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CN103682153B - 用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属‑绝缘层‑半导体背接触界面结构及其制备方法 - Google Patents

用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属‑绝缘层‑半导体背接触界面结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属‑绝缘层‑半导体背接触界面结构及其制备方法。本界面结构是在有机卤化铅薄膜上利用原子层沉积等手段沉积一层厚度可控的均匀氧化物绝缘层，用于修饰和调控薄膜太阳能电池背接触，达到提高太阳能电池性能的效果。本发明突破了钙钛矿型有机卤化铅薄膜电池的传统背接触结构，在无需高掺杂的情况下实现了良好的背接触，并提高了太阳能电池光电转换效率。本发明的电池界面结构还可用在其它对于材料和界面有苛刻要求的电子器件中。

Description

用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属-绝缘层-半 导体背接触界面结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，特别是涉及一种钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池背接触界面结构及其制备方法。
背景技术
传统无机半导体太阳能电池存在高成本、高污染等问题，因此有必要寻找易于合成、低成本和环境友好的新材料，用于第三代薄膜太阳能电池。
钙钛矿型有机卤化铅材料（比如CH3NH3Pb（I,Br,Cl）3）在近年来以其优异的光电性能、易于合成的性质吸引了众多科研人员的注意和研究兴趣。通过努力，目前国际上基于该材料和有机空穴传输材料的薄膜太阳能电池的效率已经达到15%，具有很大的应用潜力。但目前，有机空穴传输材料成本高昂，且不利于电池的无机化进程。故从长远角度出发，无空穴传输材料的薄膜太阳能电池具有更大的吸引力，因为这样成本更低，且电池结构更简单，电池生产更便利。
基于钙钛矿型有机卤化铅的无空穴传输材料的薄膜太阳能电池存在一个新的界面，即金属-半导体（MS）界面，形成肖特基势垒，严重影响电池效率。在半导体器件技术中，为避免金属半导体界面的自由载流子的严重复合以及优化载流子传输，需要在金属半导体界面构筑欧姆接触。
传统构筑欧姆接触的方式主要是对界面处半导体侧进行重掺杂，以降低其耗尽区宽度，实现电子隧穿。但钙钛矿型有机卤化铅材料具有不耐高温、不耐极性溶剂等不稳定的自组装材料特性，且目前尚未有较为系统的掺杂研究，这使得对其进行重掺杂存在很大的困难。
发明内容
为了克服上述钙钛矿型有机卤化铅材料难于重掺杂以及高温不稳定等特性，本发明提供了一种用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属-绝缘层-半导体背接触结构及其实现方法，能够在钙钛矿型有机卤化铅材料上成功沉积超薄绝缘层，并可提高太阳能电池的性能。
本发明的钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属-绝缘层-半导体背接触结构主要由有机卤化铅半导体、超薄绝缘层和金电极构成，其中半导体和金电极可分别通过传统的旋涂和蒸镀工艺实现，关键在于超薄绝缘层的沉积，本发明可采用原子层沉积方法（ALD）、物理气相沉积（PVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子化学气相沉积（MWCVD）等方法实现。在有机卤化铅半导体薄膜上沉积出了一层均匀的金属氧化物超薄膜（1nm），实现了上述背接触结构。
本发明沉积方法所采用的技术方案是：
步骤一：在洗净的FTO透明导电玻璃上通过丝印的方式依次沉积上TiO2导电底层和多孔层；
步骤二：通过旋涂的方式在TiO2薄膜上沉积钙钛矿型有机卤化铅薄膜；
步骤三：通过ALD、PVD、PECVD、CVD、MWCVD等手段在上述钙钛矿型有机卤化铅薄膜上沉积超薄绝缘层；
步骤四：蒸镀金属电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是避免了对钙钛矿有机卤化铅材料进行难度较大的重掺杂，且在低温以及无极性溶剂的条件下实现了在钙钛矿型有机卤化铅薄膜表面进行超薄均匀绝缘层的沉积，实现了金属-绝缘层-半导体背接触，并提高了太阳能电池效率。
附图说明
图1为金属-绝缘层-半导体背接触的有机卤化铅薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2为通过原子层沉积技术构筑金属-绝缘层-半导体背接触前后有机卤 化铅薄膜太阳能电池的电流-电压曲线对比；
图3为构筑金属-绝缘层-半导体背接触前后电池内量子效率谱对比；
图4为构筑金属-绝缘层-半导体背接触前后电荷传输性能、电容性能以及半导体内耗尽层宽度对比；
图5a为原子层沉积超薄绝缘层过程示意图，图5b为三维电池结构示意图（b），其中箭头1表示沉积第一步反应物为有机金属前驱物，箭头2表示第二步反应物H2O，箭头3表示尾气抽出。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图5给出了在钙钛矿型有机卤化铅薄膜上原子层沉积超薄氧化物绝缘层的实验过程示意图。
首先对薄膜衬底进行一定温度的加热（80℃）并对沉积腔体抽真空，到低真空即可，一般控制在1Pa左右合适。
然后通过控制，向腔体通入第一步反应物——有机金属前驱物（比如三甲基铝）一定时间（0.5s），如箭头1所示。接着通入清洗气体N2一定时间（5s），带走未能在薄膜表面吸附的有机金属前驱物，如箭头3所示。然后通入第二步反应物H2O一定时间（0.5s），如箭头2所示，通过反应即可生成但原子层金属氧化物。接着再通入清洗气体N2一定时间（5s），带走未能完全反应的H2O。由此构成一个原子层沉积循环，重复以上循环，即可在钙钛矿有机卤化铅薄膜上沉积出一定厚度的均匀致密的金属氧化物（Al2O3）绝缘层，绝缘层的厚度为1nm。
最后取出薄膜，并进行金电极的蒸镀，即可得到完整的具有金属-绝缘层-半导体背接触的薄膜太阳能电池，如图1所示。
通过原子层沉积实现的金属-绝缘层-半导体背接触，使得基于钙钛矿型有机卤化铅的无空穴传输材料的薄膜太阳能电池的性能得到了很大提高，如图2所示，电池的电压、短路电流以及光电转换效率都得到了明显提升。
如图3所示，金属-绝缘层-半导体背接触可以提高电池的内量子效率， 尤其是长波长区域的内量子效率，可能是这样的背接触优化了电极区域的电性质，并在一定程度上抑制了界面复合，从而提高了电池性能。
另外，超薄绝缘层的引入可以抑制背表面复合电流，同时提高背表面的电容，在半导体耗尽层模型的基础上，即降低了半导体区域的耗尽层宽度，进而降低了载流子传输势垒，有利于电池中电子、空穴的传输，如图4所示。

Claims (3)

1.一种用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属-绝缘层-半导体背接触界面结构的制备方法，首先对薄膜衬底进行80℃的加热并对沉积腔体抽真空到低真空，控制在1Pa；然后通过控制，向腔体通入第一步反应物——有机金属前驱物，持续0.5s；接着通入清洗气体N2，持续5s，带走未能在薄膜表面吸附的有机金属前驱物；然后通入第二步反应物H2O，持续0.5s，通过反应即可生成原子层金属氧化物；接着再通入清洗气体N2，持续5s，带走未能完全反应的H2O，由此构成一个原子层沉积循环，重复以上循环，即可在钙钛矿有机卤化铅薄膜上沉积出均匀致密的金属氧化物绝缘层，该绝缘层的厚度为1nm；最后取出薄膜，并进行金电极的蒸镀，即可得到完整的具有金属-绝缘层-半导体背接触的薄膜太阳能电池。
2.一种如权利要求1所述方法制备的用于钙钛矿型有机卤化铅薄膜太阳能电池的金属-绝缘层-半导体背接触界面结构，包括：
有机卤化铅半导体；
超薄绝缘层，沉积在所述有机卤化铅半导体上；
金电极，形成在所述绝缘层上。
3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，所述绝缘层为Al2O3、ZrO2或SiO2。
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