CN107658387A - 一种使用多功能透明电极的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用多功能透明电极的太阳能电池,包括:氧化锡薄膜层,同时作为电极层与电子传输层;金属电极层;以及设置在氧化锡薄膜层和金属电极层之间的钙钛矿活性层。本发明可还包括设置在钙钛矿活性层和金属电极层之间的空穴传输层。本发明还提供了所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,本发明将一层多功能的氧化锡纳米材料薄膜作为钙钛矿电池结构中的透明电极层和电子传输层(电子抽取层),在此基础上构建钙钛矿型太阳能电池,达到简化电池结构、降低制备成本的目的。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池器件技术领域,特别涉及一种使用多功能透明电极的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机无机钙钛矿太阳能电池电池自从2009发现以来,其光电转换效率已经从初始的3.8%提高到目前的22.1%。其光电转换效率已经接近或者超过了传统的多晶硅、碲化镉以及铜铟镓硒等。钙钛矿电池发展速率是任何一类太阳能电池都不可比拟的。目前,高效的钙钛矿电池均采用介孔的TiO2结构,而这一结构所采用的介孔TiO2必须要高温烧结,在实际生产过程中会增加成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种使用多功能透明电极的太阳能电池及其制备方法,将一层多功能的氧化锡纳米材料薄膜作为钙钛矿电池结构中的透明电极层和电子传输层(电子抽取层),在此基础上构建钙钛矿型太阳能电池,以达到简化电池结构、降低制备成本的目的。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种使用多功能透明电极的太阳能电池,包括:
氧化锡薄膜层102,同时作为电极层与电子传输层;
金属电极层108;
以及设置在氧化锡薄膜层102和金属电极层108之间的钙钛矿活性层104。
所述氧化锡薄膜层102厚度10-100nm;所述金属电极层108为金层、银层、铝层或铂层,厚度为40-100nm;所述钙钛矿活性层104结构为RNH3AXnY3-n,其中R为烃基;A为Pb或Sn;X和Y为Cl、Br或I;n为0-3的实数,厚度约为300-500nm。
本发明还包括设置在钙钛矿活性层104和金属电极层108之间的空穴传输层106。所述空穴传输层106为与钙钛矿活性层104材料能级相匹配的有机、无机材料层,厚度约为100nm。
本发明还提供了所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,制备氧化锡薄膜层102;
步骤2,在氧化锡薄膜层102上依次制备钙钛矿活性层104、空穴传输层106和金属电极层108。
所述氧化锡薄膜层102采用原子沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂方法进行制备。
所述氧化锡薄膜层102采用旋涂方法进行制备的步骤如下:
将直径1-10nm的氧化锡纳米粒子悬浮液直接作为旋涂液,在玻璃基底上以1000-4000rpm,20-60s的旋涂参数进行不同厚度氧化锡层的制备。
还可利用卷对卷制备工艺进行大规模生产得到柔性的氧化锡薄膜层102。
所述钙钛矿活性层104采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射或者卷对卷工艺进行制备;所述金属电极层108采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积、激光沉积或卷对卷工艺进行制备。
所述钙钛矿活性层104采用卷对卷工艺进行制备,步骤为:将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布或喷墨印刷等方法制备形成;其中,若选用刮刀涂布方法,则其溶剂为DMF,将钙钛矿配成质量分数为20-25%的浆料,刮刀涂布速度为15-35mm/s,涂布温度为室温;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中120-140℃退火20-40分钟,得到厚度约为300-500nm的钙钛矿活性层104;
所述空穴传输层106采用刮刀涂布方法进行制备,步骤为:以PEDOT:PSSAI4083水溶液为浆料,用异丙醇按照1:3配比稀释,刮刀涂布速度为15-35mm/s,涂布温度为45-70℃,刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中80-100℃退火10-20分钟,得到厚度约为100nm的空穴传输层106。
所述金属电极层108采用卷对卷工艺进行制备,步骤为:将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法制备形成;其中,若选用刮刀涂布方法,则使用材料为商品化银纳米线溶胶,溶剂为异丙醇,浓度25g/L,银纳米线直径约100nm,长度50-100μm,刮刀涂布速度为15-35mm/s,涂布温度为室温;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中70-90℃退火10-20分钟,得到厚度约为40-100nm的金属电极层108。
相对于传统的钙钛矿电池结构,原结构中的透明电极(如ITO、FTO等)及电子传输层(如TiO2等)被替代为一层氧化锡(SnO2)纳米材料薄膜,在该透明电极之上,依次制备钙钛矿活性层、空穴传输层和金属电极层。此外,所有的功能层材料的制备,包括空穴传输层、活性层、电子传输层和电极层,均可以由涂布方法制备,适合推广成为大面积柔性化产品的制造工艺;另外,本器件结构中使用的氧化锡层可以在低温条件下(<200℃)进行制备,相比传统电池结构中必须使用磁控溅射等方法制备的透明电极层和必须使用高温烧结制备(>450℃)的TiO2介孔层,其成本、能耗和工艺被大大降低和简化。
本发明的一系列工艺,可以实现刚性及柔性钙钛矿型太阳能电池器件的大规模工业化生产。
本发明的一系列工艺,也可以用于其他形式的薄膜器件,如钙钛矿发光二极管,OLED等领域。
附图说明
图1为本发明太阳能电池器件的结构示意图。
具体实施方式
在描述本发明的实施方案时,为了清楚起见,使用了特定的术语。然而,本发明无意局限于所选择的特定术语。应了解每个特定元件包括类似的方法运行以实现类似目的的所有技术等同物。
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示,一种使用多功能透明电极的太阳能电池,具有氧化锡薄膜层102、金属电极层108和二者之间的钙钛矿活性层104。另外,该电池器件可电极层和活性层之间具有多个活性材料层和/或材料层,例如空穴传输层106。
其中:
1.氧化锡薄膜层102:本发明的核心部分,承担电极层和电子传输层的功能,可以采用原子沉积、气相沉积、磁控溅射、旋涂等方法进行制备。特别的,采用溶液旋涂方法制备时,可将商品化的氧化锡纳米粒子(直径1-10nm)悬浮液直接作为旋涂液,在玻璃基底上以1000-4000rpm,20-60s的旋涂参数进行不同厚度氧化锡层(10-100nm)的制备,特别的,采用3000rpm,40s的旋涂参数可以获得厚度约为25nm的多功能氧化锡层,此外,商品化的氧化锡纳米粒子特别易于大规模、低成本地进行合成,同时利用卷对卷制备技术,如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等进行大规模生产,其产品可以为柔性,大大改善了传统半导体金属氧化物透明电极的易碎性。
2.钙钛矿活性层104,在氧化锡薄膜层102上,结构为(RNH3)AXnY3-n(R=烃基;A=Pb,Sn;X,Y=Cl,Br,I;n为0-3的实数),优选使用CH3NH3PbI3,通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成,也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备,即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。特别的,在刮刀涂布方法中其溶剂为DMF,将钙钛矿配成质量分数为20-25%的浆料,优选20%;刮刀涂布速度为15-35mm/s,优选为25mm/s;涂布温度为室温;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中120-140℃退火20-40分钟,优选135℃,30分钟。得到的钙钛矿活性层厚度约为300-500nm。
3.空穴传输层106,在钙钛矿活性层104上,其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料,如Spiro-OMeTAD、PTAA、氧化镍、碘化亚铜、PEDOT:PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类等。特别的,使用刮刀涂布方法制备该层:使用的浆料为商品化PEDOT:PSS(AI 4083)水溶液,使用异丙醇按照1:3配比稀释,刮刀涂布速度为15-35mm/s,优选为25mm/s;涂布温度为45-70℃,优选为55℃;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中80-100℃退火10-20分钟,优选90℃,15分钟。得到的空穴传输层厚度约为100nm。
4.金属电极层108,在空穴传输层106上,材料为金、银、铝、铂等金属,可采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积、激光沉积等方法制备,在柔性制备过程中,还可以使用卷对卷工艺进行制备,即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。特别的,使用材料为商品化银纳米线溶胶,溶剂为异丙醇,浓度25g/L,银纳米线直径约100nm,长度50-100μm。刮刀涂布速度为15-35mm/s,优选为25mm/s;涂布温度为室温;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中70-90℃退火10-20分钟,优选80℃,15分钟。厚度约为40-100nm。
本发明的原理是:
1、钙钛矿材料具有很长的载流子扩散长度,完全可以将介孔的TiO2去掉来制备平面的n-i-p的电池。
2、平面结构的SnO2-Perovskite-Spiro-OMeTAD电池可以在不使用TiO2致密层及介孔层的情况下获得相当高的光电转换效率(>20%),说明氧化锡(SnO2)作为电子传输层能够相当好地替代原有的基于TiO2的电池制备体系,同时在实际的制备过程中并不需要TiO2体系的高温烧结步骤,将整个的制备温度条件控制在200℃以下,极大地降低了制备能耗。
3、氧化锡具有低的导带能级和高的载流子迁移率,能够有效地将钙钛矿材料中的电子抽离并导至外电路。
4、氧化锡薄膜作为太阳能电池的透明电极使用,其方块电阻小于15Ω,同时透光率可达85%以上。
综上,本发明以钙钛矿型半导体材料作为活性中心设计器件结构,利用单层的多功能氧化锡(SnO2)作为透明电极层以及电子传输层,制备得到的钙钛矿型太阳能电池器件,在保证了器件功能的前提下,成本大大缩减。
Claims (10)
1.一种使用多功能透明电极的太阳能电池,其特征在于,包括:
氧化锡薄膜层(102),同时作为电极层与电子传输层;
金属电极层(108);
以及设置在氧化锡薄膜层(102)和金属电极层(108)之间的钙钛矿活性层(104)。
2.根据权利要求1所述使用多功能透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述氧化锡薄膜层(102)厚度10-100nm;所述金属电极层(108)为金层、银层、铝层或铂层,厚度为40-100nm;所述钙钛矿活性层(104)结构为(RNH3)AXnY3-n,其中R为烃基;A为Pb或Sn;X和Y为Cl、Br或I;n为0-3的实数,厚度约为300-500nm。
3.根据权利要求1所述使用多功能透明电极的太阳能电池,其特征在于,还包括设置在钙钛矿活性层(104)和金属电极层(108)之间的空穴传输层(106)。
4.根据权利要求5所述使用多功能透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述空穴传输层(106)为与钙钛矿活性层(104)材料能级相匹配的有机、无机材料层,厚度约为100nm。
5.权利要求1所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,制备氧化锡薄膜层(102);
步骤2,在氧化锡薄膜层(102)上依次制备钙钛矿活性层(104)、空穴传输层(106)和金属电极层(108)。
6.根据权利要求5所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述氧化锡薄膜层(102)采用原子沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂方法进行制备。
7.根据权利要求6所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述氧化锡薄膜层(102)采用旋涂方法进行制备的步骤如下:
将直径1-10nm的氧化锡纳米粒子悬浮液直接作为旋涂液,在玻璃基底上以1000-4000rpm,20-60s的旋涂参数进行不同厚度氧化锡层的制备。
8.根据权利要求6所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,其特征在于,利用卷对卷制备工艺进行大规模生产得到柔性的氧化锡薄膜层(102)。
9.根据权利要求5所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述钙钛矿活性层(104)采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射或者卷对卷工艺进行制备;所述金属电极层(108)采用热蒸发、磁控溅射、原子沉积、激光沉积或卷对卷工艺进行制备。
10.根据权利要求5所述使用多功能透明电极的太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述钙钛矿活性层(104)采用卷对卷工艺进行制备,步骤为:将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布或喷墨印刷等方法制备形成;其中,若选用刮刀涂布方法,则其溶剂为DMF,将钙钛矿配成质量分数为20-25%的浆料,刮刀涂布速度为15-35mm/s,涂布温度为室温;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中120-140℃退火20-40分钟,得到厚度约为300-500nm的钙钛矿活性层(104);
所述空穴传输层(106)采用刮刀涂布方法进行制备,步骤为:以PEDOT:PSS(AI 4083)水溶液为浆料,用异丙醇按照1:3配比稀释,刮刀涂布速度为15-35mm/s,涂布温度为45-70℃,刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中80-100℃退火10-20分钟,得到厚度约为100nm的空穴传输层(106)。
所述金属电极层(108)采用卷对卷工艺进行制备,步骤为:将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法制备形成;其中,若选用刮刀涂布方法,则使用材料为商品化银纳米线溶胶,溶剂为异丙醇,浓度25g/L,银纳米线直径约100nm,长度50-100μm,刮刀涂布速度为15-35mm/s,涂布温度为室温;刮刀与基底间距为50μm;涂布后经氮气中70-90℃退火10-20分钟,得到厚度约为40-100nm的金属电极层(108)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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