CN109494304A - 一种太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，包括a.太阳能电池高透高导薄膜电极过渡层的制备：b.太阳能电池高透高导薄膜电极集流层的制备：c.通过引入不锈钢网栅电极达到能量过滤的目的；d.由所述高透过渡层和高透高导集流层构成本发明的太阳能电池高透高导薄膜电极。此膜为复合双层结构，有效解决透明电极制备过程中高温对太阳能电池空穴传输材料的损伤难题，随后用能量过滤磁控溅射的方法在高透过渡层表面溅射一层高透高导的集流层，增加电极的导电性。通过采用过渡/集流的双层结构，钙钛矿‑晶硅两端叠层太阳电池光电转换效率增加20％。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源材料技术领域，特别涉及一种高透高导薄膜电极的制备。
背景技术
钙钛矿-晶硅两端叠层太阳电池的理论极限效率高达42％以上，高于单晶硅太阳能电池33％的理论极限效率限制，但是在实际制备及运行过程中，由于热和水分的影响，钙钛矿-晶硅两端叠层太阳电池的商业化进程受到极大限制。在顶电池中，钙钛矿吸光层易受到水分侵蚀和有机阳离子的溢出的影响，构成钙钛矿材料的卤化物腐蚀金属电极，透明导电层的寄生损失等问题均有待解决。
由于在集成一体化的叠层结构电池制备过程中，直接在有机传空穴输层表面高温处理(溅射等)会严重损伤空穴传输层的性能，加上钙钛矿层不耐高温、顶部电极需要高度透明和高度导电等特点，普通的透明电极会造成大的寄生损失，最后导致器件性能退化。
在空穴传输层的顶部增加一层过渡层被认为是能够减少透明电极沉积过程中给器件带来的损伤的潜在办法。现有的制备技术中，由于过渡层能与钙钛矿层发生反应，使得过渡层长期稳定性较差，加上已报到的增加过渡层的叠层太阳能电池开路电压及填充因子都较低，并且过渡层的制备均需要较高的真空环境，使得制备工艺较为复杂。此外，现有的过渡层材料的种类较少，与理想的叠层器件结构不匹配，说明现有的技术仍不能解决在钙钛矿基太阳能电池中容易制备高透光性、高导电性的薄膜问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，克服高透高导电极现有缺陷，保护空穴传输层和钙钛矿层，解决钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池透明电极制备过程中高温对于对空穴传输材料的损伤，及长期稳定性差的问题。
技术方案：本发明的一种太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法包括以下步骤：
a.太阳能电池高透高导薄膜电极过渡层的制备：采用低温低离子的真空蒸发镀膜方法在钙钛矿-晶硅两端叠层太阳能电池空穴传输层表面制备金属氧化物高透过渡层，所述过渡层薄膜厚度为3-30nm；
b.太阳能电池高透高导薄膜电极集流层的制备：在已经制备好的高透过渡层表面，采用能量过滤磁控溅射的方法制备一层高透高导集流层，所述集流层厚度约为80-150nm；
c.通过引入不锈钢网栅电极达到能量过滤的目的，不锈钢网栅电极位于靶材和衬底之间，衬底和靶材间距为50-70mm，不锈钢网栅电极与衬底间距控制为5-15mm；
d.由所述高透过渡层和高透高导集流层构成本发明的太阳能电池高透高导薄膜电极，厚度为83-180nm。
其中，
所述高透金属氧化物过渡层薄膜的化学通式为MOx，其中M为金属，x的范围为1-3。
所述金属为Mo、Ni、Cu、V或W。
所述低温低离子的真空蒸发镀膜方法，真空蒸发操作温度<150℃，蒸镀速率为
所述能量过滤磁控溅射的制备方法，溅射功率40-150W，不锈钢网栅电极孔尺寸为0.0324-0.25mm2。
所述制备方法具体为：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿-晶硅两端叠层太阳能电池固定于金属模板之上，将该金属模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空；
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，然后继续缓慢增加电流，直至合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度3-30nm，高透过渡层即制备完毕；
高透高导集流层的制备：
c.将上述制备好的高透过渡层置于CS-300溅射镀膜系统中，在靶材和衬底之间靠加一个不锈钢网栅电极0.0324-0.25mm2，衬底与ITO靶材的间距为50-70mm，过滤电极与衬底间距控制为5-15mm；
d.调节溅射功率为40-150W，溅射ITO集流，控制溅射厚度为80-150nm；
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器测试其光电转换效率。
所述ITO靶材采用氧化铟锡，其中SnO2 10％，In2O3 90％。
所述金属氧化物为MOx，其中，M＝Mo，Ni，Cu，V，W，x的范围为1-3。
有益效果：与现有的技术相比本发明的优点在于：5
1.传统高温制备高透高导ITO薄膜会对太阳能电池空穴传输材料造成巨大损伤，从而降低太阳能电池的光电转换效率，本发明通过低温低离子的方法引入一层金属氧化物作为高透过渡层，在不增加寄生损失的情况下有效防止了高温对于空穴传输材料的损伤。
2.金属氧化物具有较宽的带隙，良好的稳定性，采用金属氧化物作为过渡层，可以有效解决传统过渡层材料长期稳定性差，与空穴传输层能级不匹配等问题。
3.传统磁控溅射方法制备高透高导集流层，薄膜颗粒尺寸较大，表面粗糙，薄膜平整度和透光率较差，采用能量过滤磁控溅射制备高透高导集流层，薄膜颗粒细小可控，成膜效果好，表面平整光滑。
4.采用过渡/集流双层结构，优化膜层厚度，减少寄生损失，钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池光电转换效率增加20％。
具体实施方式
本发明提供了一种太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，此薄膜为双层结构，由高透过渡层和高透高导集流层组成，解决钙钛矿-晶硅两端叠层太阳能电池透明电极制备过程中高温对于对空穴传输材料的损伤。
本发明通过以下技术方案来实现，步骤包括：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池固定于金属模板之上，将模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末(MOx，M＝Mo，Ni，Cu，V，W等)放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空。
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，随后继续缓慢增加电流，直至达到合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度3-30nm，高透过渡层即制备完毕。
高透高导集流层的制备
c.将上述制备好的高透过渡层至于CS-300溅射镀膜系统中，ITO靶材采用氧化铟锡(10％SnO2，90％In2O3)，在靶材和衬底之间加入一个不锈钢网栅电极(面积0.0324-0.25mm2)。衬底和ITO靶材与间距为65mm，过滤电极与衬底间距控制为10mm。
d.调节溅射功率40-150W，溅射ITO薄膜，控制厚度为80-150nm。
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器(Newport Oriel 91192)测试其光电转换效率，测试光强为100mW/cm2(AM 1.5G)。
实施例1：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池固定于金属模板之上，将模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末(MOx，M＝Mo，Ni，Cu，V，W等)放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空。
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，随后继续缓慢增加电流，直至达到合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度5nm，高透过渡层即制备完毕。
高透高导集流层的制备：
c.将上述制备好的高透过渡层至于CS-300溅射镀膜系统中，ITO靶材采用氧化铟锡(10％SnO2，90％In2O3),在靶材和衬底之间加入一个不锈钢网栅电极(面积0.0324mm2)。衬底和ITO靶材与间距为65mm，过滤电极与衬底间距控制为10mm。
d.调节溅射功率150W，溅射ITO薄膜，控制厚度为150nm。
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器(Newport Oriel 91192)测试其光电转换效率，测试光强为100mW/cm2(AM 1.5G)。
实施例2：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池固定于金属模板之上，将模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末(MOx，M＝Mo，Ni，Cu，V，W等)放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空。
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，随后继续缓慢增加电流，直至达到合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度30nm，高透过渡层即制备完毕。
高透高导集流层的制备
c.将上述制备好的高透过渡层至于CS-300溅射镀膜系统中，ITO靶材采用氧化铟锡(10％SnO2，90％In2O3,),在靶材和衬底之间加入一个不锈钢网栅电极(面积0.0324mm2)。衬底和ITO靶材与间距为65mm，过滤电极与衬底间距控制为10mm。
d.调节溅射功率150W，溅射ITO薄膜，控制厚度为100nm。
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器(Newport Oriel 91192)测试其光电转换效率，测试光强为100mW/cm2(AM 1.5G)。
实施例3：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池固定于金属模板之上，将模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末(MOx，M＝Mo，Ni，Cu，V，W等)放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空。
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，随后继续缓慢增加电流，直至达到合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度30nm，高透过渡层即制备完毕。
高透高导集流层的制备：
c.将上述制备好的高透过渡层至于CS-300溅射镀膜系统中，ITO靶材采用氧化铟锡(10％SnO2，90％In2O3)，在靶材和衬底之间加入一个不锈钢网栅电极(面积0.25mm2)。衬底和ITO靶材与间距为65mm，过滤电极与衬底间距控制为10mm。
d.调节溅射功率150W，溅射ITO薄膜，控制厚度为100nm。
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器(Newport Oriel 91192)测试其光电转换效率，测试光强为100mW/cm2(AM 1.5G)。
实施例4：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池固定于金属模板之上，将模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末(MOx，M＝Mo，Ni，Cu，V，W等)放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空。
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，随后继续缓慢增加电流，直至达到合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度5nm，高透过渡层即制备完毕。
高透高导集流层的制备：
c.将上述制备好的高透过渡层至于CS-300溅射镀膜系统中，ITO靶材采用氧化铟锡(10％SnO2，90％In2O3),在靶材和衬底之间加入一个不锈钢网栅电极(面积0.25mm2)。衬底和ITO靶材与间距为65mm，过滤电极与衬底间距控制为10mm。
d.调节溅射功率150W，溅射ITO薄膜，控制厚度为100nm。
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器(Newport Oriel 91192)测试其光电转换效率，测试光强为100mW/cm2(AM 1.5)。
Claims (8)
1.一种太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，该方法包括以下步骤：
a.太阳能电池高透高导薄膜电极过渡层的制备：采用低温低离子的真空蒸发镀膜方法在钙钛矿-晶硅两端叠层太阳能电池空穴传输层表面制备金属氧化物高透过渡层，所述过渡层薄膜厚度为3-30nm；
b.太阳能电池高透高导薄膜电极集流层的制备：在已经制备好的高透过渡层表面，采用能量过滤磁控溅射的方法制备一层高透高导集流层，所述集流层厚度约为80-150nm；
c.通过引入不锈钢网栅电极达到能量过滤的目的，不锈钢网栅电极位于靶材和衬底之间，衬底和靶材间距为50-70mm，不锈钢网栅电极与衬底间距控制为5-15mm；
d.由所述高透过渡层和高透高导集流层构成本发明的太阳能电池高透高导薄膜电极，厚度为83-180nm。
2.根据权利要求1所述太阳能电池高透过渡层的制备方法，其特征在于所述高透金属氧化物过渡层薄膜的化学通式为MOx，其中M为金属，x的范围为1-3。
3.根据权利要求2所述太阳能电池高透过渡层的制备方法，其特征在于所述金属为Mo、Ni、Cu、V或W。
4.根据权利要求1所述太阳能电池高透高导集流层的制备方法，其特征在于，所述低温低离子的真空蒸发镀膜方法，真空蒸发操作温度<150℃，蒸镀速率为
5.根据权利要求1所述太阳能电池高透高导集流层的制备方法，其特征在于，所述能量过滤磁控溅射的制备方法，溅射功率40-150W，不锈钢网栅电极孔尺寸为0.0324-0.25mm2。
6.根据权利要求1所述太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体为：
高透过渡层的制备：
a.将已经旋涂好空穴传输层的钙钛矿-晶硅两端叠层太阳能电池固定于金属模板之上，将该金属模板正面朝下固定在真空蒸镀仪顶端，随后将金属氧化物粉末放置于蒸镀舟中，关闭舱门，抽真空；
b.缓慢调整电流，直至观测到材料融化，然后继续缓慢增加电流，直至合适的蒸镀速率蒸镀至适宜的厚度3-30nm，高透过渡层即制备完毕；
高透高导集流层的制备：
c.将上述制备好的高透过渡层置于CS-300溅射镀膜系统中，在靶材和衬底之间靠加一个不锈钢网栅电极0.0324-0.25mm2，衬底与ITO靶材的间距为50-70mm，过滤电极与衬底间距控制为5-15mm；
d.调节溅射功率为40-150W，溅射ITO集流，控制溅射厚度为80-150nm；
e.将所封装好的太阳能电池的正负极均匀涂上导电银浆，然后利用太阳光模拟器测试其光电转换效率。
7.根据权利要求6所述太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，其特征在于，所述ITO靶材采用氧化铟锡，其中SnO2 10％，In2O3 90％。
8.根据权利要求6所述太阳能电池高透高导薄膜电极的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物为MOx，其中，M＝Mo，Ni，Cu，V，W等，x的范围为1-3。
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