CN106910827B - 一种钙钛矿太阳能电池模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池模块及其制备方法。其中，钙钛矿太阳能电池模块有若干单节钙钛矿太阳能电池组成，在单节钙钛矿太阳能电池钙钛矿吸光层的一个断开端与对电极层之间具有顶部电荷传输材料形成的分隔层。所述分隔层是通过对顶部电荷传输层刻蚀区域的特殊设定，使钙钛矿吸光层的断开端能够保留有顶部电荷传输材料，从而实现了与对电极层的分隔。由于采用了分隔层的特殊设置，使得钙钛矿太阳能电池模块具有了较高的器件稳定性和电池效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池模块及其制备方法。
背景技术
太阳能光伏发电是解决目前日益严重的能源与环境问题的一种有效手段。经过数十年的发展，电池的种类从传统的单晶硅电池发展到各类新型太阳能电池，包括无机半导体薄膜电池、有机半导体薄膜电池、染料敏化电池以及钙钛矿薄膜电池等。在染料敏化太阳能电池基础上发展起来的钙钛矿太阳能电池，在短短几年内实现了光电转换效率的飙升，被Science评为“2013年十大科学突破”之一。钙钛矿太阳电池光电转换效率在短短几年的研究效率如此迅速的提升，这在太阳能电池研究领域是没有先例的，已经引起了国内外学术界和工业界广泛关注和兴趣。
这种新型太阳能电池包括透明导电基底(透明基底上沉积导电层)，在该导电基底上形成的光生电单元(例如，由电子传输层、钙钛矿光电转换层和空穴传输层形成的光生电单元)，以及对电极层。钙钛矿太阳能电池可以分为正式和反式两种，正式太阳能电池基本结构是FTO/电子传输层(如二氧化钛)/钙钛矿/空穴传输层(如Spiro-MeTAD)/金属电极(如Au)；反型钙钛矿电池基本结构是ITO或FTO/空穴传输层(如PEDOT:PSS)/钙钛矿/电子传输层(如PCBM)/金属电极(如Ag)。
作为第三代太阳能电池中的后起之秀，钙钛矿太阳能电池在最近五年获得飞速发展，目前的光电转换效率已经达到21％。但是，大部分报道的钙钛矿电池的有效工作面积均在0.3cm2以下，离工业化的标准还有很大距离。Matteocci et al.最先报道的钙钛矿太阳能电池模块为四块单电池串联，有效面积为16.8cm2，有效面积的效率为5.1％。但是由于其采用了遮掩膜的刻蚀方法，模块的有效面积率仅为67％，导致模块效率只有3.4％。后来采用激光切割的方法，模块的有效面积率提高到了84％，但是在5cm2的有效面积上，模块效率仍然只有6.6％，并且稳定性较差，模块效率衰减迅速。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单节钙钛矿太阳能电池。该电池采用了特殊的结构设计，具有较高的光电转换效率和稳定性。
本发明的另一目的是提供一种包括上述单节钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池模块。
本发明的又一目的是提供上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供了一种单节钙钛矿太阳能电池，该单节钙钛矿太阳能电池包括基底、导电层、对电极层，以及设于所述导电层和对电极之间用于实现电子传输、光吸收和空穴传输功能的光生电单元；所述光生电单元包括底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层和顶部电荷传输层；其中，所述中部钙钛矿吸光层的一个断开端与对电极层之间具有顶部电荷传输材料形成的分隔层。
在现有技术的钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿吸光层的断开端一般是与对电极层直接接触的，我们研究后发现，这种结构存在以下缺点：一方面，部分钙钛矿可不经过电荷传输层而直接在对电极层界面进行电荷分离，这将导致电池效率降低；另一方面，对电极层跟与其相接触的钙钛矿中的部分元素(主要为卤素，例如碘)会发生反应，从而使电池器件的稳定性变差。为此，本发明设计了一种结构特殊的单节钙钛矿太阳能电池，成功避免了钙钛矿吸光层和对电极层的直接接触。在该单节钙钛矿太阳能电池中，通过对顶部电荷传输层刻蚀区域的特殊设定，使钙钛矿吸光层的断开端能够保留有顶部电荷传输材料，从而实现了与对电极层的分隔。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，分隔层的作用是避免钙钛矿吸光层断开端与对电极层的直接接触，在满足该条件下，分隔层的宽度(平均水平厚度)可根据实际情况进行调整，一般越厚越有利于钙钛矿吸光层与对电极层的分隔，但是，宽度太大会降低电池的有效面积率，因此，具体应用时，可结合实际情况进行合理调整。另外，分隔层既可以向下延伸至导电层的上方，也可以一直延伸至基底，可视具体需求而定。相应的，对电极层在刻蚀沟道内向下延伸的深度一般与分隔层相同。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述分隔层的宽度为25-100μm；优选为40-70μm；进一步优选为50-60μm。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，中部钙钛矿吸光层的断开端具有第一斜坡结构，所述第一斜坡结构具有与基底呈110-170°的第一坡面；优选为呈120-160°；进一步优选为呈130-155°。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，该单节钙钛矿太阳能电池导电层的断开端具有第二斜坡结构，所述第二斜坡结构具有与基底成110-170°的第二坡面；优选为呈120-160°；进一步优选为呈130-155°。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，在所述分隔层中，其与对电极层相接触的端面为第三坡面，所述第三坡面与基底呈110-170°；优选为呈120-160°；进一步优选为呈130-155°。
在常规的钙钛矿太阳能电池中，刻蚀出的沟道一般具有直角型的侧墙，但这种结构容易造成后续的覆盖层在直角处产生过薄或局部断开等缺陷；这些缺陷对电池器件的影响因子和稳定性都存在较大影响。为此，本发明通过刻蚀产生第一坡面、第二坡面、第三坡面，即可大大减少上述缺陷，进一步增加了钙钛矿太阳能电池器件的影响因子和稳定性。在实际应用中，很容易通过激光刻蚀法等获得一定角度的坡面。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述底部电荷传输层为电子传输层，所述顶部电荷传输层为空穴传输层；或，所述底部电荷传输层为空穴传输层，所述顶部电荷传输层为电子传输层。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述基底、导电层、对电极层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层或顶部电荷传输层之间设置有辅助层，所述辅助层用于改善相应层材料的强度、平整度、粘接性或透光率。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述导电层选自氧化铟锡层、掺杂铝的氧化锌层或掺杂氟的氧化锡层。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述基底的材质包括玻璃、金属、陶瓷或耐高温有机聚合物。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述电子传输层选自无机电子传输材料或有机电子传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机电子传输材料包括TiO2、ZnO或SnO2；所述有机电子传输材料包括PCBM。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述空穴传输层选自无机空穴传输材料或有机空穴传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机空穴传输材料包括NiO、Cu2O或MoO3；所述有机空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS或PTAA。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述钙钛矿光吸收层中包含一种或几种钙钛矿材料ABX3，A为NH＝CHNH3、CH3NH3或Cs；B为Pb或Sn；X为I、Cl或Br。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述对电极层为金属电极或非金属电极，所述金属电极包括Al、Ag、Au、Mo和Cr中的一种或多种的组合；所述非金属电极包括碳电极。
本发明还提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，其中，该钙钛矿太阳能电池模块包括两个以上上述单节钙钛矿太阳能电池；各单节钙钛矿太阳能电池分置于一块整体基底材料上。由于在一块整体基底上可以一次性制备包含若干单节钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池模块，将本发明提供的“分隔层”的结构应用于钙钛矿太阳能电池模块的制造工艺中，可以使钙钛矿太阳能电池模块具有较高的器件稳定性和电池效率。
在上述钙钛矿太阳能电池模块中，优选地，相邻的单节钙钛矿太阳能电池之间为串联连接；更优选地，所述串联连接的具体方式为：前一个单节钙钛矿太阳能电池的对电极层与后一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层联通。
在上述钙钛矿太阳能电池模块中，为了制备包含若干单节钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池模块，首先需要在导电层上刻蚀出单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区。在本发明提供的钙钛矿太阳能电池模块中，绝缘区最好设置在单节钙钛矿太阳能电池的钙钛矿吸光层断开端内侧，具体位置可根据实际情况进行调整。当然，也可以设置较宽的绝缘区，扩展至钙钛矿吸光层的整个刻蚀沟道。
本发明另提供了一种上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法，其中，所述分隔层是通过对中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料获得的。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法中，对于导电层、对电极层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层的刻蚀区域(包括刻蚀宽度、刻蚀位置、刻蚀深度等)，按照本领域的常规设置即可。需要注意的是，为了获得分隔层，制备工艺是在底部电荷传输层上覆盖中部钙钛矿吸光层后，先在中部钙钛矿吸光层上刻蚀出刻蚀沟道，然后再覆盖顶部电荷传输层；而现有技术的工艺一般是直接在中部钙钛矿吸光层上继续覆盖顶部电荷传输层，然后一起对中部钙钛矿吸光层和顶部电荷传输层进行刻蚀。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法，优选地，该方法包括以下步骤：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；
(4)对所述中部钙钛矿吸光层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法中，优选地，在上述步骤(1)、步骤(4)、步骤(6)和步骤(8)中，刻蚀操作采用激光刻蚀；进一步优选地，通过调整激光刻蚀的入射角度获得具有不同角度的刻蚀坡面。使用激光刻蚀时，参数设置参照本领域的常规数值即可，通过程序化的设定，可以很方便的制备钙钛矿太阳能电池模块。在本发明的一种优选实施方式中，采用纳秒脉冲激光，波长λ＝532nm，步骤(1)的刻蚀程序中，功率为2000-4000mW，速度为10-300mm/s，频率为20000-40000Hz；刻蚀的宽度为25-200μm；步骤(4)的刻蚀程序中，功率为200-500mW，速度为10-100mm/s，频率为20000-50000Hz；刻蚀的宽度优选为25-1000μm；步骤(6)的刻蚀程序中，功率为100-300mW，速度为10-100mm/s，频率为30000-60000Hz；刻蚀的宽度优选为50-300μm；步骤(8)的刻蚀程序中，功率为300-600mW，速度为10-100mm/s，频率为80000-120000Hz；刻蚀的宽度优选为50-300μm。
附图说明
图1为实施例1中四刀法钙钛矿太阳能电池模块的截面示意图；
图2为对比例1中三刀法钙钛矿太阳能电池模块的截面示意图；
图3为测试例1中四刀法和三刀法钙钛矿太阳能电池模块的电流密度-电压曲线图；
图4为测试例1中四刀法和三刀法钙钛矿太阳能电池模块光电转换效率的稳定性曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块(其截面示意图如图1所示)，具体制备步骤包括(该方法总共刻蚀了四次，因此简称四刀法)：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；具体为：
所述基板的材质为玻璃(粗糙度为10nm)，玻璃上附着导电层(透明导电玻璃)，所述导电层为掺杂氟的SnO2层；
将80×80mm的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在透明导电玻璃表面，然后按照设定参数进行刻蚀，获得导电层上的绝缘区；刻蚀参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，刻蚀宽度为100μm。
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；所述底部电荷传输层为氧化镍层，厚度为20nm。
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3，厚度为400nm。
(4)对所述中部钙钛矿吸光层和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍层和CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，用激光对钙钛矿吸光层刻蚀和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；
刻蚀参数具体为功率为300mW，速度30mm/s，频率40000Hz，刻蚀宽度为350μm。
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；所示顶部电荷传输层为PCBM，厚度为30nm。
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层和PCBM的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中PCBM的表面，进行部分刻蚀(刻蚀300μm)，保留覆盖钙钛矿吸光层断开端处的PCBM(保留50μm，分隔层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为200mW，速度50mm/s，频率50000Hz。
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；对电极层为银，厚度为100nm。
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、PCBM和银电极的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中银电极表面，进行部分刻蚀(刻蚀100μm，刻蚀出的区域为相邻两节电池的隔断区)，保留覆盖于PCBM相应断开端处的银材料(保留200μm，即对电极层的水平厚度，即相邻两节电池的连接区)；刻蚀参数具体为功率为400mW，速度20mm/s，频率100000Hz。
对比例1
本对比例提供了一种用于对比的钙钛矿太阳能电池模块(其截面示意图如图2所示)，具体制备步骤包括(该方法总共刻蚀了三次，因此简称三刀法)：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；具体为：
所述基板的材质为玻璃(粗糙度为10nm)，玻璃上附着导电层(透明导电玻璃)，所述导电层为掺杂氟的SnO2层；
将80×80mm的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在透明导电玻璃表面，然后按照设定参数进行刻蚀，获得导电层上的绝缘区；刻蚀参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，刻蚀宽度为100μm。
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；所述底部电荷传输层为氧化镍层，厚度为20nm。
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3，厚度为400nm。
(4)在所述钙钛矿吸光层上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；所示顶部电荷传输层为PCBM，厚度为30nm。
(5)对所述顶部电荷传输层、中部钙钛矿吸光层和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层和PCBM层的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，然后按照设定参数，依次对顶部电荷传输层、中部钙钛矿吸光层和底部电荷传输层进行刻蚀、获得刻蚀沟道；
刻蚀参数具体为功率为300mW，速度30mm/s，频率40000Hz，刻蚀宽度为300μm。
(6)在所述顶部电荷传输层和刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；对电极层为银，厚度为100nm。
(7)对刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，获得所述钙钛矿太阳能电池模块具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、PCBM和银电极的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中银电极表面，进行部分刻蚀(刻蚀100μm，刻蚀出的区域为相邻两节电池的隔断区)；刻蚀参数具体为功率为400mW，速度20mm/s，频率100000Hz。
测试例1
本测试例提供了实施例1四刀法和对比例1三刀法制备的钙钛矿太阳能电池模块的性能测试实验，具体如下：
(1)在标准模拟太阳光照射条件下(AM 1.5G)，对钙钛矿太阳能电池模块进行电流密度-电压曲线的测试，所有测试进行前都由标准硅电池对光源进行校正，并且用黑色遮掩膜对模块有效工作区域进行限定。
(2)钙钛矿太阳能电池模块的光电转换效率的稳定性测试方法为每隔三天进行一次测试，期间钙钛矿太阳能模块储存在避光条件下，温度25℃，湿度50％。
(3)对测试结果进行记载和分析，图3为四刀法和三刀法钙钛矿太阳能电池模块的电流密度-电压曲线；图4为四刀法和三刀法钙钛矿太阳能电池模块光电转换效率的稳定性曲线图；表1为具体测试结果。
表1四刀法和三刀法测试结果
通过图3和表1可知，四刀法相比于三刀法具有更高的光电转换效率，主要体现在填充因子的提高上，这主要是由于四刀法中的分隔层对钙钛矿的保护。
通过图4和表1可知，四刀法制备的太阳能电池模块经历30天的测试，光电转换效率基本没变，而三刀法制备的太阳能电池模块经历30天后效率减半，因此四刀法相比于三刀法具有更好的稳定性。这主要是由于四刀法避免了对电极和钙钛矿的直接接触，从而减缓了钙钛矿与对电极的反应。
实施例2
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于：
底部电荷传输层为二氧化钛层；
顶部电荷传输层为Spiro-OMeTAD，且厚度为100nm。
实施例3
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于：
底部电荷传输层为二氧化钛层；
顶部电荷传输层为Spiro-OMeTAD，且厚度为100nm；
电极层材质为金。
实施例4
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于：
底部电荷传输层为二氧化钛层；
顶部电荷传输层为PTAA，且厚度为100nm；
电极层材质为金。
实施例5
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，制备步骤基本与实施例1相同，不同之处在于：
导电层的刻蚀宽度为80μm；
顶部电荷传输层为PTAA，且厚度为100nm；
电极层材质为金。
实施例6
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，具体制备步骤包括：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；具体为：
所述基板的材质为玻璃(粗糙度为10nm)，玻璃上附着导电层(透明导电玻璃)，所述导电层为掺杂氟的SnO2层；
将80×80mm的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在透明导电玻璃表面，然后按照设定参数进行刻蚀，获得绝缘区；刻蚀参数具体为功率为2000mW，速度50mm/s，频率20000Hz，刻蚀宽度为80μm。
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；所述底部电荷传输层为二氧化钛层，厚度为20nm。
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3，厚度为400nm。
(4)对所述中部钙钛矿吸光层和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；具体为：
将80×80mm的覆盖有二氧化钛层和CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，用激光对钙钛矿吸光层刻蚀和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；刻蚀参数具体为功率为200mW，速度20mm/s，频率50000Hz，刻蚀宽度为330μm。
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；所示顶部电荷传输层为PTAA，厚度为100nm。
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；具体为：
将80×80mm的覆盖有二氧化钛层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层和PTAA的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中PTAA的表面，进行部分刻蚀(刻蚀300μm)，保留覆盖钙钛矿吸光层断开端处的PTAA(保留30μm，即分隔层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为100mW，速度60mm/s，频率40000Hz。
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；对电极层为金，厚度为100nm。
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块具体为：
将80×80mm的覆盖有二氧化钛层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、PTAA和金电极的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中金电极表面，进行部分刻蚀(刻蚀200μm)，保留覆盖于PTAA相应断开端处的金材料(保留100μm，即对电极层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为300mW，速度30mm/s，频率90000Hz。
实施例7
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，具体制备步骤包括：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；具体为：
所述基板的材质为柔性PET(粗糙度为10nm)，PET上附着导电层(透明导电柔性PET)，所述导电层为掺杂氟的SnO2层；
将80×80mm的透明导电柔性PET放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在透明导电柔性PET表面，然后按照设定参数进行刻蚀，获得导电层上的绝缘区；刻蚀参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，刻蚀宽度为80μm。
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；所述底部电荷传输层为二氧化钛层，厚度为20nm。
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3，厚度为400nm。
(4)对所述中部钙钛矿吸光层和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；具体为：
将80×80mm的覆盖有二氧化钛层和CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层的透明导电柔性PET放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，用激光对钙钛矿吸光层刻蚀和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；刻蚀参数具体为功率为300mW，速度30mm/s，频率40000Hz，刻蚀宽度为330μm。
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；所示顶部电荷传输层为PTAA，厚度为100nm。
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；具体为：
将80×80mm的覆盖有二氧化钛层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层和PTAA的透明导电柔性PET放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中PTAA的表面，进行部分刻蚀(刻蚀300μm)，保留覆盖钙钛矿吸光层断开端处的PTAA(保留30μm，即分隔层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为200mW，速度50mm/s，频率50000Hz。
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；对电极层为金，厚度为100nm。
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块具体为：
将80×80mm的覆盖有二氧化钛层、CH3NH3PbI3钙钛矿吸光层、PTAA和金电极的透明导电柔性PET放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中金电极表面，进行部分刻蚀(刻蚀100μm)，保留覆盖于PTAA相应断开端处的金材料(保留200μm，即对电极层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为400mW，速度20mm/s，频率100000Hz。
实施例8
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，具体制备步骤包括：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；具体为：
所述基板的材质为玻璃(粗糙度为10nm)，玻璃上附着导电层(透明导电玻璃)，所述导电层为掺杂氟的SnO2层；
将80×80mm的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在透明导电玻璃表面，然后按照设定参数进行刻蚀，获得导电层上的绝缘区；刻蚀参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，刻蚀宽度为100μm。
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；所述底部电荷传输层为氧化镍层，厚度为20nm。
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；钙钛矿吸光层为NH2CH＝NH2PbI3，厚度为400nm。
(4)对所述中部钙钛矿吸光层和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍层和NH2CH＝NH2PbI3钙钛矿吸光层的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，用激光对钙钛矿吸光层刻蚀和底部电荷传输层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；刻蚀参数具体为功率为300mW，速度30mm/s，频率40000Hz，刻蚀宽度为350μm。
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；所示顶部电荷传输层为PCBM，厚度为30nm。
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍层、NH2CH＝NH2PbI3钙钛矿吸光层和PCBM的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中PCBM的表面，进行部分刻蚀(刻蚀300μm)，保留覆盖钙钛矿吸光层断开端处的PCBM(保留50μm，即分隔层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为200mW，速度50mm/s，频率50000Hz。
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；对电极层为银，厚度为100nm。
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块具体为：
将80×80mm的覆盖有氧化镍层、NH2CH＝NH2PbI3钙钛矿吸光层、PTAA和银电极的透明导电玻璃放置于夹具之中，固定好位置，通过控制软件设定刻蚀位置和参数，将激光光束聚焦在刻蚀沟道中银电极表面，进行部分刻蚀(刻蚀100μm)，保留覆盖于PTAA相应断开端处的银材料(保留200μm，即对电极层的水平厚度)；刻蚀参数具体为功率为400mW，速度20mm/s，频率100000Hz。
Claims (21)
1.一种钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，该钙钛矿太阳能电池模块包括两个以上的单节钙钛矿太阳能电池；各单节钙钛矿太阳能电池分置于一块整体基底材料上；
所述单节钙钛矿太阳能电池包括基底、导电层、对电极层，以及设于所述导电层和对电极之间用于实现电子传输、光吸收和空穴传输功能的光生电单元；所述光生电单元包括底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层和顶部电荷传输层；
所述中部钙钛矿吸光层的一个断开端与对电极层之间具有顶部电荷传输材料形成的分隔层；
该钙钛矿太阳能电池模块按照以下步骤制备：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；
(4)对所述中部钙钛矿吸光层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述分隔层的宽度为25-100μm。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述分隔层的宽度为40-70μm。
4.根据权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述分隔层的宽度为50-60μm。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，中部钙钛矿吸光层的断开端具有第一斜坡结构，所述第一斜坡结构具有与基底呈110-170°的第一坡面。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述第一斜坡结构具有与基底呈120-160°的第一坡面。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述第一斜坡结构具有与基底呈130-155°的第一坡面。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，该单节钙钛矿太阳能电池导电层的断开端具有第二斜坡结构，所述第二斜坡结构具有与基底呈110-170°的第二坡面。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述第二斜坡结构具有与基底＝呈120-160°的第二坡面。
10.根据权利要求9所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述第二斜坡结构具有与基底呈130-155°的第二坡面。
11.根据权利要求1-10任一项所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，在所述分隔层中，其与对电极层相接触的端面为第三坡面，所述第三坡面与基底呈110-170°。
12.根据权利要求11所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述第三坡面与基底呈120-160°。
13.根据权利要求12所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述第三坡面与基底呈130-155°。
14.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述底部电荷传输层为电子传输层，所述顶部电荷传输层为空穴传输层；或
所述底部电荷传输层为空穴传输层，所述顶部电荷传输层为电子传输层。
15.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述基底、导电层、对电极层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层或顶部电荷传输层之间设置有辅助层，所述辅助层用于改善层材料的强度、平整度、粘接性或透光率。
16.根据权利要求14所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，
所述导电层包括氧化铟锡层、掺杂铝的氧化锌层或掺杂氟的氧化锡层；
所述基底包括玻璃基底、金属基底、陶瓷基底或耐高温有机聚合物基底；
所述电子传输层选自无机电子传输材料或有机电子传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机电子传输材料包括TiO2、ZnO或SnO2；所述有机电子传输材料包括PCBM；
所述空穴传输层选自无机空穴传输材料或有机空穴传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机空穴传输材料包括NiO、Cu2O或MoO3；所述有机空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS或PTAA；
所述钙钛矿光吸收层中包含一种或几种钙钛矿材料ABX3，A为NH＝CHNH3、CH3NH3或Cs；B为Pb或Sn；X为I、Cl或Br；
所述对电极层为金属电极或非金属电极，所述金属电极的材料包括Al、Ag、Au、Mo和Cr中的一种或多种的组合；所述非金属电极包括碳电极。
17.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，相邻的单节钙钛矿太阳能电池之间为串联连接。
18.根据权利要求17所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，所述串联连接的具体方式为：前一个单节钙钛矿太阳能电池的对电极层与后一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层联通。
19.一种权利要求1-18任一项所述的钙钛矿太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，分隔层是通过对中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料获得的；
该方法包括以下步骤：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层；
(4)对所述中部钙钛矿吸光层进行刻蚀，获得刻蚀沟道；
(5)在所述中部钙钛矿吸光层和刻蚀沟道上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；
(6)对所述中部钙钛矿吸光层刻蚀沟道中的顶部电荷传输材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于钙钛矿吸光层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得分隔层；
(7)在所述顶部电荷传输层和剩余部分刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；
(8)对剩余部分刻蚀沟道中的对电极材料进行部分刻蚀，并保留覆盖于顶部电荷传输层相应断开端处的顶部电荷传输材料，获得所述钙钛矿太阳能电池模块。
20.根据权利要求19所述的钙钛矿太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，在上述步骤(1)、步骤(4)、步骤(6)和步骤(8)中，刻蚀操作采用激光刻蚀。
21.根据权利要求20所述的钙钛矿太阳能电池模块的制备方法，其特征在于，通过调整激光刻蚀的入射角度获得具有不同角度的刻蚀坡面。
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