（TBP)以體積計算，所述二（三氟甲基磺酸酰）亞 胺鋰（Li-TFSI)的乙腈溶液的質(zhì)量濃度可為520mg/ml ;所述旋涂可通過溶液旋涂的方法。
[0026] 在步驟5)中，所述在空穴傳輸層上制備金屬背電極層的方法可為：在4X KT4真空 條件下采用熱蒸鍍法在空穴傳輸層上制備金屬背電極層。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0028] 1、在鈣鈦礦型太陽能電池中采用濺射ZnO為電子傳輸層，此濺射ZnO薄膜具有優(yōu) 選c軸取向和低缺陷濃度，具有較高的電子傳輸能力，電荷分離出的電子能夠較為有效地 被外電路收集形成電流，光電轉(zhuǎn)換效率較高。
[0029] 2、本發(fā)明以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，制作簡便，僅需一層， 且厚度較低（120nm以下），不需要兩層。
[0030] 3、本發(fā)明以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的鈣鈦礦型太陽能電池實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0032] 實施例1 :
[0033] -種以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，如圖1所示，由透明導(dǎo)電 玻璃襯底1、電子傳輸層2、|丐鈦礦型材料層3、空穴傳輸層4和Au/Ag金屬背電極層5組 成并依次構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)，所述透明導(dǎo)電玻璃襯底1為ITO導(dǎo)電玻璃；電子傳輸層2為濺射 ZnO薄膜，厚度為40nm ;鈣鈦礦型材料層3為CH3NH3PbI3層，厚度為300nm ;空穴傳輸層4為 2, 2'，7, 7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺二芴（spiro-MeOTAD)層，厚度為 40nm ;金屬背電極層5為Ag,厚度為100nm。
[0034] 實施例2 :
[0035] -種以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，由透明導(dǎo)電玻璃襯底、電 子傳輸層、鈣鈦礦型材料層、空穴傳輸層和Au/Ag金屬背電極層組成并依次構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)， 所述透明導(dǎo)電玻璃襯底為ITO導(dǎo)電玻璃；電子傳輸層為濺射ZnO薄膜，厚度為20nm ;鈣鈦礦 型材料層為CH3NH3PbI3層，厚度為300nm ;空穴傳輸層為2, 2'，7, 7' -四[N，N-二（4-甲氧基 苯基）氨基]-9, 9' -螺二莉（spiro-MeOTAD)層，厚度為40nm ;金屬背電極層為Ag,厚度為 60nm〇
[0036] 實施例3 :
[0037] -種以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，由透明導(dǎo)電玻璃襯底、電 子傳輸層、鈣鈦礦型材料層、空穴傳輸層和Au/Ag金屬背電極層組成并依次構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)， 所述透明導(dǎo)電玻璃襯底為ITO導(dǎo)電玻璃；電子傳輸層為濺射ZnO薄膜，厚度為120nm ;鈣鈦 礦型材料層為CH3NH3PbI3層，厚度為300nm ;空穴傳輸層為2, 2'，7, 7' -四[N，N-二（4-甲氧 基苯基）氨基]-9, 9' -螺二芴（spiro-MeOTAD)層，厚度為40nm ;金屬背電極層為Au,厚度 為 60nm。
[0038] 實施例4 :
[0039] -種以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，如圖1所示，由透明導(dǎo)電 玻璃襯底、電子傳輸層、I丐鈦礦型材料層、空穴傳輸層和Au/Ag金屬背電極層組成并依次 構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)，所述透明導(dǎo)電玻璃襯底為ITO導(dǎo)電玻璃；電子傳輸層為濺射ZnO薄膜，厚 度為40nm ;鈣鈦礦型材料層為CH3NH3PbI3層，厚度為300nm ;空穴傳輸層為2, 2'，7, 7' -四 [N，N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9' -螺二芴（spiro-MeOTAD)層，厚度為40nm ;金屬背 電極層為Au,厚度為150nm。
[0040] 以下給出測試結(jié)果：鈣鈦礦型太陽能電池制備完成后，將Au(Ag)陰極一端接電流 表正極，ITO陽極一端接電流表負(fù)極。測試數(shù)據(jù)見表1。
[0041] 表 I
[0042]

【權(quán)利要求】
1. 以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，其特征在于設(shè)有透明導(dǎo)電玻璃襯 底、ZnO電子傳輸層、I丐鈦礦型材料層、空穴傳輸層和金屬背電極層，透明導(dǎo)電玻璃襯底、ZnO 電子傳輸層、I丐鈦礦型材料層、空穴傳輸層和金屬背電極層從下至上依次疊層； 所述鈣鈦礦型材料層為CH3NH3PbI3層，所述空穴傳輸層為2, 2'，7, 7'-四[N，N-二 (4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9' -螺二芴（spiro-MeOTAD)空穴傳輸層；所述金屬背電極層為 Au背電極層或Ag背電極層。
2. 如權(quán)利要求1所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，其特征在于所 述透明導(dǎo)電玻璃襯底采用銦錫氧化物為導(dǎo)電層的導(dǎo)電玻璃襯底。
3. 如權(quán)利要求1所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池，其特征在于所 述透明導(dǎo)電玻璃襯底的厚度為100?150nm，所述ZnO電子傳輸層的厚度為20?120nm，所 述隹丐鈦礦型材料層的厚度為20?120nm，所述空穴傳輸層的厚度為40?60nm，所述金屬背 電極層的厚度為60?150nm。
4. 如權(quán)利要求1?3任一所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備 方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 將透明導(dǎo)電玻璃襯底去除油脂和有機(jī)物，然后超聲洗滌，氮?dú)獯蹈?，即得預(yù)處理后的 透明導(dǎo)電玻璃襯底； 2) 在步驟1)所得預(yù)處理后的透明導(dǎo)電玻璃襯底上制備ZnO薄膜，再加熱，退火，即濺射 ZnO電子傳輸層； 3) 配制PbI2的DMF溶液，再將PbI2的DMF溶液旋涂在ZnO電子傳輸層上，制得黃色的 PbI2薄膜，干燥后將PbI2薄膜浸入CH3NH3I的異丙醇溶液，然后用異丙醇漂洗，氮?dú)獯蹈?，?得棕色CH 3NH3PbI3層； 4) 將2, 2'，7, 7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺二芴、二（三氟甲基磺 酸酰）亞胺鋰的乙腈溶液、4-叔丁基吡啶溶解在氯苯溶液中，再旋涂在CH3NH 3PbI3層上，制 得空穴傳輸層； 5) 在空穴傳輸層上制備金屬背電極層，即制得鈣鈦礦型太陽能電池。
5. 如權(quán)利要求4所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法，其 特征在于在步驟1)中，所述去除油脂和有機(jī)物采用洗潔精和去離子水洗滌15min ;所述超 聲洗滌可依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲洗滌l〇min。
6. 如權(quán)利要求4所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法，其 特征在于在步驟2)中，所述制備ZnO薄膜的方法采用磁控濺射法制得所需厚度的ZnO薄 膜。
7. 如權(quán)利要求4所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法，其 特征在于在步驟2)中，所述加熱的條件是在150°C下加熱lOmin。
8. 如權(quán)利要求4所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法，其 特征在于在步驟3)中，所述配制PbI2的DMF溶液的溫度是在70°C下；所述PbI 2的DMF溶 液的摩爾濃度可為lmol/L ;所述旋涂可采用勻膠機(jī)旋涂；所述干燥的時間可為5min ;所述 CH3NH3I的異丙醇溶液的質(zhì)量濃度可為10mg/mL。
9. 如權(quán)利要求4所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法， 其特征在于在步驟4)中，所述2, 2'，7, 7'-四[N，N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺 二芴（spiro-MeOTAD)、二（三氟甲基磺酸酰）亞胺鋰（Li-TFSI)的乙腈溶液、4-叔丁基吡 啶0^)的配比為8〇11^:17.54 1^:28.54 1^，其中，2,2'，7,7'-四隊^二（4-甲氧基 苯基）氨基]_9,9'_螺二芴（spiro-MeOTAD)以質(zhì)量計算，二（三氟甲基磺酸酰）亞胺鋰 (Li-TFSI)的乙腈溶液和4-叔丁基吡啶（TBP)以體積計算，所述二（三氟甲基磺酸酰）亞 胺鋰（Li-TFSI)的乙腈溶液的質(zhì)量濃度可為520mg/ml ;所述旋涂可通過溶液旋涂的方法。
10.如權(quán)利要求4所述以濺射ZnO為電子傳輸層的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法，其 特征在于在步驟5)中，所述在空穴傳輸層上制備金屬背電極層的方法為：在4X KT4真空條 件下采用熱蒸鍍法在空穴傳輸層上制備金屬背電極層。
【文檔編號】H01L51/48GK104319349SQ201410587279
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】梁祿生, 陳偉中, 王保增, 蔡龍華, 陳凱武, 蔡耀斌, 白華, 田清勇, 范斌 申請人:廈門惟華光能有限公司