一种异质构型太阳能电池结构及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种异质构型太阳能电池结构及其制备方法与应用，太阳能电池结构包括由下而上依次设置的导电基底、CZTS薄膜层、CsPbBr3薄膜层及碳电极，CZTS薄膜层与CsPbBr3薄膜层构成CZTS

【技术实现步骤摘要】
一种异质构型太阳能电池结构及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于太阳能电池
，涉及一种Cu2ZnSnS4(CZTS)
‑
CsPbBr3异质构型太阳能电池结构及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]21世纪以来，随着传统化石能源(石油、煤炭等)的不断消耗，能源危机、环境污染成为人类共同面临、亟待解决的生存问题，极大促进了人类社会对可持续、环境友好新型能源的重视与探索进程。太阳能，因具备取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优异特点，备受研究人员青睐，目前以光能
‑
电能转换形式的利用与研究为主，光伏电池为常见的光能与电能转换器件。
[0003]但值得关注的是，目前CZTS体系器件的效率仍远低于其同类竞争者，这说明CZTS体系电池的性能有较大的提升空间，是值得研究的前沿问题。对于光伏器件，p
‑
n异质结为其进行光电转换的核心构件，为光生载流子层与缓冲层两者结合形成，因此二者之间界面性能的优劣对器件性能影响甚大。吸收层与缓冲层的能带排列是讨论界面性能问题的重要抓手，行分离、输运的关键所在。在化合物薄膜电池结构中，异质结主要由吸收其直接影响载流子的分离与输运，决定短路电流与开路电压。传承于CIGS体系器件，现今CZTS体系电池中常用的缓冲层亦为CdS材料。然而，研究发现CZTS/CdS异质结的能带排列属于“cliff
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like”型结构，其吸收层导带高于缓冲层导带(ΔE
c
为负值)，将形成缓冲层注入电子迁移势垒，变相降低界面带隙，故易导致载流子界面复合增加，降低器件填充因子、开路电压等，导致CZTS体系器件性能未达预期，限制了其进一步应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种异质构型太阳能电池结构及其制备方法与应用。本专利技术太阳能电池结构中，CZTS
‑
CsPbBr3异质结可改善开路电压亏损，实现高性能器件制备。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种异质构型太阳能电池结构，该太阳能电池结构包括由下而上依次设置的导电基底、CZTS薄膜层、CsPbBr3薄膜层及碳电极，所述的CZTS薄膜层与CsPbBr3薄膜层构成CZTS
‑
CsPbBr3异质结。CsPbBr3薄膜层构成缓冲层，CZTS薄膜层构成光吸收层。
[0007]进一步地，所述的导电基底为ITO/FTO导电玻璃基底或柔性导电基底。
[0008]进一步地，所述的CZTS
‑
CsPbBr3异质结为spike
‑
like型异质结构。
[0009]一种异质构型太阳能电池结构的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0010]1)在导电基底上生成CZTS薄膜层；
[0011]2)在CZTS薄膜层上沉积CsPbBr3薄膜层；
[0012]3)在CsPbBr3薄膜层上沉积碳电极。
[0013]进一步地，步骤1)中，采用分子溶液印刷法在导电基底上制备CZTS薄膜层。分子溶液印刷法制备方法简单，让离子先分散在溶液中，然后直接制成薄膜，通过退火生成CZTS薄
膜材料，设备简易，在普通大气下可实现高质量、规模化CZTS光吸收层薄膜的制备；且结合柔性导电基底可实现roll
‑
to
‑
roll工艺制备，批量印刷打印CZTS薄膜层。
[0014]进一步地，基于金属盐
‑
硫脲体系的热分解反应制备CZTS薄膜，金属
‑
硫脲络合物分子印刷沉积后施以退火工艺促进反应。
[0015]步骤1)具体为：以导电基底为衬底，基于印刷技术将所配溶液制备为CZTS前驱薄膜。每次印刷所得薄膜均置于加热平台退火，条件为(225℃，20min)。以上印刷步骤重复4～6次，以获得一定厚度的薄膜，薄膜规格为10
×
10mm2。
[0016]进一步地，步骤2)中，采用分子溶液喷涂法在CZTS薄膜层上制备CsPbBr3薄膜层。该方法通过各种反应物的混合，很容易获得所需要的均匀相多组分体系，且易于实现定量掺杂，可以有效控制薄膜的成分和结构；且制备方法简单，可有效避免当前钙钛矿薄膜制备的操作繁琐、设备昂贵等问题，在普通大气下，实现高质量、稳定钙钛矿光吸收层薄膜的低成本制备。
[0017]进一步地，基于有机溶剂的热蒸发反应制备CsPbBr3薄膜。
[0018]步骤2)具体为：将CsBr、PbBr2溶于有机溶剂DMSO中形成前驱体溶液，然后取适量溶液放置于喷枪中，利用喷枪的压力将溶液均匀的分散在基底上，形成CsPbBr3薄膜。将喷涂所制薄膜置于加热平台退火处理，条件为(225℃，10min)，以获得所需CsPbBr3薄膜。
[0019]进一步地，步骤3)中，采用印刷法在CsPbBr3薄膜层上制备碳电极。
[0020]一种异质构型太阳能电池结构的应用，所述的太阳能电池结构用于高性能太阳能电池器件中。
[0021]研究发现，相对于“cliff
‑
like”型，“spike
‑
like”型结构缓冲层导带高于吸收层导带(ΔE
c
为正值)，当ΔE
c
值于0.1
‑
0.4eV区间时，该结构有助于降低载流子的界面复合，同时提升器件开路电压与填充因子，为理想的CZTS器件异质结构。全无机钙钛矿材料CsPbBr3，因具备光吸收性能优异、禁带宽度可调、量子效率高、载流子迁移性能突出等特性，在光伏、发光、显示、激光等领域具有潜在的应用前景。具体而言：
[0022]1)CsPbBr3具有独特的双极性载流子传输特质，具备作为器件缓冲层材料的可能；
[0023]2)CsPbBr3为直接带隙材料，其光学带隙约为2.3eV，与CdS(2.4eV)近似，且易于通过卤族元素Br的Cl、I掺杂实现调节，利于理想“spike
‑
like”型能带排列的实现。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[0025]1)本专利技术引入CsPbBr3材料作为器件缓冲层，构建CZTS/CsPbBr3异质结构，有利于实现高性能CZTS电池器件的制作；
[0026]2)本专利技术结构简单，由于CsPbBr3材料的双极性载流子传输特性，所以用CsPbBr3作为缓冲层，有效调节电压；
[0027]3)传统空穴传输层Sprio
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OMeTAD材料价格昂贵，阻碍了太阳能电池商业化进展，本专利技术降低了整个电池成本；
[0028]4)本专利技术可采用柔性导电基底作为电极，其柔性对比刚性基底来说适用范围更广泛，在运输上占据优势。
附图说明
[0029]图1为本专利技术中Cu2ZnSnS4(CZTS)
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CsPbBr3异质构型太阳能电池结构的示意图；
[0030]图2为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质构型太阳能电池结构，其特征在于，该太阳能电池结构包括由下而上依次设置的导电基底(4)、CZTS薄膜层(3)、CsPbBr3薄膜层(2)及碳电极(1)，所述的CZTS薄膜层(3)与CsPbBr3薄膜层(2)构成CZTS
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CsPbBr3异质结。2.根据权利要求1所述的一种异质构型太阳能电池结构，其特征在于，所述的导电基底(4)为ITO/FTO导电玻璃基底或柔性导电基底。3.根据权利要求1所述的一种异质构型太阳能电池结构，其特征在于，所述的CZTS
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CsPbBr3异质结为spike
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like型异质结构。4.一种如权利要求1至3任一项所述的异质构型太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)在导电基底(4)上生成CZTS薄膜层(3)；2)在CZTS薄膜层(3)上沉积CsPbBr3薄膜层(2)；3)在CsPbBr3薄膜层(2)上沉积碳电极(1)。5.根据权利要求4所述的一种异质构型太阳能电...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈进，孙雨，王凤超，庞建鑫，韩睿祎，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：