[发明专利]一种埋栅硅钙钛矿太阳电池及其制备方法

权利要求书

1.一种埋栅硅钙钛矿太阳电池，其特征在于：是一种将栅状电极埋入至电子传输层的薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池，由透明导电基底、P型薄膜晶硅层、电子空穴复合抑制结构层、钙钛矿光吸收层、由致密氧化锌构成的电子传输层和埋栅电极构成，其组成顺序方式是：P型薄膜晶硅层置于透明导电基底上面，电子空穴复合抑制结构层被制备在P型薄膜晶硅层上，钙钛矿光吸收层置于电子空穴复合抑制结构层的上面，并与P型薄膜晶硅层形成薄膜晶硅钙钛矿异质结，由致密氧化锌构成的电子传输层置于钙钛矿光吸收层上面，栅状电极置于由致密氧化锌构成的电子传输层内部，以上六个功能层依次叠加，构成此一种电极埋栅式薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池。

2.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池，其特征在于：上述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池，所述栅状电极为铝、银或铜构成的栅线。

3.根据权利要求1所述一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池，其特征在于：所述电子空穴复合抑制结构层的厚度为1nm～200nm。

4.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述钙钛矿光吸收层所用的钙钛矿材料是CH₃NH₃PbI₃或由CH₃NH₃PbI₃、CH₃NH₃PbCl₃、CH₃NH₃PbI₂Cl和CH₃NH₃PbICl₂混合构成，厚度为0.05～30um。

5.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述P型薄膜晶体硅层的厚度为10～2000nm。

6.根据权利要求1所述一种埋栅硅钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于步骤如下：

第一步，在透明导电基底上制备P型薄膜晶硅层

(1.1)制备P型α-Si：H非晶硅薄膜：将背电极放置于PECVD设备样品台上，通过PECVD法，在反应压力5Pa～50Pa、衬底温度50℃～350℃、SiH₄气体流量为0.1sccm～10sccm、H₂气体流量为1sccm～100sccm、PH₃气体流量为0.0001sccm～1sccm的条件下，在透明导电基底上生长20～3000nm厚的P型α-Si：H非晶硅薄膜，

(1.2)对P型α-Si：H非晶硅薄膜进行脱氢处理：在高纯N₂气氛、250℃～550℃的条件下对上一步所得的P型α-Si：H非晶硅薄膜处理4小时，完成P型α-Si：H非晶硅薄膜的脱氢处理，

(1.3)完成晶硅薄膜的准分子激光晶化：在反应室温度200℃～400℃、本底真空度1×10^-4Pa～9×10^-4Pa条件下，通过准分子激光对上一步得到的P型α-Si：H非晶硅薄膜进行晶化，其中激光波长为308nm，脉宽为5ns～50ns，频率从1Hz到1000Hz可调，能量密度从20mJ/cm²～800mJ/cm²可调，实现在非晶硅薄膜相变条件下加热至熔化，随着冷却发生晶化，由此在透明导电基底上制备得P型薄膜晶硅层，该P型薄膜晶体硅层的厚度为10～2000nm；

第二步，在P型薄膜晶硅上制备电子空穴复合抑制结构层；

通过PECVD方法，在反应压力5Pa～50Pa、衬底温度50℃～350℃、气体流量为SiH₄1sccm～100sccm、N₂O 20sccm～1000sccm和N₂40sccm～2000sccm条件下，在第一步所制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上制备沉积厚度为1nm～200nm的SiO₂薄膜，即在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上制备得到电子空穴复合抑制结构层。

第三步，在电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层；

在上述第二步制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层，采用以下方法：

(3.1)CH₃NH₃I的制备：

制备CH₃NH₃I的原料是重量百分比浓度为33％的甲胺乙醇溶液和重量百分比浓度为57％的碘化氢溶液，按体积比为百分比浓度为33％的甲胺乙醇溶液∶重量百分比浓度为57％的碘化氢溶液＝2～3∶1将两种溶液混合后放入到250mL的圆底烧瓶内，在0℃下，利用恒温磁力搅拌器不停搅拌1.5～2小时，搅拌完毕后利用旋转蒸发仪在50℃下通过旋转蒸发去除溶剂，之后将获得的白色固体用乙醚清洗三次，具体清洗步骤为：先将前述获得的白色固体重新全部溶解在乙醇中，再不断地添加干乙醚析出沉淀物，此过程重复两次，最后将得到的白色固体放入到真空干燥箱中，在60℃和真空度为5×10⁴Pa的条件下干燥24小时，制得CH₃NH₃I；

(3.2)成分为CH₃NH₃PbI₃的钙钛矿前驱溶液的制备：

将摩尔比为质量百分比为99.999％的PbCl₂∶上述A-1步制得的CH₃NH₃I＝1∶3混合，并溶解在质量百分比纯度为99.9％的N，N-二甲基甲酰胺中，使得PbCl₂的浓度为0.5～1M，CH₃NH₃I的浓度为1～2.5M，在室温下，放到磁力搅拌器中搅拌12小时，制得成分为CH₃NH₃PbI₃的钙钛矿前驱溶液，待用；

(3.3)在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层的湿膜：

将经第二步制得的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层整体放到旋涂仪上，其中电子空穴复合抑制结构层在上，取所需量的由上述(3.2)步制得的成分为CH₃NH₃PbI₃的钙钛矿前驱溶液旋涂到电子空穴复合抑制结构层上，将旋涂仪转速加速到6000rpm并保持这样的转速旋涂10～30秒，得到在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层的湿膜；

(3.4)热处理：

将上述(3.3)步得到的在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层的湿膜整体放入到烘箱中进行热处理，先在90℃下热处理0.5～1小时，再加热至100℃并保温25分钟，由此在透明导电基底上的P型薄膜晶硅层上的电子空穴复合抑制结构层上旋涂钙钛矿光吸收层，该钙钛矿光吸收层的厚度为0.05～30um，并且P型薄膜晶硅层与钙钛矿光吸收层形成薄膜晶硅钙钛矿异质结；

第四步，在钙钛矿光吸收层上制作由致密氧化锌构成的电子传输层；

第五步，在由致密氧化锌构成的电子传输层上制备电极埋栅结构；

具体操作方法是采用如下两种方法中的任意一种：

A.磁控溅射方法：

将上述所制得制品的整体放置入超真空直流磁控溅射设备中，对制备成的由致密氧化锌构成的电子传输层进行镀膜，溅射靶采用质量百分比纯度＞99.99％的铝、银或铜，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔内，在真空度为4.0×10^-4Pa、氩气流量为20cm³/秒、靶基距为10cm和工作电流为1A的条件下，溅射60～90分钟后，即在制备成的由致密氧化锌构成的电子传输层上制备得铝、银或铜构成的薄膜层；

B.热蒸镀方法：

将上述所制得制品的整体放置入真空镀膜机中，对制备成的由致密氧化锌构成的电子传输层进行镀膜，在150～175V的电压下使用电阻丝加热真空镀膜机，在真空度为1×10^-4Pa～8.0×10^-4Pa和温度为室温至150℃条件下，用蒸发镀铝、银或铜的方法，蒸镀10-300秒，即在第四步制备成的由致密氧化锌构成的电子传输层上制备得铝、银或铜构成的薄膜层；

第六步，将上述所制得制品的整体放置放到可溶解光刻胶的丙酮溶液中进行超声清洗1秒～300秒，洗去光刻胶及沉积在光刻胶表面的金属层。

至此，最终制得由透明导电基底、P型薄膜晶硅层、电子空穴复合抑制结构层、钙钛矿光吸收层、由致密氧化锌构成的电子传输层和埋栅电极构成的一种薄膜晶硅钙钛矿异质结太阳电池；其中，钙钛矿光吸收层与P型薄膜晶硅层具备相匹配的能级，在P型晶硅薄膜层与钙钛矿光吸收层之间加有SiO₂构成的电子空穴复合抑制结构层；其组成顺序方式是：P型薄膜晶硅层置于透明导电基底上面，电子空穴复合抑制结构层被制备在P型薄膜晶硅层上，钙钛矿光吸收层置于电子空穴复合抑制结构层的上面，并与P型薄膜晶硅层形成薄膜晶硅钙钛矿异质结，由致密氧化锌构成的电子传输层置于钙钛矿光吸收层上面，买栅电极置于由氧化锌钛构成的电子传输层上面，以上六个功能层依次叠加。