CN104465804A - 一种可提高太阳能电池效率和稳定性的合金电极 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电器件领域，公开了一种可提高太阳能电池效率和稳定性的合金电极，所述合金电极由贵金属银与铝、钛、锌、铜和/或镁等金属相结合，形成二元或者多元合金电极。本发明还公开了一种以所述合金电极作为电池阴极或阳极的太阳能电池。本发明有利于提高合金电极与载流子传输层的能级匹配，降低接触势垒，提高电池效率；所述合金电极中的银原子往载流子传输层和光活性层扩散较慢，可提高电池稳定性；本发明减少电池单位面积上的银材料用量，有利于控制电池成本，节约资源。
Description
技术领域
本发明属于光电器件领域，具体涉及一种可提高钙钛矿电池效率和稳定性的合金电极、以及将该合金电极用于作为钙钛矿太阳能电池或有机太阳能电池的电池阳极或阴极。
背景技术
以铝、银和金为代表的金属电极通常具有高电导率和高反射率等共同光电特性，被广泛地应用于太阳能电池、平面显示、电子电路、光学反射镜及其它光电器件领域。金属铝因价格低、反射率高和优良的导电性已广泛用于太阳能电池和显示领域，如有机太阳能电池、有机发光显示和钙钛矿电池等领域，相比于银、金电极显示出很好的成本优势。但是，铝具有较高的化学活性，表面比较容易氧化，这将影响电池稳定性。铝金属功函数较低，适合与电子传输型材料和修饰层相配合，形成欧姆接触良好的电池阴极。若与空穴传输层或者修饰层(如MoO3，V2O5和NiO等)配合作为电池的阳极，通常电极的界面接触势垒较高，这将降低电池的开路电压和光电流，进而影响电池的效率。银电极和金电极化学稳定性好，功函数较高，空穴传输层或者修饰层配合能形成良好的欧姆接触，有利于提高电池效率。研究表明，在同样的电池结构下，采用银取代铝作为电池阳极，能提高电池的开路电压，电池效率也有所提高。不过，采用金、银作为钙钛矿电池和有机太阳能电池的阳极，金、银原子相比与铝原子，其原子更容易迁移到器件内部，这样降低电池的并联电阻，降低电池效率和稳定性。另外，金、银作为贵金属材料，广泛用于价格比较敏感的太阳能电池，在降低电池成本上将是一个劣势。
发明内容
本发明克服现有技术的上述缺点，提出了一种可提高钙钛矿电池效率和稳定性的电极。我们采用廉价金属(如铝、钛和镁等)，与贵金属银相结合，形成合金电极，如银铝、银钛和银镁电极。银合金电极用于钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池中，可作为电池阳极或者阴极。采用银合金电极，仍保留金属电极的高光反射率和高电导率的优点，通过改变银金属与其他金属比例，优化电池载流子传输层或者修饰层的接触势垒，提高了电池开路电压和/或短路电流，从而提高电池效率。采用银合金电极一个重要优势，还能有效抑制单纯银电极或者金电极的银、金原子往电池载流子传输层和光活性层扩散的缺点，提高了电池稳定性。银合金电极相比铝电极，电池表面/界面的抗氧化性更强，这对提高电池寿命也是有帮助的。另外，采用贵金属银与廉价金属铝、钛和镁形成合金电极，将减少电池单位面积上贵金属银材料的用量，有利于降低电池成本。
本发明提出了一种可提高太阳能电池效率和稳定性的合金电极，其包括贵金属银和其他金属，所述银和其他金属相结合形成二元合金电极或多元合金电极；其中，所述其他金属为铝、钛、锌、铜和/或镁。
本发明合金电极可采用共蒸、共溅射方法制备，银与其他金属比例可通过控制不同金属沉积速率获得；银合金电极也直接蒸发合金丝或合金颗粒；或者溅射合金靶材获得，合金电极金属比例主要由合金丝、合金靶材的金属含量决定。银合金电极中不同金属仍通过金属键结合，合金金属电极结构与通常合金材料无明显区别。
本发明合金电极中，贵金属银和其他金属的比例为：Ag含量可从1％至99％变化。具体实施方案中，二元合金电极中的Ag含量可从1％至99％变化，另一金属含量可从1％到99％变化；较优选地，Ag含量可从2％至99％变化，另一金属含量可从1％到98％变化。多元合金电极中，除银金属外，最少含量金属可低于1％。优选地，银与其他金属的比例为97:3到1:9之间变化。优选地，合金电极为电池阳极时，银含量可超过90％。优选地，合金电极为阴极时，银含量通常低于90％为好。
本发明合金电极中，包括AgAl、AgMg、AgTi、AgZn等二元合金电极，以及银铝镁、银钛铝、银铝锌或银铜铝等组成的三元合金电极。
本发明合金电极为半透明或者不透明金属薄膜。
本发明可提高电池效率和稳定性的合金电极，可显著提高钙钛矿太阳能电池或有机太阳能电池的电池效率和稳定性。本发明中，所述合金电极通常采用热蒸发、磁控溅射、激光脉冲方法沉积到电池中的电子传输层、空穴传输层、修饰层或者光活性层上形成电池的上电极。依据电极在电池中作用，可以作为电池阳极或阴极。合金电极有两种或者多种不同金属材料形成合金，优选地，银与廉价金属铝、钛、镁、锌和铜等可组成二元合金电极如AgAl、AgMg、AgTi和AgZn等，也可组成多元合金电极如银铝镁、银钛铝、银铜铝等。
本发明中，在一个具体实施方案中，AgAl合金电极中的Al含量为1％～90％，即从1％到90％变化均可。AgAl合金薄膜光反射率明显优于纯Al薄膜。在一个具体实施方案中，在相同制备条件下，AgAl比例为9:1的合金电极可见光平均反射率在90％以上，合金薄膜在400度退火1分钟后，可见光平均反射率仍保持在90％以上。相应的纯银薄膜，经过400度退火1分钟后，可见光平均反射率明显下降，平均反射率低于90％，显示出AgAl合金电极比纯银具有更好热稳定性。在一个具体实施方案中，加入金属如Al、Ti和Mg等形成的合金电极，银合金薄膜中的银原子往载流子传输层和光活性层扩散的负面效应相比于纯Ag膜得到抑制。采用AgAl合金作为有机太阳能电池做阳极，其暗电流要比银电极为阳极的电池至少低一倍，暗示银合金薄膜中的银原子向电池传输层和光活性层扩散效应得到明显抑制。
本发明合金电极，如银合金薄膜，可以用于太阳能电池和发光显示器件作为其电极。太阳能电池可以是钙钛矿电池、有机太阳能电池、有机无机混合型太阳能电池。钙钛矿电池可以是平面型结构和介观结构的钙钛矿电池等。
本发明合金电极，如银合金薄膜，其构成的电极可以是半透明和不透明的电极。
本发明合金电极可以是银铝、银钛、镁银、银铝镁、银钛铝、银铜锌、银铜铝等二元或者多元合金元素形成的半透明和不透明金属薄膜之任意一种。不同金属比例可调，可提高合金电极功函数与载流子传输层能级的匹配度，降低接触电阻，提高电池效率。采用银合金电极的银原子相比单纯银电极中的银原子，往载流子传输层和光活性层扩散较慢的优点，提高了电池稳定性。
本发明可提高太阳电池效率和稳定性的合金电极的制备方法，可以采用真空热蒸发镀膜、磁空溅射沉积、激光脉冲沉积、化学气相沉积(CVD)、溶液法旋涂、印刷、刮图成膜等现有技术中的常规方法，均可得到半透明或不透明的本发明合金电极。
在一个具体实施方案中，采用本发明合金电极的钙钛矿电池典型工艺，包括如下具体步骤：选用FTO玻璃、先用清洁工艺把FTO玻璃表面清洗干净，接着采用典型的钙钛矿电池制备工艺，如涂覆TiO2薄膜，500度退火形成致密TiO2电子传输层，接着旋涂上钙钛矿活性层(如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3SnI3等)，接着继续旋涂空穴传输层NiO或者Spiro-OMeTAD，最后真空热蒸发100nm的AgAl合金薄膜作为电池阳极。
在其他具体实施方案中，银合金薄膜还可通过真空热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射和激光沉积等方式制备，也可用打印、印刷和旋涂等方式制备。如用热蒸发制备AgAl薄膜作为电池阳极，银合金蒸发到空穴传输层。为了提高本发明合金电极与空穴传输层功函数匹配，可提高合金电极中的Ag含量。优选地，合金电极中的Ag含量为50％-99％。
在一个具体实施方案中，银合金薄膜作为电池阴极，银合金蒸发到电子传输层，为了提高电极与电子传输层功函数匹配，Ag的含量可以低点。优选地，合金电极中的Ag含量为20％-90％。
本发明还提出了一种太阳能电池，其包括以本发明所述合金电极作为太阳能电池的阴极或阳极。
本发明太阳能电池包括空穴传输层，其中，空穴传输层与所述合金电极配合，形成界面接触良好的阳极。
本发明太阳能电池包括电子传输层，其中，电子传输层与所述合金电极配合，形成界面接触良好的阴极。
其中，所述太阳能电池包括钙钛矿太阳能电池或有机太阳能电池、有机无机混合型太阳能电池。
其中，所述空穴传输层包括NiO、V2O5、MoO3、PEDOT:PSS、空穴型有机材料；所述空穴型有机材料包括PCE10，PTB7，P3HT和Spiro-OMeTAD等。
其中，所述电子传输层包括ZnO、TiO2、LiF、ILCNs、电子型有机材料；所述电子型有机材料包括PCB60M、PCB70M等。
本发明太阳能电池中，以银合金薄膜做电极，电子传输层和空穴传输层可以省略。还可以采用极薄(小于5nm)的修饰层如PEO、PEI、LiF、ILCNs等与Ag合金形成复合电极。也可以直接蒸发到光吸收层上形成电极。
本发明有益效果包括，采用银合金电极替代现有技术中纯Ag、纯金电极，可以抑制纯银电极或纯金电极中的银、金原子往电池载流子传输层和光活性层中易扩散的弱点，增加电池并联电阻，提高电池的稳定性。采用银合金电极，在不降低电池性能的前提下，电池单位面积上所需的银材料量更少，有利于降低电池制备成本。本发明合金电极作为钙钛矿太阳能电池或者有机太阳能电池的组成部分，与电子传输层或者空穴传输层配合，可作为电池阴极或者阳极。采用不同金属比例的合金电极，电极功函数可以调节，有利于提高合金电极与载流子传输层的能级匹配，降低接触势垒，提高电池效率。采用银合金电极的银原子相比单纯银电极中的银原子，往载流子传输层和光活性层扩散较慢，能提高电池稳定性。采用银合金电极，相对单纯银电极，将减少电池单位面积上的银材料用量，有利于控制电池成本。以上述构思获得的合金电极结构，均应属于本发明保护范围。
附图说明
图1是实施例1中的本发明银合金薄膜用于钙钛矿太阳能电池作为阳极的截面示意图。
图2是实施例2中的本发明银合金薄膜用于钙钛矿太阳能电池作为阴极的截面示意图。
图3是实施例3中的本发明银合金薄膜用于有机太阳能电池作为阴极的截面示意图。
图4是实施例4中的本发明银合金薄膜用于有机太阳能电池作为阳极的截面示意图。
图5是实施例5中的本发明银合金薄膜用于钙钛矿太阳能电池(无空穴传输层)作为阳极的截面示意图。
图6是实施例6中的本发明银合金薄膜用于太阳能电池中作为电极的制备方法示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制。
如图1所示，钙钛矿太阳能电池中，以本发明银合金电极(薄膜)作为钙钛矿电池阳极，从下至上依次包括透明导电薄膜1、电子传输层20、钙钛矿光吸收层3、空穴传输层40和合金电极5(阳极)。
其中，透明导电薄膜层1可以是AZO、FTO、GZO、IZO、ITO等透明导电氧化物形成的透明导电薄膜之任意一种。电子传输层20是ZnO、TiO2、PC60BM、PC70BM和ILCNs等之任意一种。钙钛矿光吸收层3可以是CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3SnI3等之任意一种。空穴传输层40可以是V2O5、NiO、MoO3和空穴型半导体有机材料等等之任意一种。合金电极5可以是银铝、银钛、镁银、银铜锌、银铜铝、镁铝、铝锌等二元或者多元合金元素形成的半透明和不透明金属薄膜之任意一种。
实施例1
如图1所示，本实施例中钙钛矿电池结构，从下至上依次包括透明导电薄膜1、电子传输层20、钙钛矿光吸收层3、空穴传输层40和合金电极5(阳极)。本实施例中给出单一具体材料，并不限定其它材料选择，只是举例说明本发明。FTO导电薄膜1经洗洁精、去离子水、异丙醇和丙酮超声清洗，烘干后，旋涂上30nm的ZnO电子传输层20，退火处理后，接着旋涂上CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层3，100度退火后，接着旋涂上Spiro-OMeTAD空穴传输层4，然后真空热蒸镀方式镀上100nm的银铝合金电极5。采用此结构的钙钛矿电池效率可以达到12％以上。
实施例2
如图2所示，本实施例中钙钛矿电池结构，从下至上依次包括透明导电薄膜1、空穴传输层40、钙钛矿光吸收层3、电子传输层20和合金电极5(阴极)。本实施例中给出单一具体材料，并不限定其它材料选择，只是举例说明本发明。ITO导电薄膜1经洗洁精、去离子水、异丙醇和丙酮超声清洗，烘干后，旋涂上30nm的PEDOT:PSS空穴传输层(也可称空穴缓冲层)40，140度退火后，接着旋涂上CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层3，100度退火后，接着旋涂上PC60BM电子传输层20，然后真空热蒸镀方式镀上100nm的银铝合金电极5。采用此结构的钙钛矿电池效率可以达到10％以上。
实施例3
如图3所示，本实施例中有机太阳能电池结构，从下至上依次包括透明导电薄膜1、空穴传输层40、有机光吸收层30、电子传输层20和合金电极5(阴极)。本实施例中给出单一具体材料，并不限定其它材料选择，只是举例说明本发明。ITO导电薄膜1经洗洁精、水、异丙醇和丙酮超声清洗，烘干后，旋涂上40nm的PEDOT:PSS空穴传输层(也可称空穴缓冲层)40，140度退火后，接着旋涂上PCE10:PC70BM(比例1:1.5)混合的光活性层30，接着旋涂30nm的ZnO电子传输层20，然后真空热蒸镀方式镀上100nm的银铝合金电极5。采用此结构的有机太阳能电池效率可以达到8％以上。
实施例4
如图4所示，本实施例中有机太阳能电池结构，从下至上依次包括透明导电薄膜1、电子传输层20、有机光吸收层30、空穴传输层40和合金电极5(阳极)。本实施例中给出单一具体材料，并不限定其它材料选择，只是举例说明本发明。ITO导电薄膜1经洗洁精、水、异丙醇和丙酮超声清洗，烘干后，旋涂上30nm的ZnO电子传输层20，140度退火后，接着旋涂上PCE10:PC70BM(比例1:1.5)混合的有机光活性层30，接着真空热蒸镀10nm MoO3空穴传输层40和100nm的银铝合金电极5。采用此结构的有机太阳能电池效率可以达到8％以上。
实施例5
如图5所示，本实施例中钙钛矿电池结构，从下至上依次包括透明导电薄膜1、电子传输层20、钙钛矿光吸收层3和合金电极5(阳极)。本实施例中给出单一具体材料，并不限定其它材料选择，只是举例说明本发明。FTO导电薄膜1经洗洁精、去离子水、异丙醇和丙酮超声清洗，烘干后，旋涂上1000nm TiO2电子传输层和介观层20，退火处理后，接着旋涂上混有5-aminovaleric acid(氨基戊酸)的CH3NH3PbI3钙钛矿光活性层3，接着真空热蒸镀方式镀上100nm的银铝合金电极5。采用此结构的钙钛矿电池效率可以5％以上。
实施例6
如图6所示，本实施例中太阳能电池中合金电极采用真空热蒸发镀膜制得。本实施例中给出单一具体材料和蒸镀合金薄膜的方法，并不限定其它材料和镀膜方法的选择，只是举例说明。利用机械泵和分子泵抽真空腔体70至6e10-4Pa，加热钽舟50使得银铝合金颗粒55达到熔化状态，通过调节上钽舟50的加热电流，控制合适的合金蒸汽流60，最后合金蒸汽原子沉积到太阳能电池薄膜80上，形成太阳能电池的合金电极75。采用此方法，可把常见的合金电极如AgAl，AgTi，AgMg，AgZn沉积到有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池上形成合金电极。依据电池结构，合金电极可作为阳极或者阴极。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种可提高太阳能电池效率和稳定性的合金电极，其特征在于，所述合金包括贵金属银和其他金属，所述银和其他金属相结合形成二元或多元合金电极；其中，所述其他金属为铝、钛、锌、铜和/或镁。
2.如权利要求1所述的合金电极，其特征在于，所述合金电极中，所述银的含量为1％～99％。
3.如权利要求1所述的合金电极，其特征在于，所述合金电极包括二元合金电极AgAl、AgMg、AgTi、AgZn以及三元合金电极银铝镁、银钛铝、银铝锌或银铜铝。
4.如权利要求1所述的合金电极，其特征在于，所述合金电极为半透明或者不透明金属薄膜。
5.一种太阳能电池，其特征在于，其包括以如权利要求1所述的合金电极作为电池阴极或阳极。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，其包括空穴传输层，所述空穴传输层与所述合金电极配合，形成界面接触良好的阳极；所述空穴传输层包括NiO、V2O5、MoO3、PEDOT:PSS、空穴型有机和/或无机材料。
7.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，其包括电子传输层，所述电子传输层与所述合金电极配合，形成界面接触良好的阴极；所述电子传输层包括ZnO、TiO2、LiF、ILCNs、电子型有机和或无机材料。
8.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、或有机无机混合型太阳能电池。
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