CN105449048A - 太阳能电池的制备方法及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池的制备方法以及利用该方法制作的太阳能电池，本发明在柔性透明衬底基板上依次制作负极、吸光层、正极，其中制作正极和/或负极时，将石墨烯和聚氧化乙烯按预定比例混合形成混合物，并将混合物制成水溶液；之后将水溶液涂覆在柔性透明衬底基板上作为负极，将水溶液涂覆在柔性透明衬底基板的吸光层或空穴传输层上作为正极。本发明通过利用由石墨烯和聚氧化乙烯的混合物形成太阳能电池的正极和/或负极，解决了石墨烯与其他材料接触不良的问题，从而提高了太阳能电池的光电转换效率，同时由于聚氧化乙烯可以改善石墨烯与柔性透明衬底基板的粘附性，提高了太阳能电池的抗弯折性能，从而可以实现较好的柔性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，更具体涉及一种太阳能电池的制备方法及太阳能电池。
背景技术
有机金属卤化物是一种有机无机杂化的钙钛矿结构的半导体材料，带隙在近红外区(1.7ev)，可吸收全部太阳光和部分近红外光，是一种很优异的太阳光吸收光伏材料。利用钙钛矿制作的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已达到19％，并且有着很大的提升空间。现阶段对于钙钛矿结构的太阳能电池，最大的局限是此种太阳能电池通常采用金银等贵金属作电极，这不仅明显增加了电池的原料成本，同时制作贵金属电极需要采用昂贵的真空蒸镀或磁控溅射设备，使得太阳能电池的制作成本居高不下，而且真空蒸镀和磁控溅射工艺的步骤复杂，限制了电池的大规模、大面积生产，从而极大的限制了钙钛矿太阳能电池的商业化应用。因此采用成本低的电极材料代替贵金属，同时采用低成本的适用于规模化生产的工艺技术制备太阳能电池变得十分必要。
石墨烯是目前已知的最薄最坚硬的纳米材料，它只吸收2.3％的光，常温下电子迁移率达到15000cm2/Vs，为电阻率极低、电子迁移速度极快的材料。虽然石墨烯呈现了导电、收集电子的作用，但现有的制备工艺中存在石墨烯与其他材料接触不良的问题，因此容易产生能量壁垒，因此利用石墨烯作为太阳能电池的电极将严重影响太阳能电池的光电转换效率，同时由于石墨烯与其他材料的粘附性差，利用石墨烯制作的电极的柔性很差，容易影响使用寿命，限制应用场景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高利用石墨烯作为电极制作的太阳能电池的光电转换效率以及柔性。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能电池的制备方法，包括依次在柔性透明衬底基板上制作负极、吸光层、正极；
制作所述正极和/或负极时，具体地：将石墨烯和聚氧化乙烯按预定比例混合形成混合物，并将所述混合物制成水溶液；将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板上作为负极，将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板的吸光层或空穴传输层上作为正极。
优选地，利用所述水溶液形成所述正极和/或所述负极之前，所述方法包括：对所述水溶液进行温度为30-50℃、时间长度为10-30min的超声热处理。
优选地，形成所述正极后，所述方法还包括对所述正极进行时间长度为10-30分钟、温度为50-100度的低温热处理。
优选地，形成所述负极后，所述方法还包括对所述负极进行时间长度为10-30分钟、温度为30-100度的低温热处理。
优选地，所述聚氧化乙烯与所述石墨烯的质量百分比为0.05wt％-0.5wt％。
优选地，形成的所述正极或所述负极的厚度为50-150nm。
优选地，在形成所述负极之前，所述方法还包括：
对所述柔性透明衬底基板进行清洗，并在室温条件下自然干燥。
优选地，在形成所述负极之后，并且在形成所述吸光层之前所述方法还包括在所述负极上制作电子传输层；
制作所述电子传输层时，具体地：
将电子传输层材料的溶液涂覆在所述负极上作为电子传输层，其中形成的所述电子传输层的厚度为30-150nm。
优选地，制作的所述吸光层的厚度为100-500nm。
一种太阳能电池，利用上述方法制作而成。
(三)有益效果
本发明提供了一种太阳能电池的制备方法以及利用该方法制作的太阳能电池，本发明在柔性透明衬底基板上依次制作负极、吸光层、正极，其中制作所述正极和/或负极时，将石墨烯和聚氧化乙烯按预定比例混合形成混合物，并将所述混合物制成水溶液；之后将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板上作为负极，将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板的吸光层或空穴传输层上作为正极。本发明通过利用由石墨烯和聚氧化乙烯的混合物形成太阳能电池的正极和/或负极，解决了石墨烯与其他材料接触不良的问题，从而提高了太阳能电池的光电转换效率，同时由于聚氧化乙烯可以改善石墨烯与柔性透明衬底基板的粘附性，从而可以提高太阳能电池的抗弯折性能，实现较好的柔性。另外，用聚氧化乙烯与石墨烯的混合溶液制程正极和负极，相对于制作贵金属电极本发明的方法避免了使用昂贵的贵金属材料和真空蒸镀或磁控溅射设备，从而降低了太阳能电池电极的制作成本；同时将上述水溶液通过旋涂的方式即可形成正极或负极，降低了制作的复杂度，从而可以提高制作效率，适用于批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的太阳能电池的制备方法的流程图；
图2是本发明的太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明公开了一种太阳能电池的制备方法，该方法包括：
S1、依次在柔性透明衬底基板上制作负极、吸光层、正极；制作所述正极和/或负极时，具体包括：将石墨烯和聚氧化乙烯按预定比例混合形成混合物，并将所述混合物制成水溶液；将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板上作为负极，将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板的吸光层或空穴传输层上作为正极。
上述方法利用聚氧化乙烯与石墨烯的混合物的水溶液形成电极，解决了石墨烯与其他材料接触不良的问题，从而提高了太阳能电池的光电转换效率，同时由于聚氧化乙烯可以改善石墨烯与柔性透明衬底基板的粘附性，使石墨烯更好地附着在柔性透明衬底基板上，提高了太阳能电池的抗弯折性能，从而可以实现较好的柔性。另外，用聚氧化乙烯与石墨烯的混合溶液制程正极和负极，相对于制作贵金属电极本发明的方法避免了使用昂贵的贵金属材料和真空蒸镀或磁控溅射设备，从而降低了太阳能电池电极的制作成本；同时将上述水溶液通过旋涂的方式即可形成正极或负极，降低了制作的复杂度，从而可以提高制作效率，适用于批量生产。
进一步地，为了使聚氧化乙烯PEO与石墨烯在水溶液中均匀混合，以形成既有良好的导电性，又具有良好柔性的正极和负极，所述方法在形成所述水溶液之后，并且在形成所述正极或负极之前还包括对所述水溶液进行温度为30-50℃、时间长度为10-30min的超声热处理。
进一步地，为了进一步加固形成的正极或负极，所述方法在形成正极或负极后，还包括对所述正极和/或负极进行低温热处理的步骤，具体地：对于形成的所述正极，所述方法还包括对所述正极进行时间长度为10-30分钟、温度为50-100度的低温热处理；对于形成的所述负极，所述方法还包括对所述负极进行时间长度为10-30分钟、温度为30-100度的低温热处理。此步骤通过低温热处理使形成的正极膜层或负极膜层中的水分得到蒸发，从而使形成的负极能够更好的附着在柔性透明衬底基板上，使形成的正极能够更好的附着在吸光层或空穴传输层上。通过上述方式，可以有效提高太阳能电池的性能和延长太阳能电池的使用寿命。
进一步地，所述方法在制备负极之前还包括对所述柔性透明衬底基板进行清洗。优选地，利用乙醇进行清洗，并在室温条件下自然干燥。优选地，柔性透明衬底基板为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)透明薄膜，该PET薄膜的厚度为0.1-1mm。
进一步地，本发明将聚氧化乙烯PEO与石墨烯的质量百分比设置为0.05wt％-0.5wt％。通过对聚氧化乙烯PEO与石墨烯的质量百分比进行设置可以进一步改善石墨烯与其他材料的接触特性，使以石墨烯和聚氧化乙烯PEO的混合物形成的电极能够较好的附着在柔性透明衬底基板、空穴传输层或吸光层上，从而使制成的太阳能电池具有更高的光电转换率和更好的柔性，扩展太阳能电池的应用场景。
在保证电极(即正极或负极)导电性的前提下，为了实现太阳能电池的轻薄化，将所述正极或负极的厚度设置为50-150nm。根据具体的应用场景以及需求可以将正极或负极的厚度为50nm、55nm、60nm、75nm、90nm、100nm、120nm、130nm、135nm、140nm、145nm或150nm。
进一步地，利用本发明的上述方法形成所述负极之后还可以通过以下步骤形成太阳能电池的其他结构层以及正极：将电子传输层材料的溶液涂覆在所述负极上作为电子传输层；将吸光层材料的溶液涂覆在所述电子传输层上作为吸光层，将空穴传输层材料的涂覆在所述吸光层上作为空穴传输层；将超声热处理后的水溶液涂覆在所述空穴传输层上作为所述正极。
优选地，电子传输层采用PCBM，其中PCBM是一个富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethylester，电子传输层的厚度为30-150nm。所述吸光层采用CH3NH3PbI3，即有机钙钛矿，吸光层的厚度优选为100-500nm。空穴传输层采用PEDOT:PSS，厚度优选为30-150nm。其中PEDOT:PSS是一种高分子聚合物的水溶液，导电率很高，根据不同的配方，可以得到导电率不同的水溶液。该PEDOT:PSS是PEDOT和PSS混合而成。PEDOT是EDOT(3，4-乙撑二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。PEDOT和PSS混合，在PSS混的作用下极大的提高了PEDOT的溶解性。吸光层吸收光子后，会产生电子-空穴对，一部分会立即复合，另一部分会分开，由于能级的关系，分别进入电子传输层和空穴传输层，一般有吸光层的导带能级高于电子传输层，吸光层的价带能级低于空穴传输层，从而驱动电子和空穴的跃迁。吸光层两侧连电子传输层和空穴传输层就把空穴和电子尽快地分开并传输到各自的电极上去。电子在电子传输层传输的很快；空穴在空穴传输层传输的很快。
上述太阳能电池的负极、电子传输层、吸光层、空穴传输层以及正极都是利用溶液制程形成，成本低，制作复杂度低，容易实现规模化生产。
本发明还公开了一种利用上述方法制作的太阳能电池，该太阳能电池包括柔性透明衬底基板1，以及在柔性透明衬底基板1上依次叠加的负极2、吸光层4、以及正极6。其中，负极2和/或正极6由石墨烯和聚氧化乙烯PEO的混合物形成。在本发明中，利用聚氧化乙烯与石墨烯的混合物形成太阳能电池的正极和负极，解决了石墨烯与其他材料接触不良的问题，从而提高了太阳能电池的光电转换效率；同时由于聚氧化乙烯可以改善石墨烯与柔性透明衬底基板的粘附性，提高了太阳能电池的抗弯折性能，从而可以实现较好的柔性。
如图2所示，该太阳能电池还可以包括空穴传输层5，根据需要可以通过将正极材料涂覆在吸光层上形成正极6，即聚氧化乙烯与石墨烯的混合物的水溶液涂覆在吸光层上形成正极6，也可以将正极材料涂覆在空穴传输层5上形成正极6。如图2所示，该太阳能电池还可以包括电子传输层3，该电子传输层3位于负极2和吸光层4之间。吸光层吸收光子后，会产生电子-空穴对，一部分会立即复合，另一部分会分开。由于能级的关系，分别进入电子传输层和空穴传输层，一般有吸光层的导带能级高于电子传输层，吸光层的价带能级低于空穴传输层，从而驱动电子和空穴的跃迁。吸光层两侧连电子传输层和空穴传输层就把空穴和电子尽快地分开并传输到各自的电极上去。电子在电子传输层传输的很快；空穴在空穴传输层传输的很快。综上所述，本发明提供的太阳能电池的制备方法，以及利用该方法制作的太阳能电池，采用PEO修饰的石墨烯复合电极制备柔性太阳能电池，成本低；更重要地，通过使用PEO修饰石墨烯可以获得致密的石墨烯复合电极薄膜以及较好的石墨烯界面接触，充分发挥石墨烯电极收集电荷的作用，能够提高太阳能电池的光电转换效率；另外由于PEO可以改善石墨烯与柔性透明衬底基板的粘附性，提高了太阳能电池的抗弯折性能，从而使制备的太阳能电池具有较好的柔性。同时本发明制备太阳能电池的过程全部为溶液制程，成本低而且容易实现规模化生产。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括依次在柔性透明衬底基板上制作负极、吸光层、正极；
制作所述正极和/或负极时，具体地：将石墨烯和聚氧化乙烯按预定比例混合形成混合物，并将所述混合物制成水溶液；将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板上作为负极，将所述水溶液涂覆在所述柔性透明衬底基板的吸光层或空穴传输层上作为正极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述水溶液形成所述正极和/或所述负极之前，所述方法包括：对所述水溶液进行温度为30-50℃、时间长度为10-30min的超声热处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述正极后，所述方法还包括对所述正极进行时间长度为10-30分钟、温度为50-100度的低温热处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述负极后，所述方法还包括对所述负极进行时间长度为10-30分钟、温度为30-100度的低温热处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚氧化乙烯与所述石墨烯的质量百分比为0.05wt％-0.5wt％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成的所述正极或所述负极的厚度为50-150nm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成所述负极之前，所述方法还包括：
对所述柔性透明衬底基板进行清洗，并在室温条件下自然干燥。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成所述负极之后，并且在形成所述吸光层之前所述方法还包括在所述负极上制作电子传输层；
制作所述电子传输层时，具体地：
将电子传输层材料的溶液涂覆在所述负极上作为电子传输层，其中形成的所述电子传输层的厚度为30-150nm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸光层的厚度为100-500nm。
10.一种太阳能电池，其特征在于，利用权利要求1至9任一项所述的方法制作而成。
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|---|---|---|---|---|
| CN111326591A (zh) * | 2018-11-29 | 2020-06-23 | 东泰高科装备科技有限公司 | 柔性太阳能电池及其制备方法 |
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| CN203932119U (zh) * | 2014-06-25 | 2014-11-05 | 湖南省天赐阳光太阳能有限责任公司 | 石墨烯电极柔性薄膜钙钛矿太阳能电池 |
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2016
- 2016-01-04 CN CN201610004818.XA patent/CN105449048B/zh active Active
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