CN103779101A - 一种杂化固体太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及杂化固体太阳能电池及其制备方法，该电池依次包括衬底、阻挡层、染料敏化的半导体层或钙钛矿材料敏化的半导体层和对电极，在半导体层和对电极之间填充有空穴传递材料。所述的阻挡层是氧化钛层，阻挡层的厚度为5~400nm。本发明在杂化固体太阳能电池中引入阻挡层，可以防止空穴传递材料与衬底接触，减少空穴与电子复合以及加快电子的收集速度。阻挡层采用物理气相沉积法制备，其与衬底之间的附着力强，透光性好。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其是一种杂化固体太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种将光转化为电的器件，它具有天然、无污染、来源广泛的特点。自1991 年Gratzel 和 O’Regon 发明一种染料敏化太阳能电池以来，它的发展非常迅速，最高光电转化效率已经达到13%，已经具备了工业化的可能。目前一些公司已经小型工业化了这一产品，包括G21 innovation、sony等。但是Gratzel 和 O’Regan 发明的电池应用的是一类液体电解质而非固体的空穴传递材料，容易发生泄漏且电池性能不稳定。此时，一类固体空穴传递材料就显得非常重要，它结构稳定，呈固体形态，无泄漏问题。杂化固体太阳能电池基于这一材料可保证良好的性能。
目前，制备杂化固体太阳能电池中的阻挡层的方法主要是喷射法，此方法需要高温下操作且制备过程中有异味，对身体有害。另外，喷射法需要的材料价格较贵，不易工业化。使用一种新型的、无害的、易工业化的、操作简便的方法制备阻挡层是使杂化固体太阳能电池工业化的一个必须。
发明内容
本发明的目的是为克服现在技术存在的缺陷，而提供一种杂化固体太阳能电池及其制备方法。
本发明的杂化固体太阳能电池依次包括衬底、阻挡层、染料敏化的半导体层或钙钛矿材料敏化的半导体层和对电极，在半导体层和对电极之间填充有空穴传递材料。
上述的衬底可以是透明导电玻璃、钛板、不锈钢箔或聚酰亚胺。所述的阻挡层是氧化钛层，阻挡层的厚度为5 ~ 400 nm。所述的半导体层是二氧化钛、氧化锌或二氧化锡，半导体层的厚度为50 nm ~ 20 μm。
本发明的杂化固体太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
1）将清洗干净的衬底放入物理气相沉积室，以金属钛或氧化钛为靶材，抽真空至3×10-3 Pa以下，通入氩气或氧气，或氩气和氧气，O2/O2+Ar 的比例为0 ~ 100%，控制反应压强为0.5 ~ 2.0 Pa，反应温度为4 ~ 200 oC，溅射生长阻挡层；
2）用旋涂法或刮片法在阻挡层上铺展二氧化钛、氧化锌或二氧化锡的胶体，或在阻挡层上旋涂二氧化钛、氧化锌或二氧化锡的乙醇溶液，然后在300 ~ 500 oC 煅烧，将冷却后的样品浸置于染料溶液中至少0.5小时，得到染料敏化的半导体层；或者将煅烧冷却好的样品放在旋涂仪上，旋涂一层钙钛矿材料的γ-丁内酯溶液，加热蒸发掉γ-丁内酯形成钙钛矿层敏化的半导体层；
3）在步骤2）制得的半导体层上，旋涂一层空穴传递材料；再在空穴材料传递层上铺展一层对电极。
上述的二氧化钛、氧化锌或二氧化锡的胶体制备可参照Ito等提供的方法,见文献S. Ito, P. Chen, P. Comte, M.K. Nazeeruddin, P. Liska, P. Pechy, M. Gratzel, Prog Photovoltaics, 15 (2007) 603-612。
上述的空穴传递材料可以是2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-OMeTAD）或聚噻吩（P3HT）；
上述的钙钛矿可以是CH3NH2PbI3、CH3NH2PbBrxI3-x（x=0~3）或CH3NH2SnI3。所述的染料可以是钌染料N719或Z907，或是有机染料D149或D102。
上述的对电极可以是银、金或导电碳。
本发明制备过程中，对二氧化钛、氧化锌或二氧化锡胶体的浓度没有特殊要求，对二氧化钛、氧化锌或二氧化锡乙醇溶液的浓度也没有特殊要求。
本发明提供的杂化固体太阳能电池中，引入物理气相沉积法沉积的阻挡层，可以防止空穴传递材料与衬底接触，减少空穴与电子复合以及加快电子的收集速度。本发明制备工艺简单，所制备的氧化钛阻挡层，其与衬底之间的附着力强，透光性好。
附图说明
图1是本发明的杂化固体太阳能电池结构示意图；
图2是氧化钛阻挡层应用在杂化固体太阳能电池的电流-电压曲线；
图3是二氧化钛阻挡层应用在杂化固体太阳能电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
参照图1，本发明的杂化固体太阳能电池依次包括衬底1、阻挡层2、染料敏化的半导体层或钙钛矿材料敏化的半导体层3和对电极4；在半导体层3和对电极4之间填充有空穴传递材料5。
实施例1
将清洗干净后的透明导电玻璃FTO衬底放入气相沉积室，抽真空至2×10-3 Pa， 以金属钛为靶材，通入反应氧气2 sccm和工作气体氩气48 sccm，控制反应压强为1 Pa，温度为室温，打开中频磁控电源，开始溅射钛靶，溅射生长阻挡层，用膜厚仪控制溅射厚度为21 nm。溅射结束后，旋涂二氧化钛胶体，得到2μm厚的二氧化钛半导体层，450 oC煅烧，冷却至80oC，浸置于N719染料中过夜。取出，旋涂一层spiro-OMeTAD的空穴传递材料，用压紧的导电碳与之接触，组装成电池，在63 mW cm-2, AM1.5 的太阳光下记录其J-V曲线，见图2。
实施例2
同实施例1，区别在于阻挡层厚度为56 nm。在63 mW cm-2, AM1.5 的太阳光下记录其J-V曲线，见图2。
实施例3
同实施例1，区别在于阻挡层厚度为130 nm。在63 mW cm-2, AM1.5 的太阳光下记录其J-V曲线，见图2。
由图2可见，添加阻挡层可以提高电池的短路电流、开路电压和光电转化效率。
实施例4
将清洗干净后的透明导电玻璃FTO衬底放入气相沉积室，抽真空至1×10-3 Pa， 以二氧化钛为靶材，通入工作气体氩气50 sccm，控制反应压强为2 Pa，温度为200 oC，打开中频磁控电源，开始溅射钛靶，溅射生长阻挡层，用膜厚仪控制溅射厚度为100 nm。溅射结束后旋涂二氧化钛乙醇溶液，得到500nm厚的二氧化钛半导体层，500 oC煅烧冷却，旋涂一层CH3NH2PbI3的γ-丁内酯溶液，然后在100oC加热蒸发掉γ-丁内酯，再旋涂一层P3HT的空穴传递材料，用银与之接触，组装成电池，在100 mW cm-2，AM1.5 的太阳光下记录其J-V曲线，见图3。
实施例5
将清洗干净后的不锈钢箔衬底放入气相沉积室，抽真空至1×10-3 Pa， 以金属钛为靶材，通入反应氧气5 sccm和工作气体氩气45 sccm，控制反应压强为0.5 Pa，温度为4 oC，打开中频磁控电源，开始溅射钛靶，溅射生长阻挡层，用膜厚仪控制溅射厚度为5 nm。溅射结束后，在450 oC煅烧2h 后旋涂氧化锌胶体，得到6μm厚的氧化锌半导体层，300 oC煅烧冷却至80oC，浸置于Z907染料中过夜。取出，旋涂一层spiro-OMeTAD的空穴传递材料，在空穴传递材料层上蒸镀一层金以组装成电池。
实施例6
将清洗干净后的聚酰亚胺衬底放入气相沉积室，抽真空至1×10-3 Pa， 以金属二氧化钛为靶材，通入工作气体氩气50 sccm，控制反应压强为0.5 Pa，温度为25 oC，打开中频磁控电源，开始溅射二氧化钛靶，溅射生长阻挡层，用膜厚仪控制溅射厚度为400 nm。溅射结束后，旋涂二氧化锡胶体，得到2μm厚的二氧化锡半导体层，浸置于D102染料中1h。取出，旋涂一层P3HT的空穴传递材料，在空穴传递材料层上镀一层银以组装成电池。
Claims (7)
1.一种杂化固体太阳能电池，其特征在于该电池依次包括衬底（1）、阻挡层（2）、染料敏化的半导体层或钙钛矿材料敏化的半导体层（3）和对电极（4），在半导体层（3）和对电极（4）之间填充有空穴传递材料（5）。
2.根据权利要求书1所述的杂化固体太阳能电池，其特征在于所述的衬底是透明导电玻璃、钛板、不锈钢箔或聚酰亚胺。
3.根据权利要求书1所述的杂化固体太阳能电池，其特征在于所述的阻挡层（2）是氧化钛层，阻挡层的厚度为5 ~ 400 nm。
4.根据权利要求书1所述的杂化固体太阳能电池，其特征在于所述的半导体层是二氧化钛、氧化锌或二氧化锡，半导体层的厚度为50 nm ~ 20 μm。
5.制备权利要求1所述的杂化固体太阳能电池的方法，其步骤如下：
1）将清洗干净的衬底放入物理气相沉积室，以金属钛或氧化钛为靶材，抽真空至3×10-3 Pa以下，通入氩气或氧气，或氩气和氧气，O2/O2+Ar 的比例为0 ~ 100%，控制反应压强为0.5 ~ 2.0 Pa，反应温度为4 ~ 200 oC，溅射生长阻挡层；
2）用旋涂法或刮片法在阻挡层上铺展二氧化钛、氧化锌或二氧化锡的胶体，或在阻挡层上旋涂二氧化钛、氧化锌或二氧化锡的乙醇溶液，然后在300 ~ 500 oC 煅烧，将冷却后的样品浸置于染料溶液中至少0.5小时，得到染料敏化的半导体层；或者将煅烧冷却好的样品放在旋涂仪上，旋涂一层钙钛矿材料的γ-丁内酯溶液，加热蒸发掉γ-丁内酯形成钙钛矿层敏化的半导体层；
3）在步骤2）制得的半导体层上，旋涂一层空穴传递材料；再在空穴材料传递层上铺展一层对电极。
6.根据权利要求5所述的杂化固体太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的空穴传递材料是2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴或聚噻吩。
7.根据权利要求5所述的杂化固体太阳能电池的制备方法，其特征在于所述的染料是钌染料N719或Z907，或是有机染料D149或D102。
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