一種雜化固體太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及雜化固體太陽能電池及其制備方法，該電池依次包括襯底、阻擋層、染料敏化的半導(dǎo)體層或鈣鈦礦材料敏化的半導(dǎo)體層和對電極，在半導(dǎo)體層和對電極之間填充有空穴傳遞材料。所述的阻擋層是氧化鈦層，阻擋層的厚度為5~400nm。本發(fā)明在雜化固體太陽能電池中引入阻擋層，可以防止空穴傳遞材料與襯底接觸，減少空穴與電子復(fù)合以及加快電子的收集速度。阻擋層采用物理氣相沉積法制備，其與襯底之間的附著力強，透光性好。
【專利說明】一種雜化固體太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池，尤其是一種雜化固體太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池是一種將光轉(zhuǎn)化為電的器件，它具有天然、無污染、來源廣泛的特點。自1991年Gratzel和O’ Regon發(fā)明一種染料敏化太陽能電池以來,它的發(fā)展非常迅速，最高光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到13%，已經(jīng)具備了工業(yè)化的可能。目前一些公司已經(jīng)小型工業(yè)化了這一產(chǎn)品，包括G21 innovation、sony等。但是Gratzel和O’Regan發(fā)明的電池應(yīng)用的是一類液體電解質(zhì)而非固體的空穴傳遞材料，容易發(fā)生泄漏且電池性能不穩(wěn)定。此時，一類固體空穴傳遞材料就顯得非常重要，它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，呈固體形態(tài)，無泄漏問題。雜化固體太陽能電池基于這一材料可保證良好的性能。
[0003]目前，制備雜化固體太陽能電池中的阻擋層的方法主要是噴射法，此方法需要高溫下操作且制備過程中有異味，對身體有害。另外，噴射法需要的材料價格較貴，不易工業(yè)化。使用一種新型的、無害的、易工業(yè)化的、操作簡便的方法制備阻擋層是使雜化固體太陽能電池工業(yè)化的一個必須。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)在技術(shù)存在的缺陷，而提供一種雜化固體太陽能電池及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的雜化固體太陽能電池依次包括襯底、阻擋層、染料敏化的半導(dǎo)體層或鈣鈦礦材料敏化的半導(dǎo)體層和對電極，在半導(dǎo)體層和對電極之間填充有空穴傳遞材料。
[0006]上述的襯底可以是透明導(dǎo)電玻璃、鈦板、不銹鋼箔或聚酰亞胺。所述的阻擋層是氧化鈦層，阻擋層的厚度為5?400 nm。所述的半導(dǎo)體層是二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫，半導(dǎo)體層的厚度為50 nm?20 Mm。
[0007]本發(fā)明的雜化固體太陽能電池的制備方法，其步驟如下:
O將清洗干凈的襯底放入物理氣相沉積室，以金屬鈦或氧化鈦為靶材，抽真空至3X10_3 Pa以下，通入氬氣或氧氣，或氬氣和氧氣，02/02+Ar的比例為O?100%，控制反應(yīng)壓強為0.5?2.0 Pa，反應(yīng)溫度為4?200 ° C，濺射生長阻擋層；
2)用旋涂法或刮片法在阻擋層上鋪展二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫的膠體，或在阻擋層上旋涂二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫的乙醇溶液，然后在300?500 0C煅燒,將冷卻后的樣品浸置于染料溶液中至少0.5小時，得到染料敏化的半導(dǎo)體層；或者將煅燒冷卻好的樣品放在旋涂儀上，旋涂一層鈣鈦礦材料的Y-丁內(nèi)酯溶液，加熱蒸發(fā)掉Y-丁內(nèi)酯形成鈣鈦礦層敏化的半導(dǎo)體層；
3)在步驟2)制得的半導(dǎo)體層上，旋涂一層空穴傳遞材料；再在空穴材料傳遞層上鋪展一層對電極。
[0008]上述的二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫的膠體制備可參照Ito等提供的方法，見文獻(xiàn) S.1to, P.Chen, P.Comte, Μ.K.Nazeeruddin, P.Li ska, P.Pechy, M.Gratzel,Prog Photovoltaics, 15 (2007) 603-612。
[0009]上述的空穴傳遞材料可以是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)；
上述的鈣鈦礦可以是CH3NH2PbI3、CH3NH2PbBrxI3-X (x=(T3)或CH3NH2SnI3。所述的染料可以是釕染料N719或Z907，或是有機染料D149或D102。
[0010]上述的對電極可以是銀、金或?qū)щ娞肌?br> [0011]本發(fā)明制備過程中,對二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫膠體的濃度沒有特殊要求,對二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫乙醇溶液的濃度也沒有特殊要求。
[0012]本發(fā)明提供的雜化固體太陽能電池中，引入物理氣相沉積法沉積的阻擋層，可以防止空穴傳遞材料與襯底接觸，減少空穴與電子復(fù)合以及加快電子的收集速度。本發(fā)明制備工藝簡單，所制備的氧化鈦阻擋層，其與襯底之間的附著力強，透光性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的雜化固體太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是氧化鈦阻擋層應(yīng)用在雜化固體太陽能電池的電流-電壓曲線；
圖3是二氧化鈦阻擋層應(yīng)用在雜化固體太陽能電池的電流-電壓曲線。
【具體實施方式】
[0014]參照圖1，本發(fā)明的雜化固體太陽能電池依次包括襯底1、阻擋層2、染料敏化的半導(dǎo)體層或鈣鈦礦材料敏化的半導(dǎo)體層3和對電極4 ;在半導(dǎo)體層3和對電極4之間填充有空穴傳遞材料5。
[0015]實施例1
將清洗干凈后的透明導(dǎo)電玻璃FTO襯底放入氣相沉積室，抽真空至2X 10_3 Pa，以金屬鈦為祀材，通入反應(yīng)氧氣2 sccm和工作氣體気氣48 sccm,控制反應(yīng)壓強為I Pa,溫度為室溫，打開中頻磁控電源，開始濺射鈦靶，濺射生長阻擋層，用膜厚儀控制濺射厚度為21nm。濺射結(jié)束后，旋涂二氧化鈦膠體，得到2Mm厚的二氧化鈦半導(dǎo)體層，450 °C煅燒，冷卻至80°(:，浸置于町19染料中過夜。取出，旋涂一層spiro-OMeTAD的空穴傳遞材料，用壓緊的導(dǎo)電碳與之接觸，組裝成電池，在63 mW cm_2，AM1.5的太陽光下記錄其J-V曲線，見圖2。
[0016]實施例2
同實施例1，區(qū)別在于阻擋層厚度為56 nm。在63 mff cnT2，AM1.5的太陽光下記錄其J-V曲線，見圖2。
[0017]實施例3
同實施例1，區(qū)別在于阻擋層厚度為130 nm。在63 mff cnT2，AM1.5的太陽光下記錄其J-V曲線，見圖2。
[0018]由圖2可見，添加阻擋層可以提高電池的短路電流、開路電壓和光電轉(zhuǎn)化效率。
[0019]實施例4
將清洗干凈后的透明導(dǎo)電玻璃FTO襯底放入氣相沉積室，抽真空至IX 10_3 Pa，以二氧化鈦為靶材，通入工作氣體氬氣50 sccm，控制反應(yīng)壓強為2 Pa，溫度為200 °C，打開中頻磁控電源，開始濺射鈦靶，濺射生長阻擋層，用膜厚儀控制濺射厚度為100 nm。濺射結(jié)束后旋涂二氧化鈦乙醇溶液，得到500nm厚的二氧化鈦半導(dǎo)體層，500 °(:煅燒冷卻，旋涂一層CH3NH2PbIJA Y-丁內(nèi)酯溶液，然后在100° C加熱蒸發(fā)掉Y-丁內(nèi)酯，再旋涂一層P3HT的空穴傳遞材料，用銀與之接觸，組裝成電池，在100 mff cm_2，AM1.5的太陽光下記錄其J-V曲線，見圖3。
[0020]實施例5
將清洗干凈后的不銹鋼箔襯底放入氣相沉積室，抽真空至IX 10_3 Pa，以金屬鈦為靶材，通入反應(yīng)氧氣5 sccm和工作氣體気氣45 sccm,控制反應(yīng)壓強為0.5 Pa,溫度為4 °C,打開中頻磁控電源，開始濺射鈦靶，濺射生長阻擋層，用膜厚儀控制濺射厚度為5 nm。濺射結(jié)束后，在450 °C煅燒2h后旋涂氧化鋅膠體，得到6Mm厚的氧化鋅半導(dǎo)體層，300 °C煅燒冷卻至80°C，浸置于Z907染料中過夜。取出，旋涂一層spiro-OMeTAD的空穴傳遞材料，在空穴傳遞材料層上蒸鍍一層金以組裝成電池。
[0021]實施例6
將清洗干凈后的聚酰亞胺襯底放入氣相沉積室，抽真空至I X 10_3 Pa，以金屬二氧化鈦為靶材，通入工作氣體氬氣50 sccm，控制反應(yīng)壓強為0.5 Pa，溫度為25 °C，打開中頻磁控電源，開始濺射二氧化鈦靶，濺射生長阻擋層，用膜厚儀控制濺射厚度為400 nm。濺射結(jié)束后，旋涂二氧化錫膠體，得到2Mm厚的二氧化錫半導(dǎo)體層，浸置于D102染料中l(wèi)h。取出，旋涂一層P3HT的空穴傳遞材料，在空穴傳遞材料層上鍍一層銀以組裝成電池。
【權(quán)利要求】
1.一種雜化固體太陽能電池，其特征在于該電池依次包括襯底(I)、阻擋層(2)、染料敏化的半導(dǎo)體層或鈣鈦礦材料敏化的半導(dǎo)體層(3)和對電極(4)，在半導(dǎo)體層(3)和對電極(4)之間填充有空穴傳遞材料(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的雜化固體太陽能電池，其特征在于所述的襯底是透明導(dǎo)電玻璃、鈦板、不銹鋼箔或聚酰亞胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的雜化固體太陽能電池，其特征在于所述的阻擋層(2)是氧化鈦層，阻擋層的厚度為5?400 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的雜化固體太陽能電池，其特征在于所述的半導(dǎo)體層是二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫，半導(dǎo)體層的厚度為50 nm?20 Mm。
5.制備權(quán)利要求1所述的雜化固體太陽能電池的方法，其步驟如下: O將清洗干凈的襯底放入物理氣相沉積室，以金屬鈦或氧化鈦為靶材，抽真空至3X10_3 Pa以下，通入氬氣或氧氣，或氬氣和氧氣，02/02+Ar的比例為O?100%，控制反應(yīng)壓強為0.5?2.0 Pa，反應(yīng)溫度為4?200 ° C，濺射生長阻擋層； 2)用旋涂法或刮片法在阻擋層上鋪展二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫的膠體，或在阻擋層上旋涂二氧化鈦、氧化鋅或二氧化錫的乙醇溶液，然后在300?500 0C煅燒,將冷卻后的樣品浸置于染料溶液中至少0.5小時，得到染料敏化的半導(dǎo)體層；或者將煅燒冷卻好的樣品放在旋涂儀上，旋涂一層鈣鈦礦材料的Y-丁內(nèi)酯溶液，加熱蒸發(fā)掉Y-丁內(nèi)酯形成鈣鈦礦層敏化的半導(dǎo)體層； 3)在步驟2)制得的半導(dǎo)體層上，旋涂一層空穴傳遞材料；再在空穴材料傳遞層上鋪展一層對電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雜化固體太陽能電池的制備方法，其特征在于所述的空穴傳遞材料是2，2’，7，7’ -四[N, N- 二(4-甲氧基苯基)氨基]_9，9’ -螺二荷或聚噻吩。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雜化固體太陽能電池的制備方法，其特征在于所述的染料是釕染料N719或Z907，或是有機染料D149或D102。
【文檔編號】H01G9/20GK103779101SQ201410006238
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】吳韜, 方燕翎, 王曉萌, 艾祥龍, 王 琦 申請人:浙江大學(xué)