基于Zn_1-xCd_xS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于Zn1?xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)包括基底層（1），和在基底層（1）上依次設(shè)置的：透明導(dǎo)電層（2）、電子傳輸層Zn1?xCdxS層（3）、鈣鈦礦層（4）、空穴傳輸層（5）和金屬電極層（6）。本發(fā)明所述的電子傳輸層Zn1?xCdxS，無(wú)需高溫制備工藝，且可以通過(guò)成分調(diào)控與鈣鈦礦吸收層保持能帶匹配。所述電子傳輸層可通過(guò)反應(yīng)射頻共濺射或化學(xué)水浴沉積等方法獲得，制備工藝簡(jiǎn)單，耗能少，易于大面積推廣。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于綠色能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及以有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池，尤其涉及一種Zm-xCdxS固溶薄膜的I丐鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能光伏技術(shù)是綠色能源的重要組成部分，在當(dāng)前各個(gè)種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池以其高吸光度、高載流子迀移率、成本低廉、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)異特點(diǎn)，受到眾多科研人員的關(guān)注，并被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的新型光伏電池。目前鈣鈦礦型光伏電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)20 %以上，已經(jīng)達(dá)到商業(yè)硅電池同等水平。
[0003]目前鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池主要采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是基于T12的平面或多孔結(jié)構(gòu)，另一種是基于PED0T:PSS與PCBM等有機(jī)電荷傳輸層的平面結(jié)構(gòu)。其中，基于T12結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池需要一個(gè)高溫退火結(jié)晶的工藝流程，退火流程耗能高、工藝繁瑣，這些仍然制約著鈣鈦礦型太陽(yáng)電池的大面積應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決【背景技術(shù)】中鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池制備工藝復(fù)雜、電荷傳輸層成本高的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法。本發(fā)明的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有工藝簡(jiǎn)單，光電轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力。
[0005]具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提供一種基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)包括基底層(I)，和在基底層(I)上依次設(shè)置的:透明導(dǎo)電層(2)、電子傳輸層Zm-xCdxS層(3)、鈣鈦礦層
(4)、空穴傳輸層(5)和金屬電極層(6)。
[0007]本發(fā)明的鋅鎘硫固溶薄膜層設(shè)置在鈣鈦礦層上，作為電子傳輸層，充分結(jié)合硫化鎘和硫化鋅的特性，能夠發(fā)揮出優(yōu)良的電能導(dǎo)通的作用，使得本發(fā)明的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率更佳。因?yàn)?，單純的CdS薄膜禁帶寬度約為2.4eV，導(dǎo)致其在可見(jiàn)光的透光度并不理想;單純的ZnS薄膜的禁帶寬度約為3.7eV，屬于寬帶隙的半導(dǎo)體材料，可見(jiàn)光透光度高，但與鈣鈦礦導(dǎo)帶能級(jí)匹配不好。而Zm-xCdxS固溶薄膜可以兼具CdS和ZnS薄膜的特性，可在透光性能和與鈣鈦礦吸收層能級(jí)匹配等方面獲得最優(yōu)的整體光電性能。ZmiCdxS固溶薄膜表面平整、迀移率高、制備工藝溫度低，可以替代現(xiàn)有需要高溫(>450°C)燒結(jié)的T12電子傳輸層，降低鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備能耗，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的推廣應(yīng)用有著重要的意義。
[0008]進(jìn)一步，所述基底層(I)的材料為滿(mǎn)足耐溫在120°C以上且具有良好透光性的平整材料。優(yōu)選為玻璃、聚酰亞胺或聚酯薄膜。所述聚酯薄膜(PET)是以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯為原料的高分子塑料薄膜。此處所述的薄膜屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)于聚酯膜產(chǎn)品的常規(guī)叫法，并不限定基厚度，應(yīng)當(dāng)理解成任意符合制備太陽(yáng)能電池需要的PET膜均屬于所述薄膜概念內(nèi)的產(chǎn)品。這些材料滿(mǎn)足耐溫和透光性能的要求，且表面平整可用作本發(fā)明的電池基底。優(yōu)先的，基底的材料是玻璃，玻璃具有易獲得，成本低，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。所述良好透光的平整材料是指透光率大于60 %的材料，優(yōu)選大于80 %，更優(yōu)選大于90 %，最好是透光率大于92%。
[0009]進(jìn)一步，所述透明導(dǎo)電層(2)的材料為氧化銦錫(ITO)和摻氟氧化錫(FTO)中的一種或兩種。當(dāng)采用ITO和FTO兩種作為透明導(dǎo)電層時(shí)，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任意一種方法將兩者混合制備復(fù)合材料的導(dǎo)電層(2)。采用氧化銦錫或摻氟氧化錫具有透光率高，電阻低的特性，可使更多光照到達(dá)吸收層，并降低電池的串聯(lián)電阻，提高太陽(yáng)能電池輸出功率系數(shù)。
[0010]進(jìn)一步，所述電子傳輸層Zm—xCdxS層(3)的厚度為30-500nm。
[00?1 ] 進(jìn)一步，所述電子傳輸層Zni—xCdxS層(3)中的乂 = 0.1?0.9，在Zni—xCdxS薄膜的制備過(guò)程中，可以通過(guò)對(duì)沉積工藝控制獲得組成0〈χ〈1的Zm—xCdxS固溶薄膜，并且通常在60?200°C沉積溫度下即可獲得良好結(jié)晶性的Zm-xCdxS固溶薄膜，通過(guò)硫化鋅和硫化鎘的復(fù)合應(yīng)用改變了電子傳輸層的性質(zhì)，優(yōu)化了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光伏特性，最重要的是可以很好的降低太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝難度。優(yōu)選的，x = 0.4?0.7?？刂齐娮觽鬏攲又械匿\和鎘的用量比例，使得x = 0.4-0.7的時(shí)候，太陽(yáng)能電池具有更優(yōu)的光伏特性。
[0012]進(jìn)一步，所述電子傳輸層Zm—xCdxS層(3)的制備方法為化學(xué)水浴沉積(CBD)、磁控濺射沉積(MF)、熱蒸發(fā)法、原子層沉積(ALD)和超聲噴霧熱分解(USP)法中的任意一種。當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要將以上方法中的多種進(jìn)行組合應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)視為以上單一制層方法的等同方案。所述的電子傳輸層Zm—xCdxS層(3)亦可稱(chēng)之為Zm—xCdxS固溶薄膜。
[0013]進(jìn)一步，所述鈣鈦礦層(4)的化學(xué)通式為ABX3結(jié)構(gòu)。
[0014]其中A為甲胺基(CH3NH3+)，甲咪基(HC(NH2)2+)，Cs+陽(yáng)離子或它們?nèi)N離子以一定比例混合而成。
[0015]B為二價(jià)Pb2+和Sn2+中的一種或兩種。
[0016]X為一價(jià)Cl—、Br—和I—中的一種或幾種。
[0017]以上所述的鈣鈦礦層成分構(gòu)成的ABX3通式結(jié)構(gòu)，接受到光照時(shí)，能夠迅速的吸收學(xué)光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，同時(shí)由于鈣鈦礦激子束縛能的差異，載流子轉(zhuǎn)化為自由載流子，最終實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。同時(shí)，鈣鈦礦材料具有較高的載流子迀移率，較傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)體高出數(shù)倍，載流子擴(kuò)散效率高，材料性能好，壽命長(zhǎng)。
[0018]進(jìn)一步，所述鈣鈦礦層(4)的厚度為100-500nm。本發(fā)明優(yōu)選的鈣鈦礦層的厚度結(jié)合了制造經(jīng)驗(yàn)選擇100-500nm的厚度，使得太陽(yáng)能吸收和轉(zhuǎn)化率均保持最佳的范圍，降低太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻，提高太陽(yáng)能電池輸出能力。
[0019]進(jìn)一步，所述空穴傳輸層(5)的材料選自spiro-OMeTAD、P3HT、PEDOT: PSS、Cu1、M0O3中的任意一種。
[0020]進(jìn)一步，所述空穴傳輸層的厚度為30-200nm?？昭▊鬏攲泳哂休^好的給電子性，對(duì)于太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)化之后的電流輸出具有重要作用，本發(fā)明應(yīng)用的空穴傳輸層材料電子云分布廣，容易失去電子，對(duì)于載流子的流動(dòng)具有良好的推動(dòng)作用，結(jié)合太陽(yáng)能電池中鈣鈦礦層的材料及電子傳輸層的特性，空穴層厚度控制在30-200nm為宜，太陽(yáng)能電池電池輸出能力佳。
[0021]進(jìn)一步，、所述金屬電極層(6)的材料為金、銀、鋁和銅中的一種或幾種。但不限于此，還可以是其它導(dǎo)電性能良好的金屬材料，如鎳、鈦、鉻、鉬等。優(yōu)選應(yīng)用金、銀、鋁和銅，電阻低，傳導(dǎo)效果好，對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出具有良好的幫助作用。
[0022]本發(fā)明提供的基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備工藝，包括以下步驟:
[0023](I)取覆蓋有透明導(dǎo)電層的基底，并清洗覆蓋有透明導(dǎo)電層的基底。
[0024](2)在透明導(dǎo)電層上制備電子傳輸層Zm—xCdxS層，即Zm—xCdxS固溶薄膜，制備方法為化學(xué)水浴沉積(Cm))、磁控濺射沉積(MF)、熱蒸發(fā)法、原子層沉積(ALD)和超聲噴霧熱分解(USP)法中的任意一種。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，還可以采用上述方法的組合進(jìn)行制備工作，實(shí)現(xiàn)層內(nèi)的結(jié)構(gòu)變換，突破復(fù)合力，制備難度等問(wèn)題。
[0025](3)在Zm-xCdxS固溶薄膜上制備鈣鈦礦層，制備方法為溶液旋涂、溶液噴涂、蒸發(fā)法中的任一種。
[0026](4)在鈣鈦礦層上制備空穴傳輸層，制備方法為溶液旋涂、溶液噴涂、蒸發(fā)法中的任一種。
[0027](5)在空穴傳輸層上采用蒸發(fā)法制備金屬電極層。
[0028]本發(fā)明的制備鈣鈦礦的工藝將多種工藝結(jié)合應(yīng)用在一起，根據(jù)本發(fā)明的太陽(yáng)能電池的性質(zhì)選擇了合適的制備工藝，充分的將鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的各層結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)高效率的光伏作用，對(duì)于太陽(yáng)能電池的制備以及應(yīng)用于光伏轉(zhuǎn)化均具有重要的意義。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0030]1.本發(fā)明的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中采用Zm-xCdxS固溶薄膜作為電子傳輸層，同現(xiàn)有的T12電子傳輸層相比，其制備溫度低，工藝簡(jiǎn)單，光電性能佳，有利于降低電池器件的工藝復(fù)雜度。有效的解決了現(xiàn)有的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池制備工藝復(fù)雜、電荷傳輸層成本高的問(wèn)題。
[0031]2.本發(fā)明的太陽(yáng)能電池中，Zm-xCdxS固溶薄膜與鈣鈦礦層能級(jí)匹配好，特別是經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整的硫化鋅鎘中鋅原子和鎘原子的比例關(guān)系適宜，可以有效提高電池轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明制備的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)12.22%。
[0032]3.本發(fā)明的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的導(dǎo)電層、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層和電極層的厚度適宜，配合協(xié)同效應(yīng)好，在太陽(yáng)能電池光伏作用中起到了良好的協(xié)同增強(qiáng)作用，使用壽命和產(chǎn)品性能均較同類(lèi)產(chǎn)品更加突出。
【附圖說(shuō)明】
:
[0033]圖1是本發(fā)明的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2是實(shí)施例1制備的Zm—xCdxS薄膜樣品的表面形貌照片。
[0035]圖3是實(shí)施例1所制備的Zm-xCdxS薄膜樣品測(cè)得的透過(guò)率曲線(xiàn)。
[0036]圖4是實(shí)施例1所制備的樣品測(cè)得的電流電壓曲線(xiàn)。
[0037]圖5是實(shí)施例2所制備的樣品測(cè)得的電流電壓曲線(xiàn)。
[0038]圖6是實(shí)施例3所制備的樣品測(cè)得的電流電壓曲線(xiàn)。
[0039]圖7是實(shí)施例4所制備的樣品測(cè)得的電流電壓曲線(xiàn)。
[0040]圖8是對(duì)比例I所制備的樣品測(cè)得的電流電壓曲線(xiàn)。
[0041]圖9是對(duì)比例2所制備的樣品測(cè)得的電流電壓曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0042]部分專(zhuān)業(yè)名詞解釋如下:
[0043]spiro-OMeTAD: 2，2 ’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’_螺二芴，或者2,2’,7,7'-Tetraki s[N,N-di(4-methoxyphenyI)amino]-9,9’-spirobifluorene.
[0044]P3HT:聚(3-己基噻吩-2，5_二基)，或者Poly(3-hexylth1phene_2，5-diyl)
[0045]PEDOT: PSS，聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)，或者po Iy (3，4-ethylened1xyth1phene):poly(styrenesulfonate)
[0046]本發(fā)明中部分結(jié)構(gòu)層級(jí)的名稱(chēng)可以采用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)名稱(chēng)，也可以采用通俗技術(shù)術(shù)語(yǔ)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)常規(guī)知識(shí)更改結(jié)構(gòu)層的叫法，并不影響本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)舉例如下，基底層也叫基底;透明導(dǎo)電層也叫導(dǎo)電層；電子傳輸層Zm—xCdxS層⑶也叫Zn1-xCdxS電子傳輸層、電子傳輸層、Zn1-xCdxS固溶薄膜;空穴傳輸層也叫傳輸層;金屬電極層也叫電極、金屬電極、電極層。本發(fā)明中部分技術(shù)術(shù)語(yǔ)表述出現(xiàn)差異的可以采用上述說(shuō)明進(jìn)行一致性理解，并不影響本發(fā)明的技術(shù)方案本身的實(shí)現(xiàn)。
[0047]進(jìn)一步，本發(fā)明的制備方法中步驟(I)清洗過(guò)程采用有機(jī)溶劑、水等進(jìn)行清洗，可以清洗一次，也可以分多次清洗。多次清洗的時(shí)候可以用單一的溶劑進(jìn)行清洗，也可以用不同的溶劑進(jìn)行清洗。優(yōu)選的，清洗過(guò)程中采用超聲輔助清洗。上述有機(jī)溶劑可以選自以下溶劑中的一種或幾種:丙酮、丁酮、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、水、苯、甲苯、二甲苯、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、乙醚、石油醚、乙腈、啦啶、四氫呋喃、二氧六環(huán)、松香水、四氯化碳、氯仿、二氯甲烷、汽油、己烷、環(huán)己烷。
[0048]進(jìn)一步，步驟(I)采用溶劑清洗完成后，晾干或惰性氣體吹干。所述惰性氣體是已知的不和基底發(fā)生反應(yīng)的氣體，如氮?dú)狻鍤獾?，?yōu)選使用氮?dú)獯蹈伞?br>[0049]進(jìn)一步，步驟(I)樣品晾干或吹干后，用紫外線(xiàn)或臭氧中的一種或兩種處理樣品，實(shí)現(xiàn)樣品表現(xiàn)的活化。上述紫外線(xiàn)和/或臭氧處理稱(chēng)之為活化。經(jīng)過(guò)處理的樣品表面能提高，更容易結(jié)合上其它功能層結(jié)構(gòu)層。
[0050]當(dāng)然，本發(fā)明的基底樣品或者帶部分功能層的基底樣品，也可以不進(jìn)行清洗、活化，根據(jù)樣品表面實(shí)際附著能力選擇適當(dāng)?shù)奶幚砑纯伞?br>[0051 ] 進(jìn)一步，本發(fā)明制備方法步驟(2)中用于制備Zn1-xCdxS固溶薄膜的混合預(yù)制溶液包含適量的錦尚子、鋅尚子和硫兀素。優(yōu)選的，其中錦和鋅的原子比例為0.1-0.9:0.9-0.1。更優(yōu)選的，兩者比例為0.4?0.7:0.6-0.3。
[0052 ] 進(jìn)一步，上述混合預(yù)制溶液中硫元素以硫脲的形式存在。
[0053]進(jìn)一步，上述混合預(yù)制溶液由氯化鎘、氯化鋅、硫脲、酒石酸鈉、檸檬酸鈉配制而成。也可以理解為混合預(yù)制溶液含有相應(yīng)成分溶解后的離子。
[0054]進(jìn)一步，上述混合預(yù)制溶液中包含0.001-0.0111101/1的氯化鎘，0.001-0.0511101mo I /L的氯化鋅，0.01-0.0 5mo I /I的硫脲，0.1-0.3mo VL酒石酸鈉，0.1-0.3mo I /L的檸檬酸鈉。
[0055]進(jìn)一步，鈣鈦礦層按照現(xiàn)有技術(shù)采用溶液旋涂、溶液噴涂、蒸發(fā)法中的一種，將spiro-0MeTAD、P3HT、PED0T:PSS、Cu1、Mo03中的一種或幾種混合制備形成相應(yīng)的鈣鈦礦層。
[0056]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0057]實(shí)施例1
[0058]基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中基底(I)為玻璃，透明導(dǎo)電層(2)為氧化銦錫薄膜，電子傳輸層(3)為Zm-xCdxS固溶薄膜，鈣鈦礦層(4)為CH3NH3PbI3，空穴傳輸層(5)為有機(jī)材料sp iro-OMeTAD，金屬電極(6)為金。
[0059]制備方法:
[0060]a)將覆蓋有氧化銦錫的玻璃基底依次用洗滌劑、丙酮、乙醇超聲洗滌30分鐘，用氮?dú)鈽尨蹈?，并進(jìn)行紫外-臭氧處理5min。
[0061]b)Zm—xCdxS電子傳輸層的制備:
[0062 ]采用化學(xué)水浴沉積的方法制備。在常溫下配制化學(xué)沉積溶液，溶液中包含0.005mol/L的氯化鎘，0.02mol mol/L的氯化鋅，0.025moVL的硫脲，0.1moVL酒石酸鈉，0.lmol/L的檸檬酸鈉。將a)處理后的樣品放入沉積溶液中，并水浴加熱溶液至80°C，沉積60mino
[0063]采用X射線(xiàn)熒光光譜分析(XRF)樣品的成分，獲得的結(jié)果為Zn/Cd原子比例為0.68/0.32.
[0064]獲得的Zni—xCdxS電子傳輸層的表面掃描電鏡照片如圖2所不。
[0065]采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)檢測(cè)Zm-xCdxS層的可見(jiàn)光透過(guò)率，測(cè)試波長(zhǎng)范圍200?900nm，結(jié)果如圖3所示。
[0066]c)鈣鈦礦層的制備
[0067]采用溶液旋涂的方法制備。將1.35mmol的CH3NH3I和I.35mmol PbI2粉末溶解到ImL到二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，然后再往溶液中加入10yL二甲基亞砜(DMSO)溶液，取50yL該溶液滴在Zm-xCdxS電子傳輸層表面，使其充分的鋪展開(kāi)，然后旋轉(zhuǎn)樣品，隨后將樣品在100 °C下退火1min，獲得的薄膜厚度約400nm。
[0068]d)空穴傳輸層的制備
[0069]采用溶液旋涂的方法制備。將70mg spiro-0MeTAD、9.2mg的tBP，7mg的L1-TFSI溶于Iml的氯苯當(dāng)中，取50yL該溶液滴在鈣鈦礦層表面，使其充分的鋪展開(kāi)，然后4000rpm下旋轉(zhuǎn)樣品30s，即獲得約300nm厚的空穴傳輸層。
[0070]e)金屬電極的制備
[0071]在空穴傳輸層表面采用熱蒸發(fā)的方法制備金電極，電極厚度約80nm。
[0072]采用Keithley2400數(shù)字源表對(duì)電池器件進(jìn)行電流-電壓掃描分析，電池置于AM1.5G，光照強(qiáng)度為1000W/m2的AAA級(jí)的太陽(yáng)光模擬器條件下，獲得的電流電壓曲線(xiàn)結(jié)果如圖4所示，提取的光伏參數(shù)為開(kāi)路電壓1.02V，短路電流15.9mA/cm2，填充因子0.65，光電能量轉(zhuǎn)換效率10.62 %。
[0073]實(shí)施例2
[0074]基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為:基底(I)為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(簡(jiǎn)稱(chēng)PET)，透明導(dǎo)電層(2)為氧化銦錫薄膜，(3)為Zm—xCdxS電子傳輸層，鈣鈦礦層(4)為CH3NH3PbI3，空穴傳輸層(5)為有機(jī)材料spiro-OMeTAD，金屬電極(6)為金。
[0075]制備方法:
[0076]a)將覆蓋有氧化銦錫的PET基底依次用去離子水、乙醇清洗5分鐘，用氮?dú)鈽尨蹈桑?br>[0077]b)Zm—xCdxS電子傳輸層的制備:
[0078]采用化學(xué)水浴沉積的方法制備。在常溫下配制化學(xué)沉積溶液，溶液中包含0.00511101/1的氯化鎘，0.0111101 mol/L的氯化鋅，0.025mo VL的硫脲，0.Imo VL酒石酸鈉，0.lmol/L的檸檬酸鈉。將a)處理后的樣品放入沉積溶液中，并水浴加熱溶液至75°C，沉積60mino
[0079]采用X射線(xiàn)熒光光譜分析(XRF)樣品的成分，獲得的結(jié)果為Zn/Cd原子比例為0.57/0.43ο
[0080]其他步驟制備方法同實(shí)施例1。
[0081]對(duì)用上述方法獲得的電池器件進(jìn)行電流電壓測(cè)試，電流電壓曲線(xiàn)結(jié)果如圖5所示，提取的光伏參數(shù)為開(kāi)路電壓1.01V，短路電流14.1mA/cm2，填充因子0.49，光電能量轉(zhuǎn)換效率 7.01%ο
[0082]實(shí)施例3
[0083]基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為:基底(I)為玻璃，透明導(dǎo)電層(2)為氧化銦錫薄膜，(3)為Zm-xCdxS電子傳輸層，鈣鈦礦層(4)為CH3NH3PbI3,空穴傳輸層
(5)為有機(jī)材料spiro-OMeTAD，金屬電極(6)為金。
[0084]制備方法:
[0085]b)Zm—xCdxS電子傳輸層的制備:
[0086]采用化學(xué)水浴沉積的方法制備。在常溫下配制化學(xué)沉積溶液，溶液中包含
0.00511101/1的氯化鎘，0.0111101 mol/L的氯化鋅，0.025mo VL的硫脲，0.Imo VL酒石酸鈉，
0.lmol/L的檸檬酸鈉。將a)處理后的樣品放入沉積溶液中，并水浴加熱溶液至75°C，沉積60mino
[0087]其他步驟制備方法同實(shí)施例1。
[0088]對(duì)用上述方法獲得的電池器件進(jìn)行電流電壓測(cè)試，電流電壓曲線(xiàn)結(jié)果如圖6所示，提取的光伏參數(shù)為開(kāi)路電壓1.06V，短路電流18.1mA/cm2，填充因子0.64，光電能量轉(zhuǎn)換效率 12.22%。
[0089]實(shí)施例4
[0090]基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為:基底(I)為玻璃，透明導(dǎo)電層(2)為氧化銦錫薄膜，(3)為Zm-xCdxS電子傳輸層，鈣鈦礦層(4)為CH3NH3PbI3,空穴傳輸層(5)為有機(jī)材料P3HT，金屬電極(6)為金。
[0091]制備方法:
[0092]d)空穴傳輸層的制備:
[0093]采用溶液旋涂的方法制備。將20mgP3HT材料溶于Iml的氯苯當(dāng)中，取50yL該溶液滴在鈣鈦礦層表面，使其充分的鋪展開(kāi)，然后2000rpm下旋轉(zhuǎn)樣品30s，即獲得P3HT空穴傳輸層。
[0094]其他步驟制備方法同實(shí)施例3。
[0095]對(duì)用上述方法獲得的電池器件進(jìn)行電流電壓測(cè)試，電流電壓曲線(xiàn)結(jié)果如圖7所示，提取的光伏參數(shù)為開(kāi)路電壓0.94V，短路電流16.0mA/cm2，填充因子0.54，光電能量轉(zhuǎn)換效率 8.14%。
[0096]對(duì)比例I
[0097]基于純ZnS薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為:基底(I)為玻璃，透明導(dǎo)電層(2)為氧化銦錫薄膜，(3)為ZnS電子傳輸層，鈣鈦礦層(4)為CH3NH3PbI3，空穴傳輸層(5)為有機(jī)材料spiro-OMeTAD，金屬電極(6)為金。
[0098]制備方法:
[00"] b)ZnS電子傳輸層的制備:
[0100]采用化學(xué)水浴沉積的方法制備。在常溫下配制化學(xué)沉積溶液，溶液中包含
0.025mol/L的醋酸鋅鋅，0.03moVL的硫脲，0.072mol/L酒石酸鈉，0.02moVL的檸檬酸鈉。將a)處理后的樣品放入沉積溶液中，并水浴加熱溶液至80°C，沉積60min。
[0101]其他步驟制備方法同實(shí)施例1。
[0102]對(duì)用上述方法獲得的電池器件進(jìn)行電流電壓測(cè)試，電流電壓曲線(xiàn)結(jié)果如圖8所示，提取的光伏參數(shù)為開(kāi)路電壓0.98V，短路電流2.3mA/cm2，填充因子0.44，光電能量轉(zhuǎn)換效率
0.98%。
[0103]對(duì)比例2
[0104]基于低溫Ti02薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為:基底(I)為玻璃，透明導(dǎo)電層(2)為氧化銦錫薄膜，(3)為T(mén)i02電子傳輸層，鈣鈦礦層(4)為CH3NH3PbI3，空穴傳輸層(5)為有機(jī)材料spiro-OMeTAD，金屬電極(6)為金。
[0105]制備方法:
[0106]b)Ti02電子傳輸層的制備:
[0107]采用溶液旋涂的方法制備。將0.2mmol異丙醇鈦材料溶于Iml的異丙醇溶液中，取50yL該溶液滴在透明導(dǎo)電層(2)上，然后4000rpm下旋轉(zhuǎn)樣品30s，隨后樣品在100 °C下條件下干燥20min，即獲得Ti02電子傳輸層。
[0108]其他步驟制備方法同實(shí)施例1。
[0109]對(duì)用上述方法獲得的電池器件進(jìn)行電流電壓測(cè)試，電流電壓曲線(xiàn)結(jié)果如圖9所示，提取的光伏參數(shù)為開(kāi)路電壓0.79V，短路電流6.2mA/cm2，填充因子0.44，光電能量轉(zhuǎn)換效率2.18%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)包括基底層(I)，和在基底層(I)上依次設(shè)置的:透明導(dǎo)電層(2)、電子傳輸層Zn1-xCdxS層(3)、|丐鈦礦層(4)、空穴傳輸層(5)和金屬電極層(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述基底層(I)的材料為滿(mǎn)足耐溫在120°C以上且具有良好透光性的平整材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述透明導(dǎo)電層(2)的材料為氧化銦錫和摻氟氧化錫中的一種或兩種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述電子傳輸層Zni—xCdxS層(3 )的厚度為30-500nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述電子傳輸層Zm-xCdxS層(3)中的X=0.1?0.9，優(yōu)選為0.4?0.7。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述鈣鈦礦層(4)的化學(xué)通式為ABX3結(jié)構(gòu)； 其中A為甲胺基(CH3NH3+)，甲咪基(HC(NH2)2+)，Cs+陽(yáng)離子或它們?nèi)N離子以一定比例混合而成； B為二價(jià)Pb2+和Sn2+中的一種或兩種； X為一價(jià)Cl—、Br—和I—中的一種或幾種； 所述鈣鈦礦層(4)的厚度為100-500nm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述空穴傳輸層(5)的材料選自spiro-0MeTAD、P3HT、PED0T:PSS、Cu1、Mo03中的任意一種。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述空穴傳輸層的厚度為30-200nmo9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Zm—xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于:、所述金屬電極層(6)的材料為金、銀、鋁和銅中的一種或幾種。10.—種基于Zm-xCdxS固溶薄膜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備工藝，包括以下步驟: (I)取覆蓋有透明導(dǎo)電層的基底，并清洗覆蓋有透明導(dǎo)電層的基底； ⑵在透明導(dǎo)電層上制備電子傳輸層Zni—xCdxS層，即Zni—xCdxS固溶薄膜，制備方法為化學(xué)水浴沉積、磁控濺射沉積、熱蒸發(fā)法、原子層沉積和超聲噴霧熱分解法中的任意一種； (3)在Zm-xCdxS固溶薄膜上制備鈣鈦礦層，制備方法為溶液旋涂、溶液噴涂、蒸發(fā)法中的任一種； (4)在鈣鈦礦層上制備空穴傳輸層，制備方法為溶液旋涂、溶液噴涂、蒸發(fā)法中的任一種； (5)在空穴傳輸層上采用蒸發(fā)法制備金屬電極層。
【文檔編號(hào)】H01L51/42GK106025072SQ201610383663
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】劉江, 廖成, 梅軍, 葉勤燕, 何緒林
【申請(qǐng)人】中物院成都科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心