CN109860400A - 高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池 - Google Patents

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苏晓
欧云
赵泽文
赵星宇
贾春媚
刘正浩
张颖
李明
吴竞伟
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Abstract

本发明专利公开了高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，该太阳能电池器件结构为p‑i‑n型，从下至上包括柔性云母透明基底、透明导电层、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和导电电极。云母钙钛矿太阳能电池具有面积大、耐高温、透明、柔韧性良好、成本低廉、工艺简单、易行可控等优点。相对于传统硬质基底太阳能电池，透明柔性太阳能电池用途广泛，包括可以应用于可穿戴设备、柔性电子元器件、柔性电子设备、曲面智能透明触屏、折叠太阳能供电器件及装置，曲线建筑及弯曲机车部件等。

Description

高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池
本发明专利涉及透明柔性半导体光电子传感器件领域，特别涉及高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池。
背景技术
能源是人类社会存在和发展的物质基础，化石燃料的大量使用也带来了一系列的问题，如能源危机和环境污染，促使人类探寻新的、清洁、安全、可再生的能源势在必行。太阳能对优化能源结构、减少环境污染、延缓全球变暖等具有重要意义。太阳能电池是一种光电转换装置。自2009年有机金属卤化物钙钛矿材料首次应用于光伏技术以来，电池效率由最初的3.8％提升到23％以上。目前多数采用硬质玻璃为基底的钙钛矿太阳能电池，不能满足一些曲面部件或曲面建筑的使用，限制了传统钙钛矿太阳能电池的曲面领域应用。目前柔性太阳能电池多采用透明柔性有机基底(聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，聚萘二甲酸乙二醇酯PEN等)，然而有机基底承受温度不能超过250℃(J.Mater.Chem.A,2016,4(18),6755)，且使用环境无法满足耐湿热的条件。若选用柔性玻璃(Willow glass)为基底，成本又过高，限制了大面积柔性钙钛矿太阳能电池的产业化。目前，S.Ke等以云母为基底制备正式结构n-i-p型钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率为9.67％(ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8,28406–28411.)，针对反式结构p-i-n结构的高温柔性云母太阳能电池较为匮乏。
发明专利内容
本发明专利针对上述问题，目的是提供高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池的方法，该太阳能电池具有大面积、耐高温、透明、良好的柔韧性、成本低廉、工艺简单、易行可控等优点，相对于传统太阳能电池，透明柔性太阳能电池用途广泛，包括可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船、可以集成在窗户或屋顶、曲面外墙或内墙上，甚至可以应用于曲面部件等领域。
为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：一种高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其结构从下至上包括柔性云母透明基底、透明导电层、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和导电电极。
优选的是，所述柔性云母透明基底面积为0.1cm2-2m2。
优选的是，所述柔性云母透明基底耐高温度为250℃-1000℃。
优选的是，所述太阳能电池制备方法包括刮涂法、喷涂法、化学气相沉积法、夹缝式涂布法、丝网印刷法、溅射法、喷墨打印法或压力辅助制备方法。
优选的是，所述透明导电层为结晶的外延生长掺杂氟氧化锡薄膜(FTO)、结晶的外延生长铟锡氧化物薄膜(ITO)、结晶的外延生长铝掺杂的氧化锌薄膜(AZO)、结晶的外延生长铟锌氧化物(IZO)和导电金属网格中的一种。
优选的是，所述钙钛矿ABX3中A为甲胺离子CH3NH3 +、甲脒离子CH(NH2)2 +、1-萘甲基铵离子NMA+、乙基胺离子CH3CH2NH3 +、丙基胺离子CH3CH2CH2NH3 +、丁基胺离子CH3CH2CH2CH2NH3 +、乙二胺胺离子(CH2NH3)2 +、异丁基胺离子CH(CH3)2CH2NH3 +、叔丁基胺离子C(CH3)3NH3 +、苯甲基胺离子C6H5CH2NH3 +、铯离子Cs+和铷离子Rb+中一种或多种，B为铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、镓离子Ga2+、锗离子Ge2+和铋离子Bi3+中一种或多种，X为氯离子Cl-、溴离子Br-和碘离子I-中一种或多种。
优选的是，所述空穴传输均为聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)PEDOT:PSS、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]PTAA、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴Spiro-OMeTAD、三氧化钼MoO3、氧化镍NiOa或Cu/Mg/Li/Na-NiOb，其中0≤a、b≤5；电子传输层均为[6,6]-苯基丁酸甲酯[6,6]PCBM、2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉BCP、二氧化钛TiO2、氧化锌ZnO、二氧化锡SnO2、氧化亚铜Cu2O、三氧化钨WO3、二氧化锆ZrO2或氧化铁FeOn，0≤n≤5。
本发明专利至少包括以下有益效果：该太阳能电池具有面积大、耐高温、透明、柔韧性良好、成本低廉、工艺简单、易行可控；而且云母基底为纯天然材料，具有价格便宜，对环境无污染等优点，该太阳能电池性能优良，相对于传统太阳能电池，透明柔性太阳能电池用途广泛，包括可以应用于可穿戴设备、柔性电子元器件、柔性电子设备、曲面智能透明触屏、折叠太阳能供电器件及装置，曲线建筑及弯曲机车部件等。
本发明专利的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明专利的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1本发明提供的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池组件结构示意图；
图中：1、柔性云母透明基底；2、透明导电层；3、空穴传输层；4、钙钛矿吸收层；5、电子传输层；6、导电电极；
图2本发明提供的基底为云母在300℃高温下所做钙钛矿太阳能电池的效率示意图；
图3本发明提供的基底为硬质玻璃在120℃下所做钙钛矿太阳能电池的效率示意图；
图4本发明提供的基底为柔性聚萘二甲酸乙二醇酯PEN在120℃下所做钙钛矿太阳能电池的效率示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
实施例1：
云母柔性太阳能电池制备：通过磁控溅射法将透明导电层ITO制备在柔性云母透明基底上；在ITO上采用旋涂法制备电子传输层SnO2，转速3000r/min，30s，旋涂完毕后在300℃下退火20min；之后，在电子传输层上制备钙钛矿吸收层CH3NH3PbI3，转速1000r/min，旋涂10s，4000r/min，旋涂60s，同时苯甲醚冲洗，旋涂完毕后在110℃下退火10min；接着采用旋涂法制备空穴传输层Spiro-OMeTAD，转速5000r/min，30s；蒸镀导电电极，优选Ag电极，完成器件的制备。云母基底钙钛矿太阳能电池的光电转换性能见图2。
实施例2：
玻璃基底钙钛矿太阳能电池为：通过磁控溅射法将透明导电层FTO制备在硬质玻璃基底上；采用旋涂法制备空穴传输层PEDOT：PSS，转速3000r/min，30s，旋涂完毕后在120℃的加热面板上退火20min；自然冷却后，采用旋涂法制备钙钛矿吸收层CH3NH3PbI3，转速1000r/min，旋涂10s，4000r/min，旋涂60s，同时苯甲醚冲洗，旋涂完毕后在110℃下退火10min；选用PCBM苯甲醚溶液旋涂制备电子传输层，旋涂4000r/min，30s；之后用BCP异丙醇溶液旋涂进行界面修饰，旋涂3000r/min，30s；蒸镀导电电极，优选Ag电极，完成器件的制备。硬质玻璃基底钙钛矿太阳能电池的光电转换性能见图3。
实施例3：
有机柔性太阳能电池的制备过程为：通过磁控溅射法将透明导电FTO层制备在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯PEN基底上，剩余步骤均与实施案例2相同。柔性聚萘二甲酸乙二醇酯PEN基底钙钛矿太阳能电池的光电转换性能见图4。
大面高温制备透明柔性太阳能电池具有面积大、耐高温、透明、良好的柔韧性、成本低廉、工艺简单、易行可控，形状可塑性强，对环境无污染等优点，对传统太阳能电池应用范围更加广阔。
尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明专利的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：结构从下至上包括柔性云母透明基底、透明导电层、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和导电电极。
2.如权利要求1所述的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：所述柔性云母透明基底面积为0.1cm2-2m2。
3.如权利要求1所述的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：所述柔性云母透明基底耐高温度为250℃-1000℃。
4.如权利要求1所述的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池制备方法包括刮涂法、喷涂法、化学气相沉积法、夹缝式涂布法、丝网印刷法、溅射法、喷墨打印法或压力辅助制备方法。
5.如权利要求1所述的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：所述透明导电层为结晶的外延生长掺杂氟氧化锡薄膜(FTO)、结晶的外延生长铟锡氧化物薄膜(ITO)、结晶的外延生长铝掺杂的氧化锌薄膜(AZO)、结晶的外延生长铟锌氧化物(IZO)和导电金属网格中的一种。
6.如权利要求1所述的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿ABX3中A为甲胺离子CH3NH3 +、甲脒离子CH(NH2)2 +、1-萘甲基铵离子NMA+、乙基胺离子CH3CH2NH3 +、丙基胺离子CH3CH2CH2NH3 +、丁基胺离子CH3CH2CH2CH2NH3 +、乙二胺胺离子(CH2NH3)2 +、异丁基胺离子CH(CH3)2CH2NH3 +、叔丁基胺离子C(CH3)3NH3 +、苯甲基胺离子C6H5CH2NH3 +、铯离子Cs+和铷离子Rb+中一种或多种，B为铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、镓离子Ga2+、锗离子Ge2+和铋离子Bi3+中一种或多种，X为氯离子Cl-、溴离子Br-和碘离子I-中一种或多种。
7.如权利要求1所述的高温大面积制备柔性云母透明太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输均为聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)PEDOT:PSS、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]PTAA、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴Spiro-OMeTAD、三氧化钼MoO3、氧化镍NiOa或Cu/Mg/Li/Na-NiOb，其中0≤a、b≤5；电子传输层均为[6,6]-苯基丁酸甲酯[6,6]PCBM、2,9-二甲基-4,7-联苯-1,10-菲罗啉BCP、二氧化钛TiO2、氧化锌ZnO、二氧化锡SnO2、氧化亚铜Cu2O、三氧化钨WO3、二氧化锆ZrO2或氧化铁FeOn，0≤n≤5。
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