CN106058058A - 一种半透明钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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陆仕荣
杨俊�
汤林龙
姬乙雄
麻超燕
罗伟
魏兴战
史浩飞
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Abstract

本发明属于半导体光电子器件领域，具体为一种半透明钙钛矿太阳能电池，该电池结构从下至上依次为透明衬底、第一透明电极层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、第二透明电极层；其中第二透明电极层作为电池阴极，具体为电子提取层/导电层复合结构，其中导电层为超薄金属Ag或导电高分子材料PEDOT:PSS PH1000；其中，除钙钛矿吸光层为半透明结构外，其他层结构均为透明结构。该太阳能电池结构具有低成本、高效率等优点，利用半透明特性可将其整合到各式各样的产品，为钙钛矿的最终商业化提供新的思路。

Description

一种半透明钙钛矿太阳能电池
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种高效率、低成本半透明钙钛矿太阳能电池。
背景技术
随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭，新能源尤其是太阳能电池成为国内外研究关注的一个热点。目前无机太阳能电池已产业化，然而其成本太高，有机太阳能电池效率太低，前景都不明朗。钙钛矿太阳能电池自2009年第一次报道以来，以其超低成本溶液法制备工艺而受到研究人员的青睐，能量转换效率由最初的3.8％提升到了20.2％，随着研究的不断深入，电池的效率极有可能超过目前发展成熟的单晶硅太阳能电池。
当前，大多数太阳能电池是完全不透明的，从而使得入射到电池上的所有光基本上都被电池吸收，最大化光吸收将使得太阳能电池产生的电力最大化。然而，在某些应用中，期望在允许某些光通过器件的布置(例如窗户、天窗或者顶棚)中使用电池器件，这样半透明钙钛矿太阳能电池的研究变得很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的问题，利用透明电极和半透明功能层实现半透明钙钛矿太阳能电池。
本发明所提供的一种半透明钙钛矿太阳能电池，该电池结构从下至上依次为透明衬底、第一透明电极层、半透明功能层、第二透明电极层；其中，半透明功能层由三层结构组成，从下至上依次为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；
所述第一透明电极层作为电池器件阳极，材料为ITO，由溅射镀膜制得，厚度为100纳米，为透明结构；
所述空穴传输层和电子传输层为载流子传输层，空穴传输层材料为PEDOT:PSSAI4083、NiOx，厚度为40-80纳米；电子传输层材料为PCBM、ZnO，厚度为50-70纳米，均为透明结构；
所述钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3PbI3，厚度为100-200纳米，优选为140-180纳米，为半透明结构；
载流子传输层和钙钛矿吸光层采用旋转涂布溶液法加工成膜；
所述第二透明电极层作为电池器件阴极，具体为电子提取层/导电层复合结构，其中电子提取层为Rhodamine101、LiF等；导电层为超薄金属Ag或导电高分子材料PEDOT:PSSPH1000。超薄金属Ag的厚度为8-10纳米，由热蒸发制得；导电高分子材料PEDOT:PSS PH1000的厚度为100纳米，由旋涂制得，均为透明结构。
本发明所提供的半透明钙钛矿太阳能电池克服了背景技术中的不足，该太阳能电池结构具有低成本、高效率等优点，利用半透明特性还可将其整合到各式各样的产品，为钙钛矿的最终商业化提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明所提供的一种半透明钙钛矿太阳能电池的结构示意图；其中，101为透明衬底，102为第一透明电极层，103为空穴传输层，104为钙钛矿吸光层，105为电子传输层，106为第二透明电极层；半透明功能层包括103、104和105。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种基于超薄金属Ag阴极的半透明钙钛矿太阳能电池，电池结构示意图如附图1所示，电池结构从下至上依次为：透明衬底101，材料为石英玻璃；第一透明电极层102，材料为ITO，作为器件阳极，厚度为100纳米；空穴传输层103，材料为PEDOT:PSSAI4083，厚度为40纳米；钙钛矿吸光层104，材料为CH3NH3PbI3，厚度为140纳米；电子传输层105，材料为PCBM，厚度为50纳米；第二透明电极层106为电子提取层/导电层复合结构，电子提取层为Rhodamine101/LiF，其中Rhodamine101和LiF的厚度均为1纳米，导电层为超薄金属Ag，厚度为10纳米。
本实施例所提供的钙钛矿太阳能电池的制备方法为：在石英玻璃上溅射镀膜形成ITO阳极，方阻低于10Ω/□。在洁净环境中旋转涂布AI4083，转速5000RPM。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3、PCBM、Rhodamine101，将1:1摩尔比的MAI/PbI2溶在DMF中形成40wt％的CH3NH3PbI3前驱体溶液，在60度下加热30分钟，之后加入100ul HI/1ml钙钛矿溶液，将钙钛矿前驱体70度加热，在3000RPM的转速下旋转涂布200秒，100度下退火2分钟，形成厚度约为140nm的吸光层。将PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的转速下制得厚度约为50nm的电子传输层。在2000RPM转速下，制备1纳米Rhodamine101(0.05wt％，IPA)。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀1纳米LiF和10纳米超薄Ag电极，完成器件的制备。
实施例2
本实施例提供一种基于PH1000阴极的半透明钙钛矿太阳能电池，电池结构示意图如附图1所示，电池结构从下至上依次为：透明衬底101，材料为石英玻璃；第一透明电极层102，材料为ITO，作为器件阳极，厚度为100纳米；空穴传输层103，材料为PEDOT:PSSAI4083，厚度为40纳米；钙钛矿吸光层104，材料为CH3NH3PbI3-xClx，厚度为160纳米；电子传输层105，材料为PCBM，厚度为50纳米；第二透明电极层106为电子提取层/导电层复合结构，电子提取层为Rhodamine101/LiF，其中Rhodamine101和LiF的厚度均为1纳米，导电层为高分子材料PH1000，厚度为100纳米。
本实施例所提供的钙钛矿太阳能电池的制备方法为：在石英玻璃上溅射镀膜形成ITO阳极，方阻低于10Ω/□。在洁净环境中旋转涂布AI4083，形成约60纳米的薄膜。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3-XClX、PCBM、Rhodamine101，CH3NH3PbI3-XClX由0.08M PbCl2、0.97M PbI2和1MMAI溶在体积比为3:7的DMSO/GBL混合有机溶剂中，将钙钛矿前驱体70度加热，旋涂条件为第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的时候用160ul无水甲苯萃取，得到表面光滑的钙钛矿薄膜，在100度下退火20分钟，形成厚度约为160nm的吸光层。将PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的转速下制得厚度约为50nm的电子传输层。在2000RPM转速下，制备1纳米Rhodamine101(0.05wt％，IPA)。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀1纳米LiF，最后，涂布一层100nm厚的PH1000阴极，完成半透明电池的制备。
实施例3
本实施例提供一种基于超薄金属Ag阴极的半透明钙钛矿太阳能电池，电池结构示意图如附图1所示，电池结构从下至上依次为：透明衬底101，材料为石英玻璃；第一透明电极层102，材料为ITO，作为器件阳极，厚度为100纳米；空穴传输层103，材料为NiOx，厚度为80纳米；钙钛矿吸光层104，材料为CH3NH3PbI3，厚度为180纳米；电子传输层105，材料为ZnO，厚度为70纳米；第二透明电极层106为电子提取层/导电层复合结构，电子提取层为LiF，其中LiF的厚度为1纳米，导电层为超薄金属Ag，厚度为8纳米。
本实施例所提供的钙钛矿太阳能电池的制备方法为：在石英玻璃上溅射镀膜形成ITO阳极，方阻低于10Ω/□。在洁净环境中，旋涂NiOx前驱体溶液，在300度下退火60分钟形成空穴传输层。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3、ZnO，将1:1摩尔比的MAI/PbI2溶在DMF中形成40wt％的CH3NH3PbI3前驱体溶液，在60度下加热30分钟，之后加入100ulHI/1ml钙钛矿溶液，将钙钛矿前驱体70度加热，在2500RPM的转速下旋转涂布200秒，100度下退火2分钟，形成厚度约为180nm的吸光层。将ZnO分散在氯苯中，形成质量比为2％的溶液，旋涂制得厚度约为70nm的电子传输层。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀1纳米LiF和8纳米超薄Ag电极，完成器件的制备。
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 (1)

1.一种半透明钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该电池结构从下至上依次为透明衬底、第一透明电极层、半透明功能层、第二透明电极层；其中，半透明功能层由三层结构组成，从下至上依次为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；
所述第一透明电极层作为电池器件阳极，材料为ITO；
所述空穴传输层和电子传输层为载流子传输层，空穴传输层材料为PEDOT:PSSAI4083、NiOx；电子传输层材料为PCBM、ZnO，均为透明结构；
所述钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3-xClx、CH3NH3PbI3，厚度为100-200纳米，优选为140-180纳米，为半透明结构；
所述第二透明电极层作为电池器件阴极，具体为电子提取层/导电层复合结构，其中电子提取层为Rhodamine101、LiF，导电层为超薄金属Ag或导电高分子材料PEDOT:PSSPH1000，超薄金属Ag的厚度为8-10纳米，导电高分子材料PEDOT:PSS PH1000的厚度为100纳米，均为透明结构。
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