CN105161622A - 一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池 - Google Patents

一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池 Download PDF

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Abstract

一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，包括石墨烯透明电极以及与石墨烯透明电极间隔开的金属对电极层、在石墨烯透明电极和金属对电极层之间设置的至少一层钙钛矿活性层，在活性层和电极直接设置有至少一层电子或空穴传输层，本发明吸收太阳光中与其能级匹配的光子，激发形成电子-空穴对，激发产生的空穴被空穴传输层收集并导出并传输给金属对电极层，金属对电极层收集起来并导通，传导空穴至外电路；最终与负载形成回路，本发明具有高导电性、高透光率以及产业化需要的可挠性；此外，在大规模生产的要求下，还需要具有低成本、易合成、适合大规模制备等特点。

Description

一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池
技术领域
本发明为新型薄膜太阳能电池器件的设计和制备技术领域，具体涉及一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，是石墨烯薄膜在钙钛矿型太阳电池结构中作为透明电极层的结构设计及应用。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭和其使用所带来的高昂的环境成本，可再生清洁能源的开发和利用受到广泛的关注。太阳能光伏发电技术和产品在全球范围内得到了高速增长，成为最具潜力的清洁能源。近年来发现的钙钛矿型太阳能电池由于高转换效率、低成本、环境友善、可挠式产品化等优点备受关注。
透明电极是钙钛矿型太阳能电池结构中的关键部分之一，起到将太阳电池产生的光电流传导到外电路的作用。透明电极需要具有以下特性：高导电性、高透光率以及产业化需要的柔性(可挠性)；此外，在大规模生产的要求下，还需要具有低成本、易合成、适合大规模制备等特点。目前常用的透明电极为FTO(掺氟氧化锡)、ITO(氧化铟锡)、AZO(掺铝氧化锌)等，这类金属氧化物半导体类的透明电极除了具备90％左右较高透光率的优势之外，其导电性、可挠性均较差；此外其生产大多需要使用磁控溅射、原子沉积、激光沉积、化学气相沉积、分子束外延等高耗能的制备方法和相应设备，成本高，制备条件苛刻。因此亟需一种可以代替其的新型透明电极材料。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，使用石墨烯及石墨烯衍生物材料作为钙钛矿型太阳电池的透明电极层的电池结构替代原结构中的透明电极，其导电性、透光率及可挠性大大优于前述的半导体金属氧化物。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，包括石墨烯透明电极102以及与石墨烯透明电极102间隔开的金属对电极层112，在石墨烯透明电极102和金属对电极层之间设置有钙钛矿活性层108，在石墨烯透明电极102和钙钛矿活性层108之间设置有材料层，金属对电极层112和钙钛矿活性层108之间设置有材料层，所述的材料层包括空穴传输层和或半导体致密层和或电子传输层。
本发明所提供的太阳电池包括石墨烯透明电极即第一电极、与所述第一电极间隔开的金属对电极层、以及在所述第一电极和金属对电极层之间设置的至少一层钙钛矿活性层及其他电子、空穴传输层。本发明具有高导电性、高透光率以及产业化需要的可挠性；此外，在大规模生产的要求下，还需要具有低成本、易合成、适合大规模制备等特点。
附图说明
图1为钙钛矿型太阳电池器件实施例一的示意图。
图2为钙钛矿型太阳电池器件实施例二的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
参照图1，一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，包括石墨烯透明电极102以及与石墨烯透明电极102间隔开的金属对电极层112，在石墨烯透明电极102和金属对电极层之间设置有钙钛矿活性层108，在石墨烯透明电极102和钙钛矿活性层108之间设置有材料层104和106，材料层104为半导体致密层104，材料层106为电子传输层，金属对电极层112和钙钛矿活性层108之间设置有材料层110，材料层110为空穴传输层。
1、石墨烯透明电极层102：该薄膜可以采用化学气相沉积法、机械剥离法、外延生长法、固相热解法、溶液氧化石墨法以及聚合反应合成法等方法进行制备。特别的，采用溶液氧化石墨方法并经过还原制备的经还原的氧化石墨烯特别易于大规模、低成本地进行合成，同时利用卷对卷制备技术，如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等进行大规模生产。厚度可以为1-100nm；该层另一特点为柔性，大大改善了传统半导体金属氧化物透明电极的易碎性。
2、材料层104是在石墨烯透明电极上形成的与钙钛矿活性层材料能级匹配的半导体致密层104(通常为二氧化钛或氧化锌)，厚度为20-150nm。
3、电子传输层106，通常为介孔二氧化钛，使用溶胶凝胶法制备介观粒子溶胶后，退火烧结制备。也可以使用富勒烯类电子传输层材料代替。厚度为100-2000nm
4、钙钛矿活性层108，结构为(RNH3)AXnY3-n(R＝烃基；A＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；n为0-3的实数)，通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成，也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备，即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。厚度为100-3000nm。
5、空穴传输层110，其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料，包括碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类，厚度为100-1000nm。
6、金属对电极层112，材料包括金、银、铝、钙、铂金属，可采用磁控溅射、热蒸发、原子沉积、激光沉积等方法制备，在柔性制备过程中，还可以使用卷对卷工艺进行制备，即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成；厚度为10-200nm。
所述的半导体致密层104，空穴传输层110可以不用，虽然简化工艺，降低成本，但得到的电池效率相对较低。
工作原理：
1.石墨烯透明电极层102：将材料层104(若使用)或电子传输层106(若不使用材料层104)传导的电子收集起来并导通，传导电子至外电路。
2.材料层104：在电池结构中并不一定需要；其主要作用及工作原理是有效地将电子从电子传输层106中传导至石墨烯透明电极层102，其能级应恰好处于钙钛矿活性层108与石墨烯透明电极层102的材料之间，起到媒介作用。
3.电子传输层106：由于其能级与钙钛矿活性层108材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的电子收集并传输给材料层104或石墨烯透明电极层102，并且由于其往往使用介孔二氧化钛等材料，具有纳微米尺寸的孔穴，可以充分地使钙钛矿材料与其相界面相接触，从而提高了电子传输的效率。
4.钙钛矿活性层108：为该电池结构的关键活性材料，主要工作原理是能够高效率地吸收太阳光中与其能级匹配的光子，激发形成电子-空穴对，其中激发产生的电子被电子传输层106收集并导出；而激发产生的空穴被空穴传输层110收集并导出；从而形成光电流。
5.空穴传输层110：由于其能级与钙钛矿活性层108材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的空穴收集并传输给金属对电极层112。
6.金属对电极层112：将空穴传输层110传导的空穴收集起来并导通，传导空穴至外电路；最终与负载形成回路。
实施例二
图2为另一种结构的钙钛矿型太阳能电池，将正负极倒置，包括石墨烯透明电极202以及与石墨烯透明电极202间隔开的金属对电极层212，在石墨烯透明电极202和金属对电极层212之间设置有钙钛矿活性层208，在石墨烯透明电极202和钙钛矿活性层208之间设置有材料层210，该材料层210为空穴传输层，金属对电极层212和钙钛矿活性层208之间设置有材料层206，该材料层206为电子传输层。
1、石墨烯透明电极层202：该薄膜可以采用化学气相沉积法、机械剥离法、外延生长法、固相热解法、溶液氧化石墨法以及聚合反应合成法等方法进行制备。特别的，采用溶液氧化石墨方法并经过还原制备的经还原的氧化石墨烯特别易于大规模、低成本地进行合成，同时利用卷对卷制备技术，如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等进行大规模生产。厚度可以为1-100nm；该层另一特点为柔性，大大改善了传统半导体金属氧化物透明电极的易碎性。
2、电子传输层206：由于其能级与钙钛矿活性层208材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的电子收集并传输给石墨烯透明电极层202，并且由于其往往使用介孔二氧化钛等材料，具有纳微米尺寸的孔穴，可以充分地使钙钛矿材料与其相界面相接触，从而提高了电子传输的效率。
4、钙钛矿活性层208，结构为(RNH3)AXnY3-n(R＝烃基；A＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；n为0-3的实数)，通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成，也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备，即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。厚度为100-3000nm。
5、空穴传输层210，其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料，包括碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类，厚度为100-1000nm。
6、金属对电极层212，材料包括金、银、铝、钙、铂金属，可采用磁控溅射、热蒸发、原子沉积、激光沉积等方法制备，在柔性制备过程中，还可以使用卷对卷工艺进行制备，即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成；厚度为10-200nm。
工作原理：
1.石墨烯透明电极202：将空穴传输层210传导的空穴收集起来并导通，传导空穴至外电路。
2.空穴传输层210：由于其能级与钙钛矿活性层208材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的空穴收集并传输给石墨烯透明电极层202。
3.钙钛矿活性层208：主要工作原理是能够高效率地吸收太阳光中与其能级匹配的光子，激发形成电子-空穴对，其中激发产生的电子被电子传输层206收集并导出；而激发产生的空穴被空穴传输层210收集并导出；从而形成光电流。
4.电子传输层206：由于其能级与钙钛矿活性层208材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的电子收集并传输给金属对电极层212。
5.金属对电极层212：将电子传输层206传导的电子收集起来并导通，传导电子至外电路；最终与负载形成回路。
实施例1与实施例2中采用了相反的正负极电池结构，由于这两种设计结构不同，因此选用的钙钛矿活性材料、电子传输层材料、空穴传输层材料以及电极材料均略有区别，但均可在上述的各层列举的材料之间选取合适的材料进行制备，到达基本相似的目的。
材料层不局限于仅有一个或两个材料层；可具有多个材料层。本发明中的图1和图2的示意图作为实例显示。根据本发明的其他实施方案的器件不限于这些特定的实例。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，包括石墨烯透明电极(102)以及与石墨烯透明电极(102)间隔开的金属对电极层(112)，在石墨烯透明电极(102)和金属对电极层之间设置有钙钛矿活性层(108)，在石墨烯透明电极(102)和钙钛矿活性层(108)之间设置有材料层，金属对电极层(112)和钙钛矿活性层(108)之间设置有材料层，所述的材料层包括空穴传输层、半导体致密层和或电子传输层。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，半导体致密层(104)为二氧化钛或氧化锌，厚度为20-150nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，电子传输层包括介孔二氧化钛。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，钙钛矿活性层108，结构为(RNH3)AXnY3-n，R＝烃基；A＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；n为0-3的实数。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，空穴传输层(110)为与钙钛矿活性层(108)材料能级相匹配的有机、无机材料，包括碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类，厚度为100-1000nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，金属对电极层(112)材料包括金、银、铝、铂金属，厚度为10-200nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯透明电极的太阳能电池，其特征在于，石墨烯透明电极层(102)厚度为1-100nm。
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