CN105489767A - 基于石墨烯/聚合物电极的柔性钙钛矿太阳能电池及制备 - Google Patents

基于石墨烯/聚合物电极的柔性钙钛矿太阳能电池及制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备，基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池包括柔性基底(1)、石墨烯/聚合物复合透明电极(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿吸光层(4)、电子传输层(5)和背电极(6)，其特征在于采用石墨烯与导电高分子聚合物形成复合透明电极，本发明不仅具有良好的透光率、导电性、柔性及稳定性；而且具有生产成本低、光电转化效率高，易于柔性集成、适合太阳能电池大规模工业生产的应用。

Description

基于石墨烯/聚合物电极的柔性钙钛矿太阳能电池及制备
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，特别涉及一种基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备。
背景技术
近年来，随着环境污染越发严重，人们对于可再生能源的需求与日俱增，太阳能产业的发展与进步越来越受到人们的关注。随着光伏产业的迅猛发展，如何在最大限度地降低生产成本的同时，尽可能提升其转化利用效率的问题成为太阳能电池领域的研究热点。目前,在市场应用中占据主导地位的是硅基太阳能电池。虽然可以达到很高的能量转换效率,但电池成本居高不下，且存在制备工艺复杂和污染严重等问题,阻碍了其进一步发展。
钙钛矿型太阳能电池是一种新兴的太阳能电池。其吸光材料是基于有机-无机杂化的钙钛矿结构的半导体材料，具有原材料来源广泛、结构简单、价格低等优点，具有广泛的应用前景。钙钛矿电池的一个明显优势是可以实现低成本的柔性太阳能电池制备。其中，柔性透明电极是制备柔性钙钛矿太阳能电池的关键。
目前，大多数钙钛矿电池大多采用氧化铟锡(ITO)作为透明电极，但ITO成本较高，且柔性差，不利于太阳能电池成为低成本的柔性器件。近来，碳纳米管、石墨烯、导电高分子聚合物等材料在透明电极方面展现出良好的应用前景，具有良好的柔性，但是上述材料在导电性和透光率两方面不能兼得。
中国发明专利CN103345963A公开了一种石墨烯复合材料透明电极及其制备方法和应用。所述透明电极包括柔性透明基板，柔性透明基板上设有石墨烯层和导电高分子层；所述石墨烯复合材料透明电极的制备方法有两种，一种是先将石墨烯转移到柔性透明基板上，再在石墨烯表面涂布导电高分子材料，另一种是先将导电高分子材料涂布到柔性透明基板表面，再将石墨烯转移到柔性透明基板上的导电高分子层上；所述石墨烯复合材料透明电极可以在制作触摸屏、太阳能电池、有机发光二极管、液晶显示屏、薄膜晶体管、柔性电子产品或可穿戴式电子产品中应用。上述石墨烯复合材料透明电极采用石墨烯-导电高分子结构，获得了较好的导电性和柔性，但是导电高分子作为有机体系，通常为酸性，其稳定性较差，且在太阳能电池、有机发光二极管等器件中，导电高分子会对功能层产生腐蚀作用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有柔性钙钛矿太阳能电池中柔性透明电极的柔性、透光率、导电性不可兼得的问题，制备一种具有良好柔性、透光率及导电性的高效率钙钛矿太阳能电池。
本发明所涉及的一种基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括柔性基底、石墨烯/聚合物复合透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和背电极；
所述柔性基底为PET、PEN、PI、PC及PDMS等柔性透明聚合物薄膜中的一种，其厚度为0.01～0.5mm，柔性基底在可见光波段的平均透光率高于90％；
所述石墨烯/聚合物复合透明电极为“石墨烯-导电高分子聚合物-石墨烯”三层薄膜构成的三明治结构；
所述空穴传输层为PETDOT:PSS(聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)、CuSCN(硫氰酸亚铜)、CuI(碘化亚铜)、NiOx(氧化镍)等材料中的一种，其厚度为10～100nm；钙钛矿吸光层可为CH3NH3BXmYn中的至少一种，其中B＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；m＝1，2，3；n＝3-m；
所述钙钛矿吸光层的厚度为50～500nm；
所述电子传输层为氧化锌、二氧化钛、PCBM(富勒烯衍生物)、P3HT(3-己基噻吩的聚合物)中的一种，其厚度为10～100nm；
所述背电极是通过真空蒸镀的方式沉积金、银、铝、铜中的一种，其厚度为30～200nm。
本发明的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池不仅具有良好的透光率、导电性、柔性及稳定性；而且具有生产成本低、光电转化效率高，易于柔性集成、适合太阳能电池大规模工业生产的应用。
本发明的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法包括石墨烯/聚合物复合透明电极的制备，石墨烯/聚合物复合透明电极的制备步骤如下：
步骤一、在柔性基底上转移下层石墨烯薄膜；下层石墨烯薄膜通过CVD(化学气相沉积)方法在铜箔表面制备，并通过转移至柔性基底上，其层数为1～4层；
步骤二、在上述石墨烯薄膜上沉积导电高分子聚合物薄膜；导电高分子聚合物添加0.3％～3％的表面活性剂，以利于在石墨烯表面的成膜；
步骤三、在上述导电高分子聚合物薄膜上转移上层石墨烯薄膜，所述的上层石墨烯薄膜是通过CVD(化学气相沉积)方法在铜箔表面制备，并通过转移至导电高分子聚合物薄膜上，其层数为1～4层。
本发明的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池中导电高分子聚合物、空穴传输层、钙钛矿吸光层及电子传输层的薄膜制备方法为旋涂、刮涂、丝网印刷、喷墨打印、凹版印刷或凸版印刷中的一种；
进一步，所述的石墨烯/聚合物复合透明电极，其特征在于电导率可达1000Scm-1～10000Scm-1,透光率为80％～95％，方阻为10Ωsq-1～100Ωsq-1，具有良好的柔性，弯曲1000次方阻变化＜5％，并具有良好的稳定性；
进一步，所述的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于具有良好的弯曲柔性和稳定性，弯曲1000次后电池的光电转换效率变化＜5％。
附图说明
图1为基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的结构示意图；其中，1为柔性基底；2为石墨烯/聚合物复合透明电极；3为空穴传输层；4为钙钛矿吸光层；5为电子传输层；6为背电极；
图2为石墨烯/聚合物复合透明电极的结构示意图，其中201为下层石墨烯，202为导电高分子聚合物，203为上层石墨烯。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本实施例的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的结构如图1所示，本实施例基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法步骤如下:
1、制备下层石墨烯201：在10um厚的PET基底上转移1层石墨烯薄膜，PET基底是一种柔性基底1；
2、制备导电高分子聚合物202：在石墨烯薄膜表面旋涂聚噻吩，其中聚噻吩溶液添加了0.3％的表面活性剂，薄膜退火后得到的厚度为10nm；
3、制备上层石墨烯203：在聚噻吩薄膜表面转移1层石墨烯薄膜，而形成石墨烯/聚合物复合透明电极2；
4、制备空穴传输层3：在上述透明电极表面旋涂PEDOT:PSS(4083)溶液，退火后获得薄膜厚度为10nm；
5、在PEDOT:PSS(4083)薄膜表面旋涂钙钛矿吸光层4：采用1:3的比例混合PbCl2和CH3NH3I溶液。其中PbCl2溶液浓度为0.8mol/L,CH3NH3I溶液浓度为2.4mol/L，退火厚获得薄膜厚度为50nm；
6、制备电子传输层5：在钙钛矿薄膜表面旋涂PCBM，经退火后获得的薄膜厚度为10nm；
7、制备背电极6：在真空环境下，使用热蒸镀法在上述薄膜上蒸镀金电极，厚度为30nm，得到该类钙钛矿太阳能电池。
实施效果：所制备的透明电极的方阻为100Ωsq-1，透光率为95％，具有良好的柔性，弯曲1000次方阻变化3％；所制备的柔性钙钛矿太阳能电池的效率为10％，具有良好的弯曲柔性和稳定性，弯曲1000次后电池的光电转换效率变化4％。
实施例二
本实施例的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的结构如图1所示，本实施例基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法步骤如下:
1、制备下层石墨烯201：在100um厚的PI基底上转移2层石墨烯薄膜，PI基底是一种柔性基底1；
2、制备导电高分子聚合物202：在石墨烯薄膜表面刮涂聚乙烯，其中聚噻吩溶液添加了0.5％的表面活性剂，薄膜退火后得到的厚度为50nm；
3、制备上层石墨烯203：在聚噻吩薄膜表面转移2层石墨烯薄膜，而形成石墨烯/聚合物复合透明电极2；
4、制备空穴传输层3：在上述透明电极表面刮涂CuSCN溶液，退火后获得薄膜厚度为30nm；
5、在CuSCN薄膜表面刮涂钙钛矿吸光层4：采用1:3的比例混合PbBr2和CH3NH3I溶液。其中PbBr2溶液浓度为0.8mol/L,CH3NH3I溶液浓度为2.4mol/L，退火厚获得薄膜厚度为100nm；
6、制备电子传输层5：在钙钛矿薄膜表面刮涂P3HT，经退火后获得的薄膜厚度为50nm；
7、制备背电极6：在真空环境下，使用热蒸镀法在上述薄膜上蒸镀银电极，厚度为70nm，得到该类钙钛矿太阳能电池。
实施效果：所制备的透明电极的方阻为50Ωsq-1，透光率为89％，具有良好的柔性，弯曲1000次方阻变化4％；所制备的柔性钙钛矿太阳能电池的效率为11％，具有良好的弯曲柔性和稳定性，弯曲1000次后电池的光电转换效率变化5％。
实施例三
本实施例的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的结构如图1所示，本实施例基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法步骤如下:
1、制备下层石墨烯201：在100um厚的PEN基底上转移3层石墨烯薄膜，PEN基底是一种柔性基底1；
2、制备导电高分子聚合物202：在石墨烯薄膜表面喷墨打印聚乙二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐，其中聚乙二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐溶液添加了1％的表面活性剂，薄膜退火后得到的厚度为100nm；
3、制备上层石墨烯203：在聚乙二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐薄膜表面转移3层石墨烯薄膜，而形成石墨烯/聚合物复合透明电极2；
4、制备空穴传输层3：在上述透明电极表面喷墨打印CuI溶液，退火后获得薄膜厚度为50nm；
5、在CuI薄膜表面喷墨打印钙钛矿吸光层4：采用1:3的比例混合SnCl2和CH3NH3I溶液。其中SnCl2溶液浓度为0.8mol/L,CH3NH3I溶液浓度为2.4mol/L，退火厚获得薄膜厚度为200nm；
6、制备电子传输层5：在钙钛矿薄膜表面喷墨打印氧化锌，经退火后获得的薄膜厚度为100nm；
7、制备背电极6：在真空环境下，使用热蒸镀法在上述薄膜上蒸镀铝电极，厚度为100nm，得到该类钙钛矿太阳能电池。
实施效果：所制备的透明电极的方阻为25Ωsq-1，透光率为85％，具有良好的柔性，弯曲1000次方阻变化3.5％；所制备的柔性钙钛矿太阳能电池的效率为12％，具有良好的弯曲柔性和稳定性，弯曲1000次后电池的光电转换效率变化4.5％。
实施例四
本实施例的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的结构如图1所示，本实施例基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法步骤如下:
1、制备下层石墨烯201：在500um厚的PEN基底上转移4层石墨烯薄膜，PEN基底是一种柔性基底1；
2、制备导电高分子聚合物202：在石墨烯薄膜表面丝网印刷聚吡咯，其中聚吡咯溶液添加了1％的表面活性剂，薄膜退火后得到的厚度为100nm；
3、制备上层石墨烯203：在聚吡咯薄膜表面转移4层石墨烯薄膜，而形成石墨烯/聚合物复合透明电极2；
4、制备空穴传输层3：在上述透明电极表面丝网印刷NiOx溶液，退火后获得薄膜厚度为100nm；
5、在NiOx薄膜表面丝网印刷钙钛矿吸光层4：采用1:3的比例混合SnBr2和CH3NH3I溶液。其中SnBr2溶液浓度为0.8mol/L,CH3NH3I溶液浓度为2.4mol/L，退火厚获得薄膜厚度为500nm；
6、制备电子传输层5：在钙钛矿薄膜表面丝网印刷二氧化钛，经退火后获得的薄膜厚度为100nm；
7、制备背电极6：在真空环境下，使用热蒸镀法在上述薄膜上蒸镀铜电极，厚度为200nm，得到该类钙钛矿太阳能电池。
实施效果：所制备的透明电极的方阻为10Ωsq-1，透光率为80％，具有良好的柔性，弯曲1000次方阻变化4.5％；所制备的柔性钙钛矿太阳能电池的效率为11.5％，具有良好的弯曲柔性和稳定性，弯曲1000次后电池的光电转换效率变化4.5％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池，自下而上依次包括柔性基底、石墨烯/聚合物复合透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和背电极，其特征在于：
所述柔性基底为PET、PEN、PI、PC及PDMS等柔性透明聚合物薄膜中的一种，其厚度为0.01～0.5mm，柔性基底在可见光波段的平均透光率高于90％；
所述石墨烯/聚合物复合透明电极为“石墨烯-导电高分子聚合物-石墨烯”三层薄膜构成的三明治结构；
所述空穴传输层为PETDOT:PSS(聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)、CuSCN(硫氰酸亚铜)、CuI(碘化亚铜)、NiOx(氧化镍)等材料中的一种，其厚度为10～100nm；钙钛矿吸光层可为CH3NH3BXmYn中的至少一种，其中B＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；m＝1，2，3；n＝3-m；
所述钙钛矿吸光层的厚度为50～500nm；
所述电子传输层为氧化锌、二氧化钛、PCBM(富勒烯衍生物)、P3HT(3-己基噻吩的聚合物)中的一种，其厚度为10～100nm；
所述背电极是通过真空蒸镀的方式沉积金、银、铝、铜中的一种，其厚度为30～200nm。
2.一种权利要求1所述的基于石墨烯/聚合物复合透明电极的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括石墨烯/聚合物复合透明电极的制备，其特征是石墨烯/聚合物复合透明电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一、在柔性基底上转移下层石墨烯薄膜；下层石墨烯薄膜通过CVD(化学气相沉积)方法在铜箔表面制备，并通过转移至柔性基底上，其层数为1～4层；
步骤二、在上述石墨烯薄膜上沉积导电高分子聚合物薄膜；导电高分子聚合物添加0.3％～3％的表面活性剂，以利于在石墨烯表面的成膜；
步骤三、在上述导电高分子聚合物薄膜上转移上层石墨烯薄膜，所述的上层石墨烯薄膜是通过CVD(化学气相沉积)方法在铜箔表面制备，并通过转移至导电高分子聚合物薄膜上，其层数为1～4层。
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