CN107591483A - 一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于钙钛矿太阳能电池领域。包括衬底，依次形成于衬底之上的导电电极、微纳颗粒陷光层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、纳米Ag光栅和金属电极，其中，所述微纳颗粒陷光层为TiO₂微纳颗粒。本发明混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池中引入微纳结构，可显著提升太阳能电池的陷光能力，通过增加入射光的散射、延长入射光在太阳能电池中的光程来增强太阳能电池对光的吸收，从而增加电池的光电流，有效提升太阳能电池的转换效率；同时，在该太阳能电池的背电极引入纳米Ag光栅，结合银电极的背反射，可有效增加对透射光的背反射效果，进一步增强电池对入射光的吸收。

Description

一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，尤其涉及一种具有混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

光伏太阳能电池是目前发展最迅速的清洁能源之一，其主要代表是晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。由于光的反射和透射，使得大部分的光线不能被太阳能电池的吸光层所吸收，从而影响了太阳能电池的光电转换效率。为了解决这一问题，人们研发了大量的技术来降低太阳能电池对光的反射和透射。对晶硅电池，主要是通过制备表面的金字塔结构(单晶)或粗糙的结构(多晶)形成陷光层，实现对光线的多次散射、降低光的反射率的目的；同时结合减反膜的制备，进一步降低对光的反射。对非晶硅薄膜太阳能电池，其吸光层的厚度较薄，只有几十微米，由于光的透射随吸光层的厚度的减小而增大，使得薄膜太阳能电池具有较大的透光率，这就导致薄膜太阳能电池陷光结构的设计更复杂，主要是通过在电池表面引入增透膜以及在电池内部引入各种结构的光栅，增加光线在吸收层的传播路径或提升光的背反射效果，来实现增强太阳能电池对入射光的吸收的目的。

近年来，一种采用有机无机杂化的钙钛矿金属卤化物ABX₃(A：CH₃NH₃ ⁺；B：Pb²⁺；X：Cl^-,Br^-,I^-)作为吸光层的太阳能电池即钙钛矿太阳能电池，由于其出色的光电转换效率而受到人们的广泛关注。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从2009年的3.8％提升至2015年的20％左右，对比于晶硅电池花费了50年时间将效率提升至25％的最高转换效率，钙钛矿太阳能电池转换效率的提升速度是非常迅速的。目前，对于钙钛矿太阳能电池的研究，大部分还集中在对钙钛矿吸光层、电子传输层和空穴传输层的探索上，对于钙钛矿太阳能电池本身结构的改进上还有很大的提升空间。钙钛矿吸光层一般厚度为几十微米，和薄膜太阳能电池一样，钙钛矿太阳能电池也具有较高的透射率，因此，如何通过引入陷光结构来提升太阳能电池的光吸收率，进而提升其光电转换效率，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的钙钛矿太阳能电池的光吸收率较低的技术问题，提出一种能增强太阳能电池光吸收率、降低太阳能电池透光率的具有混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，包括衬底，依次形成于衬底之上的导电电极、微纳颗粒陷光层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、纳米Ag光栅和金属电极，其中，所述微纳颗粒陷光层为TiO₂微纳颗粒。

进一步地，所述微纳颗粒陷光层是直径为200～1000nm的TiO₂微纳颗粒。TiO₂是钙钛矿太阳能电池的电池传输材料，采用其制作的微纳颗粒陷光层吸收系数很小，不会对光产生吸收作用，几百纳米的TiO₂微纳颗粒具有较强的光散射作用，同时又兼顾电子传输的作用，是一种性能优良的钙钛矿太阳能电池的微纳陷光层材料。

进一步地，所述微纳颗粒陷光层的厚度为1～1.5μm。

进一步地，所述纳米Ag光栅是周期为16～20nm，宽度为6～8nm，高度为10～30nm的光栅结构，相邻光栅之间的距离为10～13nm。

进一步地，所述微纳颗粒陷光层是通过将200～1000nm的TiO₂微纳颗粒配制成浆料刮涂于导电玻璃上，经煅烧得到的。

进一步地，所述纳米Ag光栅是采用紫外纳米压印技术制备得到的。

一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用水解法制备粒径为200～1000nm的TiO₂微纳颗粒，配制成浆料后，采用刮涂法涂覆于导电玻璃上，加热煅烧，得到TiO₂微纳颗粒陷光层；

步骤2、采用旋涂法在步骤1得到的TiO₂微纳颗粒陷光层上依次形成电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；

步骤3、在步骤2得到的空穴传输层上旋涂压印胶后，通过压印版压印和紫外光照射，形成纳米光栅图案，然后采用蒸镀法制备纳米Ag光栅和Ag薄膜，最后采用氧等离子体除胶技术去除压印胶后，得到纳米Ag光栅和金属电极；即完成混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备。

本发明的有益效果为：

1、本发明混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池中引入微纳结构，可显著提升太阳能电池的陷光能力，通过增加入射光的散射、延长入射光在太阳能电池中的光程来增强太阳能电池对光的吸收，从而增加电池的光电流，有效提升太阳能电池的转换效率；同时，在该太阳能电池的背电极引入纳米Ag光栅，结合银电极的背反射，可有效增加对透射光的背反射效果，进一步增强电池对入射光的吸收。

2、本发明采用与电子传输层材料相同的TiO₂作为微纳结构的陷光材料，避免了不同材料的界面效应导致的电子空穴对的复合，在提升电池的陷光能力的同时能保证其转换效率不受影响；同时，该陷光结构采用刮涂法形成，工艺简单，成本低廉。

3、本发明通过在钙钛矿太阳能电池的顶部和底部分别引入微纳结构的陷光层和纳米Ag光栅的混合陷光结构，解决了太阳能电池光程短、吸光层透射率高的问题，提升了钙钛矿太阳能电池对光的吸收。

附图说明

图1为本发明实施例提供的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；自下而上依次为玻璃衬底、FTO、微纳TiO₂颗粒陷光层、电子传输层TiO₂、钙钛矿吸光层，空穴传输层Spiro-MeOTAD、纳米Ag光栅和银电极。

图2为本发明纳米Ag光栅和Ag电极的结构及尺寸示意图，其中光栅的周期为16～20nm，宽度为6～8nm，间距为10～13nm；

图3为本发明的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

在太阳能电池中，光能的损失主要包括入射光表面介质对光的反射、太阳能电池内部各级材料由于折射率不匹配而导致的光的透射以及光程较短而造成的光损失。对于电池表面的反射，一般用增透膜来增强表面对入射光的透射，而对于电池内部的透射和光程较短的问题，则需要来引入不同的陷光结构提升电池对光的吸收。钙钛矿太阳能电池的结构包括玻璃衬底、导电电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极，其吸光层一般只有100～200nm，对光线的透射率较高，而入射光穿过玻璃衬底和电子传输层到达吸光层的光程也较短。因此，降低钙钛矿吸光层对光的透射问题和延长入射光在电池内部的光程，是提升钙钛矿太阳能电池光吸收的有效途径。

如图1所示，为本发明提供的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，包括衬底，依次形成于衬底之上的导电电极、微纳颗粒陷光层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、纳米Ag光栅和金属电极，其中，所述微纳颗粒陷光层为TiO₂微纳颗粒。本发明提供的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池中引入微纳结构，可显著提升太阳能电池的陷光能力，通过增加入射光的散射、延长入射光在太阳能电池中的光程来增强太阳能电池对光的吸收，从而增加电池的光电流，有效提升太阳能电池的转换效率。

图2为本发明纳米Ag光栅和Ag电极的结构及尺寸示意图，其中光栅的周期为16～20nm，宽度为6～8nm，间距为10～13nm；通过在该太阳能电池的背电极引入纳米Ag光栅，结合银电极的背反射，可有效增加对透射光的背反射效果，进一步增强电池对入射光的吸收。

进一步地，该混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池中，微纳颗粒陷光层是采用水解法制备粒径为200～1000nm的TiO₂微纳颗粒，配制成浆料后，采用刮涂法涂覆于导电玻璃上，经煅烧得到的；纳米Ag光栅和Ag电极是采用紫外纳米压印技术和蒸镀法制备，通过氧等离子体除胶技术去除残留的压印胶后得到的。

图3为本发明的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池光路图；由图3可知，本发明钙钛矿太阳能电池中，入射光由玻璃衬底和导电玻璃进入太阳能电池，通过微纳TiO₂颗粒陷光层向各个方向散射后，经由电子传输层到达钙钛矿吸光层，其中，部分入射光被钙钛矿吸光层所吸收，变成电子空穴对，部分入射光经由吸光层透射，由空穴传输层传输到纳米Ag光栅和银电极，经过背反射和光栅的进一步分光，这部分透射光被反射到吸光层，被吸光层二次吸收。

实施例

一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为玻璃衬底、FTO、微纳TiO₂颗粒陷光层、电子传输层TiO₂、钙钛矿吸光层，空穴传输层Spiro-MeOTAD、纳米Ag光栅和银电极。

上述混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、选取表面带FTO的玻璃衬底即FTO导电玻璃作为太阳能电池的衬底和导电电极，在乙醇和去离子水中超声清洗，吹干后待用；

步骤2、TiO₂纳米颗粒的制备：

2.1将庚酸、钛酸酯依次加入无水乙醇中，在30℃下搅拌1.5h，得到混合液A；其中，庚酸、钛酸酯和无水乙醇的体积比为1:5:100；

2.2在上步得到的混合液A中加入占混合液A体积的50％的去离子水，继续搅拌2h，得到混合液B；

2.3将上步得到的混合液B进行离心分离，得到的沉淀干燥后，在500℃下煅烧0.5h，即可得到TiO₂微纳颗粒；

步骤3、TiO₂微纳颗粒陷光层的制备：

将0.8g的步骤2得到的TiO₂微纳颗粒、3ml的蒸馏水和0.3g的聚乙二醇混合，制备得到TiO₂微纳颗粒的浆料；在步骤1清洗干净的FTO导电玻璃四周贴上透明胶带，采用刮刀将TiO₂微纳颗粒的浆料涂覆于FTO导电玻璃上，干燥后，在500℃下煅烧0.5h，即可得到TiO₂微纳颗粒陷光层；其中，该陷光层的厚度控制在1μm左右；

步骤4、电子传输层的制备：在步骤3得到的带陷光层的FTO导电玻璃上，以5000rpm的速度旋涂TiO₂前驱体溶液，然后在450℃下加热40min，冷却至室温，得到TiO₂电子传输层；

步骤5、钙钛矿吸光层的制备：

按照PbI₂：CH₃NH₃I摩尔比为1:1.3的比例配制前驱体溶液，然后以4000rpm的速度旋涂于上步得到的TiO₂电子传输层上，在110℃下加热30min，冷却至室温，得到钙钛矿吸光层；

步骤6、空穴传输层的制备：

以氯苯为溶剂，配制浓度为0.17mol/L的Spiro-MeOTAD旋涂液；然后采用旋涂法以5000rpm的速度将上述旋涂液均匀涂覆于步骤5得到的钙钛矿吸光层上，在手套箱中放置8h完成固化后，再在干燥塔中氧化12h，即可得到厚度约为100nm的空穴传输层；

步骤7、纳米Ag光栅和Ag电极的制备：

在步骤6得到的空穴传输层上旋涂30nm厚的压印胶，将压印模板压入压印胶中，通过紫外光照射，使压印胶形成光栅的形状；然后采用真空热蒸发法将160nm厚的Ag沉积于空穴传输层和压印胶上，最后将样品放置于氧等离子体除胶设备中，去除压印胶，得到纳米Ag光栅和Ag电极；即完成混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备。

Claims (7)

1.一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，包括衬底，依次形成于衬底之上的导电电极、微纳颗粒陷光层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、纳米Ag光栅和金属电极，其中，所述微纳颗粒陷光层为TiO₂微纳颗粒。

2.根据权利要求1所述的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述微纳颗粒陷光层是直径为200～1000nm的TiO₂微纳颗粒。

3.根据权利要求1所述的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述微纳颗粒陷光层的厚度为1～1.5μm。

4.根据权利要求1所述的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米Ag光栅是周期为16～20nm，宽度为6～8nm，高度为10～30nm的光栅结构，相邻光栅之间的距离为10～13nm。

5.根据权利要求1所述的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述微纳颗粒陷光层是通过将200～1000nm的TiO₂微纳颗粒配制成浆料刮涂于导电玻璃上，经煅烧得到的。

6.根据权利要求1所述的混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米Ag光栅是采用紫外纳米压印技术制备得到的。

7.一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用水解法制备粒径为200～1000nm的TiO₂微纳颗粒，配制成浆料后，采用刮涂法涂覆于导电玻璃上，加热煅烧，得到TiO₂微纳颗粒陷光层；

步骤2、采用旋涂法在步骤1得到的TiO₂微纳颗粒陷光层上依次形成电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；

步骤3、在步骤2得到的空穴传输层上旋涂压印胶后，通过压印版压印和紫外光照射，形成纳米光栅图案，然后采用蒸镀法制备纳米Ag光栅和Ag薄膜，最后采用氧等离子体除胶技术去除压印胶后，得到纳米Ag光栅和金属电极；即完成混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备。