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CN108539020A - 一种分离双结式钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种分离双结式钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本发明涉及一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，包括第一结宽禁带钙钛矿太阳能电池I和第二结窄禁带钙钛矿太阳能电池II，其通过平板玻璃6叠层连接。本发明提供的叠加太阳电池结构，不但可以实现太阳光的宽光谱响应，又可以解决晶格失配和电流不匹配的问题，最终实现电池效率的最大化。本发明提供的钙钛矿太阳电池具有效率高、制备工艺简单、发电成本低、建筑一体化的潜力。

Description

一种分离双结式钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种分离双结式钙钛矿太阳电池及其制备方法。
背景技术：
太阳能电池是各种清洁能源技术中最有效的技术方案之一，它在人类发展过程中的能源与环境间具有的协调作用扮演着重要的角色义。钙钛矿太阳能电池自2009年首次以3.8％的光电转化效率问世后，在随后短短五年里其效率以前所未有的速度不断攀升。2016年，钙钛矿太阳能电池的最高效率达到22.1％。因此，可以说钙钛矿太阳能电池代表着19世纪70年代以来光伏技术领域最有意义的突破，也是近几年国内外各科研单位及企业的研究热点。追求更高光电转换效率是光伏技术领域的科学家和工程师们的不懈追求。单结钙钛矿太阳能电池当前的效率已达20％左右，单结钙钛矿太阳能电池的理论极限效率为25％～31％，因此，要将这一水平的效率进一步提高其难将进一步加大。而探索钙钛矿叠层太阳能电池的更高的效率是人们不断的追求。
现有技术中，太阳光宽光谱响应方式是通过不同禁带宽度的太阳电池叠加串联起来实现的，不同禁带宽度的吸收层吸收不同波长的太阳光，从而提高太阳光的利用率。这种叠加方式所伴随的是不同吸收层的晶格失配、电流不匹配等问题。因此需要提供一种既能实现宽光谱响应，又要解决晶格和电流匹配的技术方案。
发明内容：
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种叠加太阳电池结构，不但可以实现太阳光的宽光谱响应，又可以解决晶格失配和电流不匹配的问题，最终实现电池效率的最大化。
为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：
本发明提供的技术方案中所述宽带隙钙钛矿太阳能电池I自上而下的平板玻璃6方向上依次设有窗口层2、过渡层3、宽带隙钙钛矿吸收层4和透明导电层5。
优选的，所述窄带隙钙钛矿太阳能电池II自上而下的平板玻璃6的方向上依次设有透明导电层7、窄禁带钙钛矿吸收层8、过渡层9、N型层10和底电极层11。
优选的，在所述窗口层2上有并排设置的减反层1和叉指电极12。
优选的，所述窗口层2为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层3为二氧化钛制得；所述宽带隙钙钛矿吸收层4为CH3NH3PbX3制得，其中，X为Cl、Br或I。
优选的，所述宽带禁带宽度：1.50～1.85eV。
优选的，所述透明导电层7为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；窄带隙钙钛矿吸收层8的材料为CH3NH3PbX3制得，其中，X为Cl、Br或I；过渡层9的材料为二氧化钛；N型层10为二氧化钛致密层；底电极层11为Ag制得。
优选的，所述窄带隙禁带宽度为1.10～1.50eV。
一种分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述方法如下：
(1)于平板玻璃6的一侧依次制作透明导电层5、宽带隙钙钛矿吸收层4、过渡层3和窗口层2制得宽带隙钙钛矿太阳电池I；
(2)于平板玻璃6的另一侧依次制作透明导电层7、窄带隙钙钛矿吸收层8、过渡层9、N型层10和底电极层11制得窄带隙钙钛矿太阳电池II；
(3)于窗口层2的自由侧制作减反层1和叉指电极12，即得所述分离双结式钙钛矿太阳能电池。
优选的，所述宽带隙钙钛矿吸收层4和窄带隙钙钛矿吸收层8中钙钛矿薄膜用一部蒸溶剂法制备：
制备钙钛矿前驱液：用溶剂将PbI2、PbBr2或PbCl2分别与CH3NH3I、CH3NH3Br或CH3NH3Cl配制成浓度为2mol/L的混合物；
制备钙钛矿薄膜：将所述钙钛矿前驱液沉积于基底蒸发至钙钛矿结晶化，即得钙钛矿薄膜。
优选的，所述窗口层2为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层3为二氧化钛制得。
优选的，所述透明导电层7为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层9的材料为二氧化钛；N型层10为二氧化钛致密层；底电极层11为Ag制得。
优选的，所述溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯和乙基吡咯烷酮中的一种或几种的组合。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明提供的钙钛矿太阳电池具有效率高、制备工艺简单、发电成本低、建筑一体化潜力；
(2)本发明技术方案提供的双结结构，利用宽带和窄带的配合实现了对太阳光较宽光谱的响应：所选取的宽、窄带太阳能电池吸光层材料的带隙符合双结太阳能电池能隙匹配要求，有效地改善了单结太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，提高了太阳能电池对光谱的吸收效率，提高了光电转换效率。
(3)本发明技术方案提供的分离结构，克服了直接避免在传统叠层电池中遇到的晶格失配和电流不匹配等弊端。
附图说明：
图1是本发明提供的分离双结式钙钛矿太阳电池示意图，
其中，1，减反层；2，窗口层；3，过渡层；4，宽带隙钙钛矿吸收层；5，透明导电层；6，平板玻璃；7，透明导电层；8，窄带隙钙钛矿吸收层；9，过渡层；10，N型层；11，底电极层；12，叉指电极；I，第一结钙钛矿太阳电池；II，第二结钙钛矿太阳电池。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例和附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的太阳能电池包括第一结宽带隙钙钛矿太阳能电池I和第二结窄带隙钙钛矿太阳能电池II，其间设置平板玻璃6进行叠层连接。
第一结宽带隙钙钛矿太阳能电池I自上而下的平板玻璃6依次设置窗口层2、过渡层3、宽禁带钙钛矿吸收层4和透明导电层5。
第二结窄带隙钙钛矿太阳能电池II自上而下的平板玻璃6另一侧依次设置透明导电层7、窄禁带钙钛矿吸收层8、过渡层9、N型层10和底电极层11。
在窗口层2上并排设置减反层1和叉指电极12。
窗口层2为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层3为二氧化钛制得；宽带隙钙钛矿吸收层4为CH3NH3PbX3，其中，X为Cl、Br或I。宽带禁带宽度为1.50～1.85eV。
透明导电层7为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；窄带隙钙钛矿吸收层8的材料为CH3NH3PbX3其中，X为Cl、Br或I；过渡层9为二氧化钛制得；N型层10为二氧化钛致密层；底电极层11为Ag制得。
窄带禁带宽度为1.10～1.50eV。
分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法如下：
(1)于平板玻璃6的一侧依次制作透明导电层5、宽禁带钙钛矿吸收层4、过渡层3和窗口层2得第一结宽禁带钙钛矿太阳电池I；
(2)于平板玻璃6的另一侧依次制作透明导电层7、窄禁带钙钛矿吸收层8、过渡层9、N型层10和底电极层11得第二结窄禁带钙钛矿太阳电池II；
(3)于所述窗口层2的自由侧制作减反层1和叉指电极12，即得所述分离双结式钙钛矿太阳能电池。
宽带隙钙钛矿吸收层4和窄带隙钙钛矿吸收层8中钙钛矿薄膜的制备采用一部蒸溶剂法制备，将PbI2、PbBr2或PbCl2与CH3NH3I、CH3NH3Br或CH3NH3Cl组成的任一组钙钛矿前驱体混合物用二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯或乙基吡咯烷酮配制成浓度为2mol/L前驱液；然后将钙钛矿前驱液沉积于基底蒸发至钙钛矿结晶化，得到钙钛矿薄膜。
实施例1
(1)于平板玻璃的一侧依次制作掺铝氧化锌(AZO)透明导电层5、CH3NH3PbI3宽禁带钙钛矿吸收层4、二氧化钛层过渡层3和掺铝氧化锌(AZO)窗口层2得第一结宽带隙钙钛矿太阳电池I；禁带宽度为1.57eV。
(2)于平板玻璃的另一侧依次制作掺氟氧化锡(FTO)层透明导电层7、CH3NH3PbBr3窄带隙钙钛矿吸收层8、二氧化钛过渡层9、致密TiO2N型层10和Ag底电极层11得第二结窄带隙钙钛矿太阳电池II；禁带宽度为1.22eV。
(3)于掺铝氧化锌(AZO)窗口层2的自由侧制作二氧化硅减反层1和叉指电极12，即得所述分离双结式钙钛矿太阳能电池。
实施例2
(1)于平板玻璃的一侧依次制作掺铝氧化锌(AZO)透明导电层5、CH3NH3PbI3宽带隙钙钛矿吸收层4、二氧化钛层过渡层3和掺铝氧化锌(AZO)窗口层2得第一结宽带隙钙钛矿太阳电池I；禁带宽度为1.57eV。
(2)于平板玻璃的另一侧依次制作掺氟氧化锡(FTO)层透明导电层7、CH3NH3PbCl3窄带隙钙钛矿吸收层8、二氧化钛过渡层9、致密TiO2N型层10和Ag底电极层11得第二结窄带隙钙钛矿太阳电池II；禁带宽度为1.22eV。
(3)于掺铝氧化锌(AZO)窗口层2的自由侧制作二氧化硅减反层1和叉指电极12，即得所述分离双结式钙钛矿太阳能电池。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括宽带隙钙钛矿太阳能电池I和窄带隙钙钛矿太阳能电池II，两者间有平板玻璃6叠层。
2.根据权利要求1所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述宽带隙钙钛矿太阳能电池I自上而下的平板玻璃6方向上依次设有窗口层2、过渡层3、宽带隙钙钛矿吸收层4和透明导电层5。
3.根据权利要求1所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述窄带隙钙钛矿太阳能电池II自上而下的平板玻璃6的方向上依次设有透明导电层7、窄禁带钙钛矿吸收层8、过渡层9、N型层10和底电极层11。
4.根据权利要求2所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在所述窗口层2上有并排设置的减反层1和叉指电极12。
5.根据权利要求2所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述窗口层2为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层3为二氧化钛制得；所述宽带隙钙钛矿吸收层4为CH3NH3PbX3制得，其中，X为Cl、Br或I。
6.根据权利要求2所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述宽带禁带宽度：1.50～1.85eV。
7.根据权利要求3所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层7为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；窄带隙钙钛矿吸收层8的材料为CH3NH3PbX3制得，其中，X为Cl、Br或I；过渡层9的材料为二氧化钛；N型层10为二氧化钛致密层；底电极层11为Ag制得。
8.根据权利要求3所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述窄带隙禁带宽度为1.10～1.50eV。
9.一种如权利要求1所述的分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法如下：
(1)于平板玻璃6的一侧依次制作透明导电层5、宽带隙钙钛矿吸收层4、过渡层3和窗口层2制得宽带隙钙钛矿太阳电池I；
(2)于平板玻璃6的另一侧依次制作透明导电层7、窄带隙钙钛矿吸收层8、过渡层9、N型层10和底电极层11制得窄带隙钙钛矿太阳电池II；
(3)于窗口层2的自由侧制作减反层1和叉指电极12，即得所述分离双结式钙钛矿太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于；所述宽带隙钙钛矿吸收层4和窄带隙钙钛矿吸收层8中钙钛矿薄膜用一部蒸溶剂法制备：
制备钙钛矿前驱液：用溶剂将PbI2、PbBr2或PbCl2分别与CH3NH3I、CH3NH3Br或CH3NH3Cl配制成浓度为2mol/L的混合物；
制备钙钛矿薄膜：将所述钙钛矿前驱液沉积于基底蒸发至钙钛矿结晶化，即得钙钛矿薄膜。
11.根据权利要求9所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于；所述窗口层2为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层3为二氧化钛制得。
12.根据权利要求9所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于；所述透明导电层7为掺铝氧化锌或掺氟氧化锡制得；过渡层9的材料为二氧化钛；N型层10为二氧化钛致密层；底电极层11为Ag制得。
13.根据权利要求10所述的一种分离双结式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于；所述溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯和乙基吡咯烷酮中的一种或几种的组合。
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