[发明专利]全固态钙钛矿微晶硅复合太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及专门适用于将光能转换为电能的半导体器件，具体地说是全固态钙钛矿微晶硅复合太阳电池及其制备方法。

背景技术

在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能作为一种新兴的可再生能源已成为人类使用能源的重要组成部分，并得到不断的发展。太阳能发电是太阳能利用的一种主要形式，低价高效并长期稳定的太阳电池是利用太阳能实现大规模光电转换的基础。

目前迅速发展的一类太阳电池是钙钛矿太阳电池，由导电基底、电子传输材料、钙钛矿光吸收层、有机空穴传输材料和金属电极构成。其中的钙钛矿光吸收层具有低廉的成本、简单的制备工艺、良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过1000nm，因而采用这种新型光电转换材料构成的钙钛矿太阳电池具有特别优异的光电转换特性，目前实验室样品的光电转换效率已高达16％以上，高于商用的非晶硅太阳电池和微晶硅太阳电池。

然而，地面光伏设备要求在户外运行20年或更长时间，典型的钙钛矿太阳电池中承担空穴传输的有机空穴传输材料构成的有机空穴传输层的阻隔电子通过空穴，有效地实现光生电子空穴分离最终实现光电转化的功能要面临室外长期稳定运行的挑战。现有钙钛矿太阳电池主要采用2，2'，7，7'-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9'-螺二芴(简称SpiroOMeTAD)、聚合3-己基噻吩(简称P3HT)和富勒烯衍生物(简称PCBM)构成有机空穴传输层。有研究表明，目前这种包含上述有机空穴传输层的钙钛矿太阳电池的光电转化的性能在3个月就下降了22％甚至70％。此外，目前上述有机空穴传输材料的价格昂贵，甚至几倍于金、铂等贵金属，再就是有机材料的氧化和还原所导致的不稳定性，重结晶和温度变化导致的器件衰老等因素致使现有钙钛矿太阳电池的稳定性差。

目前迅速发展的另一类太阳电池是微晶硅薄膜太阳电池，是由在玻璃(glass)衬底上沉积透明导电膜(TCO)，然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型三层a-Si，接着再蒸镀金属电极铝(Al)构成。硅是一种非常优良的半导体材料，无毒无害，在地球储量丰富，通过掺杂可以形成优良的性能稳定的p型空穴传输材料和n型电子传输材料。微晶硅是微晶粒、晶粒间界和非晶相共存的混合相材料，其带隙随着晶相比的不同而不同，由1.2eV到1.7eV连续可调，而且几乎没有光致衰退效应，可制备成性能优良的太阳电池。例如，CN101415861公开的微晶硅膜形成方法以及太阳电池，CN101488560公开的有机染料分子敏化非晶硅/微晶硅太阳电池的制备方法(只是对微晶硅太阳电池的I层，即本征层做了化学敏化处理)和CN101540352公开的微晶硅太阳能电池的制造方法，都是报道这一类电池及其制造方法。

但是，现有非晶硅、微晶硅薄膜太阳电池面临制备工艺复杂和成本较高的诸多问题。如微晶硅薄膜太阳电池的本征层厚度需1～3.5um左右，其制备环节的沉积速率多在0.1～10nm/s左右，这使得沉积速率成为制约其发展的主要问题之一；微晶硅薄膜沉积速率的提高往往需要提高功率密度，但带来的问题就是电子温度过高，并引起离子的能量过高及高能量的离子过多，高能离子的轰击是使薄膜质量变差的重要原因。目前的微晶硅薄膜太阳电池的低制备速率导致制备成本高，扼制了其大规模生产和应用。此外，商业化的单结的非晶硅/微晶硅太阳电池的光电效率在10％左右，相对低于其他商业化太阳电池的光电效率。

钙钛矿太阳电池和微晶硅薄膜太阳电池虽然是当前太阳电池研究中最受瞩目的两种新型薄膜电池，分别具有低成本和性能稳定的优势，但又分别存在稳定性差且价格昂贵和低制备速率导致制备成本高且光电转换效率低的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供全固态钙钛矿微晶硅复合太阳电池及其制备方法，将钙钛矿光吸收层材料和P型微晶硅材料相互匹配复合，所制得的全固态钙钛矿微晶硅复合薄膜太阳电池同时克服了现有钙钛矿太阳电池因使用有机空穴传输材料而存在的稳定性差和价格昂贵的缺点，以及微晶硅薄膜太阳电池存在低制备速率导致制备成本高及光电转换效率低的缺点。