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      鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法

      文檔序號(hào):9525783閱讀:899來源:國知局
      鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明屬于太陽能電池制備領(lǐng)域,尤其涉及一種鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002]近年來,為了解決日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題,人們把目光投向了新能源的開發(fā)和利用上。在各種新能源技術(shù)中,光伏發(fā)電無疑是最具有前景的方向之一。傳統(tǒng)的硅基太陽能電池雖然實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,有著較為成熟的市場(chǎng),但其性價(jià)比還無法與傳統(tǒng)能源相競(jìng)爭(zhēng),并且制造過程中的污染和能耗問題影響了其廣泛應(yīng)用。因此,研究和發(fā)展高效率、低成本的新型太陽能電池十分必要。在眾多的新型太陽能電池里,鈣鈦礦薄膜太陽能電池因其具備高的光電轉(zhuǎn)換效率,以及制作材料低成本等優(yōu)勢(shì),成為新型太陽能電池中備受矚目的研究熱點(diǎn),吸引了眾多科研工作者的關(guān)注,還被《Science》評(píng)選為2013年十大科學(xué)突破之一。鈣鈦礦薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率在5年的時(shí)間內(nèi)從3.8%迅速提高到經(jīng)過認(rèn)證的19.3%(截止到2014年底),把染料敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等新型薄膜太陽電池甩在了身后。隨著鈣鈦礦太陽能電池效率紀(jì)錄不斷被刷新,人們開始更加關(guān)注該電池的穩(wěn)定性,使用壽命、重金屬元素鉛的替代和大面積柔性器件的制備等方面的研究。影響鈣鈦礦太陽能電池的效率和壽命的主要因素是平衡載流子在各層之間的傳輸及阻擋層,防止激子在電極界面復(fù)合猝滅的電子傳輸層。在已報(bào)道的高效率鈣鈦礦太陽能電池中,二氧化鈦是使用率最高的電子傳輸層材料。然而,當(dāng)前傳統(tǒng)技術(shù)制備的二氧化鈦傳輸層在紫外光照下,其表面的氧分子解吸附造成的器件不穩(wěn)定,這將嚴(yán)重制約的鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0003]為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種1102電子傳輸層比表面積大、熱穩(wěn)定性更高、光電轉(zhuǎn)化效率極大提高的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法。
      [0004]本發(fā)明提供了一種鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法,其包括依次層疊的透明導(dǎo)電襯底、Ti02電子傳輸層、I丐鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬對(duì)電極層,其中,電子傳輸層制備包括以下步驟:
      [0005]步驟a,提供表面清潔的透明襯底材料,采用原子層沉積技術(shù)在襯底材料表面沉積二氧化鈦致密薄膜;
      [0006]步驟b,采用分子層沉積技術(shù)在步驟a得到的二氧化鈦致密薄膜上沉積含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜;
      [0007]步驟c,將步驟b得到的材料在400-600°C下退火0.5_5h,得到Ti02電子傳輸層。
      [0008]本發(fā)明提供的鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法的有益效果是:
      [0009](1)本發(fā)明采用原子層沉積技術(shù)和分子層沉積技術(shù)制備的雙層納米結(jié)構(gòu)Ti02薄膜是由尺寸相對(duì)均勻的晶粒形成的一個(gè)密集互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),呈現(xiàn)出表面相對(duì)光滑且連續(xù)的形貌,與傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法制備的Ti02薄膜相比,不僅具有較高的結(jié)晶度,成膜均勻,而且阻抗較小,光生電流密度顯著提高,能顯著提升器件的光電轉(zhuǎn)化效率和熱穩(wěn)定性;
      [0010](2)本發(fā)明制備的雙層納米結(jié)構(gòu)1102薄膜作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池具有較高的填充因子及光電轉(zhuǎn)化效率,而且器件的穩(wěn)定性好;
      [0011](3)本發(fā)明制備的電子傳輸層可以通過調(diào)節(jié)沉積循環(huán)次數(shù)來精確控制致密二氧化鈦薄膜和多孔二氧化鈦薄膜的厚度;
      [0012](4)本發(fā)明制備的鈣鈦礦型太陽能電池,制備工藝設(shè)備簡(jiǎn)單,操作流程少,反應(yīng)條件溫和,生產(chǎn)效率高,成本和能耗較低,對(duì)生態(tài)環(huán)境無污染,而且可重復(fù)性好,適合于規(guī)?;瘧?yīng)用,有較大的工業(yè)應(yīng)用前景。
      【附圖說明】
      [0013]圖1為本發(fā)明實(shí)施例3中步驟B得到的含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜的XRD圖譜。
      [0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例3制備的鈣鈦礦型太陽能電池的伏安特性曲線。
      【具體實(shí)施方式】
      [0015]本發(fā)明提供了一種鈣鈦礦型太陽能電池的制備方法,其包括依次層疊的透明導(dǎo)電襯底、Ti02電子傳輸層、I丐鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬對(duì)電極層,其中,電子傳輸層制備包括以下步驟:
      [0016]步驟a,提供表面清潔的透明襯底材料,采用原子層沉積技術(shù)在襯底材料表面沉積二氧化鈦致密薄膜;
      [0017]步驟b,采用分子層沉積技術(shù)在步驟a得到的二氧化鈦致密薄膜上沉積含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜;
      [0018]步驟c,將步驟b得到的材料在400-600°C下退火0.5_5h,得到Ti02電子傳輸層。
      [0019]優(yōu)選的,所述步驟a包括超聲波清洗透明導(dǎo)電襯底并烘干,紫外臭氧處理,得到表面清潔的透明襯底材料。
      [0020]優(yōu)選的,所述的襯底材料為摻雜氟的二氧化硅導(dǎo)電玻璃,即FT0導(dǎo)電玻璃,銦錫氧化物導(dǎo)電玻璃,即ΙΤ0導(dǎo)電玻璃,摻鋁的氧化鋅導(dǎo)電玻璃,即ΑΖ0導(dǎo)電玻璃,中的一種。
      [0021]優(yōu)選的,所述鈣鈦礦吸光層為具有ABXJh型晶體結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成,其中,A為C_3或 C 4H9NH3,B 為 Pb 或 Sn,X、Y 為 Cl、Br 或 I,m 為 1、2 或 3。
      [0022]優(yōu)選的,所述空穴傳輸層為N1、W03、Spiro-OMeTAD或PTAA。
      [0023]優(yōu)選的,所述電子傳輸層厚度為120-600nm,鈣鈦礦吸光層厚度為300_2000nm,空穴傳輸層厚度為50-400nm,金屬對(duì)電極層厚度為40_120nm。
      [0024]優(yōu)選的,所述步驟a包括,
      [0025]步驟al,將表面清潔的襯底材料放入溫度為80-200°C的原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中,用50_100sccm高純氮?dú)獯祾?_10min ;
      [0026]步驟a2,將純度大于97%的TiCl4或四異丙醇鈦加熱至60-100 °C形成TiCl 4或四異丙醇鈦蒸氣,并以脈沖形式將TiCl4或四異丙醇鈦蒸氣送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.05-0.2s,暴露時(shí)間為8-15s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為15_30s ;
      [0027]步驟a3,將去離子水以脈沖形式送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.02-0.05s,暴露時(shí)間為8-l5s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為15-30S,完成一次沉積循環(huán),即在二氧化鈦致密薄膜表面沉積了一層致密二氧化鈦薄膜;
      [0028]步驟a4,重復(fù)步驟a2_a3的沉積循環(huán)1000-5000次。
      [0029]優(yōu)選的,所述步驟c中每個(gè)沉積循環(huán)使得到的致密二氧化鈦薄膜厚度增加為
      0.09-0.15nm。
      [0030]優(yōu)選的,所述步驟b包括,
      [0031]步驟bl,將步驟a得到的表面沉積有二氧化鈦致密薄膜的襯底材料放入溫度為80-150°C的原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中,用50-100sccm高純氮?dú)獯祾?_30min ;
      [0032]步驟b2,將TiCl4或四異丙醇鈦加熱至60-100°C形成TiCl 4或四異丙醇鈦蒸氣,并以脈沖形式將TiCl4或四異丙醇鈦蒸氣送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.05-0.2s,暴露時(shí)間為8-15s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為15-30s ;
      [0033]步驟b3,將二元醇或多元醇加熱至100-200°C形成二元醇或多元醇蒸氣,再以脈沖形式送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.Ι-ls,暴露時(shí)間為20-45s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為30-45S,完成一次沉積循環(huán),即在襯底材料表面沉積了一層含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜;
      [0034]步驟b4,重復(fù)步驟b2-b3的沉積循環(huán)100-20000次。
      [0035]進(jìn)一步優(yōu)選的,所述步驟b3中二元醇為乙二醇、丙二醇或丁二醇中的一種;多元醇為丙三醇、三羥甲基乙烷、季戊四醇、木糖醇或山梨醇中的一種。
      [0036]進(jìn)一步優(yōu)選的,所述步驟b3中每個(gè)沉積循環(huán)使得到的含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜厚度增加為 0.06-0.12nm。
      [0037]進(jìn)一步優(yōu)選的,所述步驟b4中重復(fù)步驟b2_b3的沉積循環(huán)1000-10000次。
      [0038]優(yōu)選的,所述步驟c中得到Ti02電子傳輸層的比表面積為60_400m2/g,孔隙尺度在 8-lOnm。
      [0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例,進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。當(dāng)然所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例,而不是全部實(shí)施例,基于本發(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
      [0040]實(shí)施例1
      [0041]步驟a,超聲波清洗FT0導(dǎo)電玻璃并烘干,紫外臭氧處理后待用,利用原子層沉積技術(shù)在清潔的FT0導(dǎo)電玻璃上沉積厚度為120nm的二氧化鈦致密薄膜。具體步驟包括:
      [0042]al,將表面清潔的FT0導(dǎo)電玻璃放入溫度為80_200°C的原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中,用50-100sccm高純氮?dú)獯祾?min ;
      [0043]a2,將純度大于97%的TiCl4加熱至65°C形成TiCl 4蒸氣,并以脈沖形式將TiCl 4蒸氣送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.05s,暴露時(shí)間為8s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為15s ;
      [0044]a3,將去離子水以脈沖形式送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.02s,暴露時(shí)間為8s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為15s,完成一次沉積循環(huán),即在襯底材料表面沉積了一層二氧化鈦致密薄膜;
      [0045]a4,重復(fù)步驟a2_a3的沉積循環(huán)1500次。
      [0046]步驟b,利用分子層沉積技術(shù)在二氧化鈦致密薄膜上沉積厚度為180nm的含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜。具體步驟包括:
      [0047]bl,將步驟a得到的表面沉積有二氧化鈦致密薄膜的FT0導(dǎo)電玻璃放入溫度為80°C的原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中,用50sccm高純氮?dú)獯祾?min ;
      [0048]b2,將純度為97%的TiCl4加熱至60°C形成TiCl 4蒸氣,并以脈沖形式將TiCl 4蒸氣送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.05s,暴露時(shí)間為8s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為15s ;
      [0049]b3,將乙二醇加熱至100°C形成乙二醇蒸氣,再以脈沖形式送入反應(yīng)腔體,脈沖時(shí)間為0.ls,暴露時(shí)間為20s,再用高純氮?dú)獯祾?,吹掃時(shí)間為30s,完成一次沉積循環(huán),即在二氧化鈦致密薄膜表面沉積了一層含鈦有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膜;
      [0050]b4,依此方法重復(fù)此沉積循環(huán)3000次。
      [0051]步驟c,將步驟b得到的材料在500°C下退火lh,得到Ti02電子傳輸層。
      [0052
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