CN109273608B - 一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述制备方法包括：利用超快激光剥落切线上的透明导电层(P1)；在干净的透明导电层上依次沉积功能层，利用超快激光剥落切线上的功能层且不损伤透明导电层(P2)；在干净的功能层上沉积金属电极，利用超快激光剥落切线上的金属电极层和功能层，且不损伤透明导电层(P3)，P1、P2和P3的位置均需相互错开；切线完成后，即制备得到半透明钙钛矿太阳能电池。本发明利用激光加工半透明钙钛矿太阳能电池，通过激光剥落电池的活性部分，减少组件活性面积，可使组件在可见光范围内的透过率显著上升。

Description

一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

半透明电池可以用作建筑物光伏玻璃，在进行能量采集的同时兼具装饰效果，实现光伏建筑一体化，具有较强的实用价值。目前常用的晶体硅太阳能电池材料很难做出透明或半透明的效果，而钙钛矿太阳能电池因为膜层可调、廉价高效的特点，成为人们开发半透明电池的热点。

目前，钙钛矿太阳能电池实现半透明的方法主要是对钙钛矿吸光层的调控，利用降低钙钛矿的厚度和降低薄膜覆盖度这两种方式来提高器件的透光性。降低钙钛矿层厚度的方法主要包括在旋涂制膜时降低溶液浓度、提高旋涂转速或者在热蒸镀制膜时降低蒸镀速度或时间等。钙钛矿层的厚度降低，吸光度减小，器件的透光性随之提高，然而这种方法会造成器件效率的降低。以双源蒸镀法为例，有学者制备出了厚度仅为40nm的高连续性钙钛矿薄膜，大大提高了电池的透光性。然而这种方法容易出现比例不当，造成钙钛矿纯度降低的情况，限制了大尺寸器件的制备。

降低薄膜覆盖率是通过控制钙钛矿吸光层的形貌来实现的。一些研究人员通过采用控制钙钛矿活性材料岛状分布这一方法制备出了半透明钙钛矿电池。最终实现器件最高透光率为30％，能量转化效率为3.5％。还有学者利用网格辅助的丝网印刷技术溶液法，通过对前体溶液的质量分数和网孔大小进行调节，最终实现了透光度为20％～70％的网格状钙钛矿活性层的制备。然而由于器件采用金作为对电极，其透光性较差，整体器件的透光率仅为19％，效率为4.98％。

除了钙钛矿薄膜的影响之外，其他功能层的透光度也会对半透明钙钛矿太阳能电池器件的透光率和效率造成影响。且这两种方式都面临透明导电顶电极的问题，在钙钛矿薄膜上制备透明导电顶电极是一大难题，阻碍了半透明钙钛矿太阳能电池的进一步开发利用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种半透明钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用超快激光在含透明导电层的基板上划线，剥落切线上的透明导电层；

(2)清洗基板，在干净的透明导电层上依次沉积功能层，所述功能层从下往上依次是电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；然后利用超快激光在功能层上划线，剥落切线上的功能层且不损伤透明导电层，所述功能层上划线的位置与步骤(1)所述透明导电层上划线的位置需要相错开；

(3)清洗基板，在干净的功能层上沉积金属电极，然后利用超快激光在金属电极层和功能层上划线，剥落切线上的金属电极层和功能层，且不损伤透明导电层，所述金属电极层和功能层上划线的位置与步骤(1)所述透明导电层上划线的位置、步骤(2)所述功能层上划线的位置均需相错开；切线完成后，即制备得到半透明钙钛矿太阳能电池。

上述方案中，步骤(1)所述利用超快激光在透明导电层上划线的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200～500kHz，激光功率为14～15W，振镜扫描速度为900～1000mm/s，刻蚀线宽度为30μm，刻蚀线间距为0.4～0.5mm。

上述方案中，步骤(2)所述利用超快激光在功能层上划线的加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为12～15W，振镜扫描速度为800mm/s，刻蚀线宽度为0.1mm，填充间距为0.02mm。

上述方案中，步骤(3)所述利用超快激光在金属电极层和功能层上划线的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200kHz，激光功率为10～13W，振镜扫描速度为1500～2000mm/s，刻蚀线宽度为0.1mm，填充间距为0.02mm。

上述方案中，所述含透明导电层的基板包括但不限于含掺杂氟的SnO₂(FTO)镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡(ITO)镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡(ITO)镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)透明导电塑料基板、或含氧化铟锡(ITO)镀层的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)透明导电塑料基板。

上述方案中，所述电子传输层包括但不限于：二氧化钛、氧化锡、氧化锌、或有机电子传输材料等。

上述方案中，所述的钙钛矿吸光层为有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜，选自如下组分：MAPbI₃、FAPbI₃、FA_0.85MA_0.15Pb(I_0.85Br_0.15)₃、Cs_0.05(FA_0.85MA_0.15)_0.95Pb(I_0.85Br_0.15)₃等，其中MA是指甲胺，FA是指甲脒。

上述方案中，所述空穴传输层包括但不限于：spiro-OMeTAD、P3HT、聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等。

上述方案中，所述金属电极包括但不限于：金(Au)电极、银(Ag)电极、铜(Cu)电极。

本发明的有益效果如下：1)本发明利用激光加工半透明钙钛矿太阳能电池，通过激光剥落电池的活性部分，减少组件活性面积，可使组件在可见光范围内的透过率显著上升；2)本发明所述方法不限于钙钛矿电池的结构和组分，不需要考虑钙钛矿、电子传输层、空穴传输层和顶电极的透光度，对所有类型的钙钛矿电池都可以实现半透明加工；而且器件的透明度非常容易控制；2)因导电基底本身为透明状态，P3通过超快激光剥落基底上的金电极层和功能层之后，未对透明导电基底造成损伤，因此仍可呈现透明状态，所以P3切线部分即为电池透明区域，因此只要通过调整电池中单条小电池的宽度和P3切线的宽度的比值即可实现对电池透明度的控制，透明度可控范围为1％～90％，即只要控制有效电池面积和剥除区域面积的比值可以实现对透明度的控制；3)本发明采用超快激光刻蚀不会对电池本身造成损伤，所以不会影响电池效率，此外，利用激光可以进行较大尺寸的加工，而且其加工效率很高，为半透明钙钛矿太阳能电池的工业化应用提供了可能。

附图说明

图1为本发明所述半透明钙钛矿太阳能电池的制备方法流程图，其中1-基板，2-透明导电层(TCL)，3-电子传输层(ETL)，4-钙钛矿吸光层，5-空穴传输层(HTL)，6-金属电极。

图2为本发明所述半透明钙钛矿太阳能电池器件的结构示意图。

图3为本发明所述半透明钙钛矿太阳能电池器件的结构截面图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种半透明钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用超快激光在5cm*5cm含ITO透明导电层的玻璃基板上划线，对透明导电层进行切割(P1)，切线间距为0.5mm，则单条小电池的宽度为0.5mm。切线加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15W，振镜扫描速度为1000mm/s，刻蚀线宽度为30μm；切割完成后清洗基底；

(2)在清洗干净的基底上通过Slot-die刮涂一层氧化锡电子传输层；

(3)在氧化锡电子传输层上旋涂钙钛矿和spiro-OMeTAD空穴传输层；

(4)通过超快激光对功能层(电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层)进行切割，但不对透明导电层造成破坏(P2)，P2的位置与P1错开；加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为12W，振镜扫描速度为800mm/s，刻蚀线宽度为0.1mm，填充间距为0.02mm；

(5)在功能层上方蒸镀金(80nm)电极层；

(6)通过超快激光对金电极层和功能层进行切割，但不对透明导电层造成破坏(P3)，且P3的位置与P2、P1错开，加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为10W，振镜扫描速度为2000mm/s，刻蚀线宽度为0.1mm，填充间距为0.02mm；切线完成后，即制备得到半透明钙钛矿太阳能电池。

如图2所示，P1、P2、P3切线所在部分无法进行有效光电转换，即为电池的无效区域，剩余部分则为电池的有效区域，能够有效进行光电转换。其中透明区域是指P3切线所在部分。如图3所示，因导电基底本身为透明状态，P3通过超快激光剥落基底上的金电极层和功能层之后，未对透明导电基底造成损伤，因此仍可呈现透明状态，所以P3切线部分即为电池透明区域。

本实施例制备得到的半透明钙钛矿太阳能电池，单条小电池宽度为0.5mm,单条小电池中透明部分宽度为0.1mm，所以电池的透明度为20％。

实施例2

如图1所示，一种半透明钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用超快激光在10cm*10cm含FTO透明导电层的玻璃基板上划线，对透明导电层进行切割(P1)，切线间距为0.4mm，则单条小电池的宽度为0.4mm。切线加工参数为：皮秒模式，重复频率为500k Hz，激光功率为14W，振镜扫描速度为900mm/s，刻蚀线宽度为30μm；切割完成后清洗基底；

(2)在清洗干净的基底上通过化学浴沉积的方法制备一层氧化锡电子传输层；

(3)在氧化锡电子传输层上旋涂钙钛矿吸光层和spiro-OMeTAD空穴传输层；

(4)通过超快激光对功能层(电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层)进行切割，但不对透明导电层造成破坏(P2)，P2的位置与P1错开；加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15W，振镜扫描速度为800mm/s，刻蚀线宽度为0.1mm，填充间距为0.02mm；

(5)在功能层上方蒸镀金(80nm)；

(6)通过超快激光对金电极层和功能层进行切割，但不对导电层造成破坏(P3)，且P3的位置与P2、P1错开，加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为13W，振镜扫描速度为1500mm/s，刻蚀线宽度为0.1mm，填充间距为0.02mm；切线完成后，即制备得到半透明钙钛矿太阳能电池。

如图2所示，P1、P2、P3切线所在部分无法进行有效光电转换，即为电池的无效区域，剩余部分则为电池的有效区域，能够有效进行光电转换。其中透明区域是指P3切线所在部分。如图3所示，因导电基底本身为透明状态，P3通过超快激光剥落基底上的金电极层和功能层之后，未对透明导电基底造成损伤，因此仍可呈现透明状态，所以P3切线部分即为电池透明区域。

本实施例制备得到的半透明钙钛矿太阳能电池，单条小电池宽度为0.4m,单条小电池中透明部分宽度为0.1mm，所以电池的透明度为25％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半透明钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）利用超快激光在含透明导电层的基板上划线，剥落切线上的透明导电层；所述利用超快激光在透明导电层上划线的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200~500 kHz，激光功率为14~15 W，振镜扫描速度为900~1000 mm/s，刻蚀线宽度为30 μm，刻蚀线间距为0.4~0.5mm；

（2）清洗基板，在干净的透明导电层上依次沉积功能层，所述功能层从下往上依次是电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；然后利用超快激光在功能层上划线，剥落切线上的功能层且不损伤透明导电层，所述功能层上划线的位置与步骤（1）所述透明导电层上划线的位置需要相错开；所述利用超快激光在功能层上划线的加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为12 ~15W，振镜扫描速度为800 mm/s，刻蚀线宽度为0.1 mm，填充间距为0.02 mm；

（3）清洗基板，在干净的功能层上沉积金属电极，然后利用超快激光在金属电极层和功能层上划线，剥落切线上的金属电极层和功能层，且不损伤透明导电层，所述金属电极层和功能层上划线的位置与步骤（1）所述透明导电层上划线的位置、步骤（2）所述功能层上划线的位置均需相错开；切线完成后，即制备得到半透明钙钛矿太阳能电池；所述利用超快激光在金属电极层和功能层上划线的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200 kHz，激光功率为10 ~13W，振镜扫描速度为1500~2000 mm/s，刻蚀线宽度为0.1 mm，填充间距为0.02 mm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含透明导电层的基板选自如下的一种：含掺杂氟的SnO₂（FTO）镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡（ITO）镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡（ITO）镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）透明导电塑料基板和含氧化铟锡（ITO）镀层的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）透明导电塑料基板。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电子传输层为二氧化钛、氧化锡、氧化锌、或有机电子传输材料。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的钙钛矿吸光层为有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜，选自如下组分：MAPbI₃、FAPbI₃、FA_0.85MA_0.15Pb(I_0.85Br_0.15)₃、Cs_0.05(FA_0.85MA_0.15)_0.95Pb(I_0.85Br_0.15)₃，其中MA是指甲胺，FA是指甲脒。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层为spiro-OMeTAD、P3HT、或PEDOT:PSS。

6.根据权利要求1所述的制备方法，所述的金属电极为金电极、银电极、或铜电极。

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