CN108963082A - 一种埋栅型钙钛矿模组及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种埋栅型钙钛矿模组，包括由下至上依次设置相连接的基底、埋栅型复合电极、空穴/电子传输层、钙钛矿薄膜、电子/空穴传输层和背电极；所述基底上设有多个凹槽；所述埋栅型复合电极包括金属栅线和透明导电薄膜层，所述金属栅线设在所述凹槽内，所述基底上侧设有所述透明导电薄膜层，且所述金属栅线与所述透明导电薄膜层相连接；本发明还提供了所述模组的制备方法；通过将高导电性的金属栅线埋入基底并与透明导电薄膜相连，降低了透明电极的方块电阻，降低太阳能电池的串联电阻，提高电池效率；同时埋入式设计通过调节金属栅线宽高比来减少金属栅线的遮光面积，减少了电池光损失，进而提高了电池效率。

Description

一种埋栅型钙钛矿模组及其制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳能模组的技术领域，尤其涉及一种埋栅型钙钛矿模组及其制备方法。
背景技术
随着能源的日益紧缺，人们对新能源尤其是太阳能电池的研究日益关注。传统的硅电池相对来说成本较高，生产制造过程中能耗大、污染大，而新一代的染料敏化电池、有机太阳能电池等效率太低且稳定性很差，所以它们在工业化上还存在很多问题。
钙钛矿太阳能电池自2009年第一次报道以来，以其超低材料成本、可溶液制备工艺而受到研究人员的青睐，小面积(小于1cm2)钙钛矿太阳能电池器件的能量转换效率已经由最初的3.8％提升到了22.7％。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。在新一代光伏技术中，钙钛矿太阳能技术有可能率先实现产业化。
虽然小尺寸的太阳能电池的效率已经可以与发展成熟的非晶硅太阳能器件媲美，但大尺寸的钙钛矿太阳能模组的效率远落后于小尺寸器件。而规模化应用钙钛矿太阳能电池技术首先需要实现高效稳定的钙钛矿太阳能模组，钙钛矿太阳能模组效率的损失与透明电极的导电性和光透过率有很大关系。透明电极导电性的不足会显著增加模组的串联电阻，导致模组效率低下。在高导电金属栅线的辅助下，电极的导电性可以有效提高，但金属栅线会同时遮挡一部分光线，增加了模组的光损失，导致模组效率下降。
此外，常用的高导电金属材料，如Al，Ag，Cu，Au等，与钙钛矿材料接触时会发生不良反应，可导致钙钛矿太阳能器件性能快速衰减。
综上所述，需要采用合适的钙钛矿太阳能模组方案，实现高效稳定的大尺寸钙钛矿太阳能模组，使得钙钛矿太阳模组技术在成本、效率和寿命三者间达到更优的平衡，最终提高该技术的可应用性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种埋栅型钙钛矿模组及其制备方法，该埋栅型钙钛矿模组通过将高导电性的金属栅线埋入基底并与透明导电薄膜相连，从而降低透明电极的方块电阻，降低太阳能电池的串联电阻，提高电池效率；同时，埋入式的设计可以通过调节金属栅线宽高比来减少金属栅线的遮光面积，减少电池光损失，进一步提高电池效率。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种埋栅型钙钛矿模组，包括由下至上依次设置且依次相连接的基底、埋栅型复合电极、第一传输层、钙钛矿薄膜、第二传输层和背电极，所述第一传输层、第二传输层分别为空穴传输层、电子传输层，或所述第一传输层、第二传输层分别为电子传输层、空穴传输层；
所述基底上设有多个凹槽；
所述埋栅型复合电极包括金属栅线和透明导电薄膜层，所述金属栅线设在所述凹槽内，所述基底上侧设有所述透明导电薄膜层，且所述金属栅线与所述透明导电薄膜层相连接，所述埋栅型复合电极的上侧连接所述第一传输层。
本发明还提供了一种埋栅型钙钛矿模组的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、在所述基底上设置凹槽；
步骤2、在所述凹槽中填充金属栅线，并在所述基底上设置透明导电薄膜层，即得到埋栅型复合电极；
步骤3、接着在所述埋栅型复合电极上方依次设置所述第一传输层、钙钛矿薄膜、第二传输层和背电极。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的一种埋栅型钙钛矿模组，通过将高导电性的金属栅线埋入基底并与透明导电薄膜层相连，从而降低透明电极的方块电阻，降低太阳能电池的串联电阻，提高电池效率；同时，埋入式的设计可以通过调节金属栅线宽高比来减少金属栅线的遮光面积，减少电池光损失，进一步提高电池效率；通过调节金属栅线的宽高比可使得栅线具有较高导电性和较少的遮光面积，与透明导电薄膜层组合，可以在不显著增加透明电极光损失的同时，大幅提升透明电极的导电性，使得模组的透明电极在方块电阻和透光率之间取得最优平衡；
2、本发明提供的一种埋栅型钙钛矿模组，所述金属栅线上侧设有栅线保护层，栅线保护层采用化学性质稳定且致密的薄膜材料，如SiO2，NiOx，MoO3，TiO2，SnO2，铟锡氧化物(ITO)、氟掺杂二氧化锡(FTO)，金属铋(Bi)，金属钼(Mo)等，将栅线与模组内层隔绝，避免栅线诱发模组的性能衰减，最终实现高效稳定的钙钛矿太阳能模组，降低了钙钛矿太阳能模组的用电成本，有利于钙钛矿太阳能模组的产业化。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种埋栅型钙钛矿模组的结构图；其中1、基底；11、凹槽；2、埋栅型复合电极；21、金属栅线；22、透明导电薄膜层；3、第一传输层；4、钙钛矿薄膜；5、第二传输层；6、背电极；实施例1中的所述基底为普通玻璃基底；
图2为本发明实施例2提供的一种埋栅型钙钛矿模组的结构图；其中，其中1、基底；11、凹槽；2、埋栅型复合电极；21、金属栅线；22、透明导电薄膜层；3、第一传输层；4、钙钛矿薄膜；5、第二传输层；6、背电极；7、栅线保护层；所述基底1默认为普通玻璃基底；在本实施例2中基底1和透明导电薄膜层22连为一体共同组成透明导电玻璃基底；
图3为本发明实施例1提供的一种埋栅型钙钛矿模组的制备流程图；
图4为本发明实施例2提供的一种埋栅型钙钛矿模组的制备流程图；
图5为本发明实施例提供的一种埋栅型钙钛矿模组的埋栅型复合电极的截面图；(a)利用Bi薄层保护Ag栅线；(b)利用溅射的ITO薄膜保护Cu栅线；
图6为本发明实验例1提供的埋栅型复合电极与无栅线型电极的导电性测定结果图；
图7为本发明实验例2提供的埋栅型与无栅线型钙钛矿太阳能模组效率的“光电流密度-电压”输出特性曲线图；
图8为本发明实验例3提供的埋栅型与无栅线型钙钛矿太阳能模组抗腐蚀性能结果图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供的一种埋栅型钙钛矿模组，包括由下至上依次设置且依次相连接的基底1、埋栅型复合电极2、第一传输层3、钙钛矿薄膜4、第二传输层5和背电极6，所述第一传输层3为电子传输层或空穴传输层；所述第二传输层5为空穴传输层或电子传输层；
所述基底1为普通玻璃基底，且所述基底1上设有多个凹槽11；
所述埋栅型复合电极2包括金属栅线21和透明导电薄膜层22，所述金属栅线21设在所述凹槽11内，所述金属栅线21的上表面与所述基底1上表面平齐，所述基底1与金属栅线21的上表面设有所述透明导电薄膜层22，所述透明导电薄膜层22同时充当所述金属栅线的保护层；
所述透明导电薄膜层22的上侧连接所述第一传输层。
本发明实施例1提供的一种埋栅型钙钛矿模组，通过将高导电性的金属栅线埋入基底并与透明导电薄膜层相连，从而降低透明电极的方块电阻，降低太阳能电池的串联电阻，提高电池效率；同时，埋入式的设计可以通过调节金属栅线宽高比来减少金属栅线的遮光面积，减少电池光损失，进一步提高电池效率；通过调节金属栅线的宽高比可使得栅线具有较高导电性和较少的遮光面积，与透明导电薄膜层组合，可以在不显著增加透明电极光损失的同时，大幅提升透明电极的导电性，使得模组的透明电极在方块电阻和透光率之间取得最优平衡；且所述透明导电薄膜层[铟锡氧化物(ITO)、氟掺杂二氧化锡(FTO)]化学性质稳定且致密的薄膜材料，可同时充当所述金属栅线的保护层，将栅线与模组内层隔绝，避免栅线诱发模组的性能衰减，最终实现高效稳定的钙钛矿太阳能模组，降低了钙钛矿太阳能模组的用电成本，有利于钙钛矿太阳能模组的产业化。
优选地，所述金属栅线包括Ag栅线、Au栅线、Ni栅线、Ti栅线、Cu栅线、Al栅线和Mo栅线中的至少一种。
优选地，所述透明导电薄膜层包括ITO或FTO。
优选地，所述钙钛矿型半薄膜的厚度为50nm～10μm，且所述钙钛矿型薄膜包括甲胺铅碘、甲脒铅碘、甲脒甲胺铅碘溴、CsPbBr3、FASnI3、CsSnI3、Cs2TiBr6、Cs2BiAgBr6和Cs2SbAgCl6中的至少一种。
优选地，所述凹槽的宽度为50nm～2.1mm，高度50nm～2.1mm。
优选地，所述空穴传输层或电子传输层的厚度为1nm～1μm，背电极的厚度为10nm～1mm。
如图3所示，本发明实施例1提供的一种埋栅型钙钛矿模组的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、在所述普通玻璃基底上设置凹槽，上述制备方法中可采用现有的常规方式设置凹槽，如激光刻蚀、化学腐蚀；
步骤2、在所述凹槽中填充金属栅线，所述金属栅线的上表面与所述普通玻璃基底上表面平齐；然后在所述金属栅线与基底的上表面沉积所述透明导电薄膜层，即得到埋栅型复合电极；可采用现有的常规方式设置金属栅线，如真空蒸镀，电化学沉积；
步骤3、接着在所述埋栅型复合电极上方依次设置空穴或电子传输层、钙钛矿薄膜、电子或空穴传输层、背电极。
实施例2
本发明实施例2提供的一种埋栅型钙钛矿模组，包括由下至上依次设置且依次相连接的基底1、埋栅型复合电极2、第一传输层3、钙钛矿薄膜4、第二传输层5和背电极6，所述第一传输层3为电子传输层或空穴传输层；所述第二传输层5为空穴传输层或电子传输层；
所述基底1为普通玻璃基底，所述基底1上设有多个凹槽11；为了方便描述，在本发明中我们默认基底1为普通玻璃基底；在本实施例2中基底1和透明导电薄膜层22连为一体共同组成透明导电玻璃基底。
所述埋栅型复合电极2包括金属栅线21和透明导电薄膜层22，所述金属栅线21设在所述凹槽11内，所述基底1的上表面设有所述透明导电薄膜层22，且所述金属栅线21的上表面与所述透明导电薄膜层22的上表面平齐；
所述金属栅线22上侧还设有用于使金属栅线与各层隔绝的栅线保护层7；
所述栅线保护层7与透明导电薄膜层22的上侧连接所述第一传输层3。
本发明实施例2提供的一种埋栅型钙钛矿模组，通过将高导电性的金属栅线埋入基底并与透明导电薄膜层相连，从而降低透明电极的方块电阻，降低太阳能电池的串联电阻，提高电池效率；同时，埋入式的设计可以通过调节金属栅线宽高比来减少金属栅线的遮光面积，减少电池光损失，进一步提高电池效率；通过调节金属栅线的宽高比可使得栅线具有较高导电性和较少的遮光面积，与透明导电薄膜层组合，可以在不显著增加透明电极光损失的同时，大幅提升透明电极的导电性，使得模组的透明电极在方块电阻和透光率之间取得最优平衡；且所述金属栅线上侧还设有用于使金属栅线与各层隔绝的栅线保护层，栅线保护层采用化学性质稳定且致密的薄膜材料，将栅线与模组内层隔绝，避免栅线诱发模组的性能衰减，最终实现高效稳定的钙钛矿太阳能模组，降低了钙钛矿太阳能模组的用电成本，有利于钙钛矿太阳能模组的产业化。
优选地，所述栅线保护层包括SiO2、NiOx、MoO3、TiO2、SnO2、ITO、FTO、金属铋Bi和金属钼Mo中的至少一种。
优选地，所述栅线保护层的厚度为5nm～1μm。
优选地，所述金属栅线包括Ag栅线、Au栅线、Ni栅线、Ti栅线、Cu栅线、Al栅线和Mo栅线中的至少一种。Ag具有优秀的导电性，故填充的Ag栅线与FTO导电薄膜相连可以大幅降低透明电极方块电阻。栅线保护层厚度为5nm～1μm。栅线保护层结构致密，其不与Ag反应，也不与钙钛矿模组的其他膜层材料反应。栅线保护层可以有效防止其他膜层对Ag电极的造成腐蚀，同时也防止Ag进入模组内部，对模组性能造成影响。因此，埋栅型钙钛矿太阳能模组在提高效率的同时并未引入新的不稳定因素，可以实现高效稳定的大尺寸钙钛矿模组。
如图5所述，(a)为利用Bi薄层保护Ag栅线；(b)利用溅射的ITO薄膜保护Cu栅线。
优选地，所述透明导电薄膜层包括ITO或FTO。
优选地，所述钙钛矿型半薄膜的厚度为50nm～10μm，且所述钙钛矿型薄膜包括甲胺铅碘、甲脒铅碘、甲脒甲胺铅碘溴、CsPbBr3、FASnI3、CsSnI3、Cs2TiBr6、Cs2BiAgBr6和Cs2SbAgCl6中的至少一种。
优选地，所述凹槽的宽度为50nm～2.1mm，高度50nm～2.1mm。
优选地，所述空穴传输层或电子传输层的厚度为1nm～1μm，背电极的厚度为10nm～1mm。
优选地，基于埋栅的结构，可以通过调整栅线的宽高比提高导电性，采用不同贱金属(Ni，Ti，Mo等)替代昂贵的金属Ag，Au作为栅线，大大降低了器件的材料成本，有利于钙钛矿太阳能电池的产业化。
如图4所示，本发明实施例1提供的一种埋栅型钙钛矿模组的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、在透明导电玻璃基底(本实施例2中基底1和透明导电薄膜层22连为一体共同组成透明导电玻璃基底)上设置凹槽，上述制备方法中可采用现有的常规方式设置凹槽，如激光刻蚀、化学腐蚀；
步骤2、所述金属栅线的上表面与所述透明导电玻璃基底上表面平齐，可采用现有的常规方式设置表面平整，如抛光等，即得到埋栅型复合电极；可采用现有的常规方式设置金属栅线，如真空蒸镀，电化学沉积；得到所述埋栅型复合电极后，在所述金属栅线上侧沉积一层栅线保护层，可采用现有的常规方式设置栅线保护层，如真空蒸镀；所述栅线保护层至少覆盖住所述金属栅线的上表面，所述栅线保护层包括SiO2、NiOx、MoO3、TiO2、SnO2、ITO、FTO、金属铋Bi和金属钼Mo中的至少一种；
步骤3、接着在所述埋栅型复合电极上方依次设置空穴或电子传输层、钙钛矿薄膜、电子或空穴传输层、背电极。上述制备方法可采用现有的常规方式镀膜，如真空蒸镀，旋涂，刮刀涂布或狭缝涂布等。
本实施例1-2中的基底、透明导电薄膜层、空穴传输层、钙钛矿薄膜、电子传输层均采用现有的常规材料。其中空穴传输层和电子传输层可以互换位置，电池的电荷流向将发生翻转，但同样可以高效的工作。即第一传输层为空穴传输层时，第二传输层为电子传输层；第一传输层为电子传输层时，第二传输层为空穴传输层。
实验例1导电性测定试验
本实验例测定埋栅型复合电极与无栅线型电极的导电性差异。通过万用表测试相同位置的导电性，如图6所示：埋入Ag栅线复合电极的电阻为8.5Ω，埋入Cu栅线复合电极的电阻为18.1Ω，未埋栅透明导电薄膜的电阻为40.0Ω。
按照电池的工作区域算电池面积为14.19cm2(宽：4.3cm；高3.3cm)，而栅线造成的遮挡面积仅为1.32cm2(宽：0.1cm；高3.3cm，4条)，全面积计算占9.3％。说明通过埋栅结构，光透过衰减约9.3％而导电性提升约470％。
表1
实验例2检测太阳能模组的“光电流密度-电压”输出特性曲线
如图7所示，为埋栅型与无栅线型钙钛矿太阳能模组效率的“光电流密度-电压”输出特性曲线。其中电池面积由光学掩膜决定为14.19cm2，3A级太阳光模拟器输出光强为100mW/cm2。
表2
从图7的特性曲线以及表2可以得到模组的光电转化效率分别为：无栅线型模组效率为9.61％；埋入Ag栅线型模组效率为17.43％。说明合适的埋栅型复合电极可以大幅提升大尺寸钙钛矿太阳能模组的效率。
实验例3埋栅型与无栅线型钙钛矿太阳能模组抗腐蚀性能测定
如图8所示，为埋栅型与无栅线型钙钛矿太阳能模组的光学图片。其中A为埋栅型钙钛矿太阳能模组，未出现腐蚀情况；B为无栅线无栅线型钙钛矿太阳能模组，出现了严重的腐蚀情况；电池面积为14.19cm2；如8说明栅线保护层可以保护金属栅线免遭钙钛矿材料的腐蚀，且栅线结构不影响钙钛矿太阳能电池其他膜层的成膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，包括由下至上依次设置且依次相连接的基底、埋栅型复合电极、第一传输层、钙钛矿薄膜、第二传输层和背电极，所述第一传输层、第二传输层分别为空穴传输层、电子传输层，或所述第一传输层、第二传输层分别为电子传输层、空穴传输层；
所述基底上设有多个凹槽；
所述埋栅型复合电极包括金属栅线和透明导电薄膜层，所述金属栅线设在所述凹槽内，所述基底上侧设有所述透明导电薄膜层，且所述金属栅线与所述透明导电薄膜层相连接，所述埋栅型复合电极的上侧连接所述第一传输层。
2.如权利要求1所述的埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，所述金属栅线的上表面与所述基底上表面平齐，所述透明导电薄膜层覆盖所述基底及金属栅线的整个上表面。
3.如权利要求1所述的埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，所述金属栅线的上表面与所述透明导电薄膜层上表面平齐，所述埋栅型复合电极还包括设置在所述金属栅线上侧用于使金属栅线与各层隔绝的栅线保护层，所述栅线保护层至少覆盖住所述金属栅线的上表面。
4.如权利要求3所述的埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，所述栅线保护层包括SiO2、NiOx、MoO3、TiO2、SnO2、ITO、FTO、金属铋Bi和金属钼Mo中的任意一种。
5.如权利要求3所述的埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，所述栅线保护层的厚度为5nm～1μm。
6.如权利要求1所述的埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，所述金属栅线包括Ag栅线、Au栅线、Ni栅线、Ti栅线、Cu栅线、Al栅线和Mo栅线中的任意一种。
7.如权利要求1所述的埋栅型钙钛矿模组，其特征在于，所述凹槽的宽度为50nm～2.1mm，高度50nm～2.1mm。
8.一种如权利要求1-7任一所述的埋栅型钙钛矿模组的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、在所述基底上设置凹槽；
步骤2、在所述凹槽中填充金属栅线，并在所述基底上设置透明导电薄膜层，即得到埋栅型复合电极；
步骤3、接着在所述埋栅型复合电极上方依次设置所述第一传输层、钙钛矿薄膜、第二传输层、背电极。
9.如权利要求8所述的埋栅型钙钛矿模组的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述金属栅线的上表面与所述基底上表面平齐，然后在所述金属栅线与基底的上表面沉积所述透明导电薄膜层，即得到埋栅型复合电极。
10.如权利要求8所述的埋栅型钙钛矿模组的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述金属栅线的上表面与所述透明导电薄膜层的上表面平齐，即得到埋栅型复合电极，然后在所述金属栅线上侧沉积一层栅线保护层，所述栅线保护层至少覆盖所述金属栅线上表面，再进行所述步骤3。
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