CN110767810B - 一种大面积钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种大面积钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大面积钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。本发明设计了不同刻蚀方法下的大面积钙钛矿太阳能电池。与传统串并联方式相比，刻蚀导电玻璃基底和激光刻蚀整块电池的方法只需要一次刻蚀步骤，减少了激光多步刻蚀时的热效应引起的的钙钛矿材料分解和刻蚀边缘处电荷复合严重的问题，从而简化了生产工艺，降低了电池成本，这对大面积电池商业化有一定的指导意义。同时发现，无需以全隔断方式来制备并联型大面积钙钛矿太阳能电池。只刻蚀导电玻璃基底的电池性能略优于不刻蚀导电玻璃基底和激光刻蚀整块电池的性能。

Description

一种大面积钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及不同刻蚀方式的大面积钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的发展速度十分迅猛，其效率从2009年的3.81％增至目前的25.2％[https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.jpg]。但是高效率的电池多数是基于实验室小面积的研究成果。小面积电池在放大的过程中，光电转化效率会降低很快，主要来源于分流电阻及串联电阻。
串联电阻为电荷长距离传输造成损失。为了减少这一损失，研究者将大面积电池通过激光刻蚀、机械划线或铺设金属线的方法形成多个小面积矩形子电池，并以串联或并联的形式互连[201710213303.5，201810247006.7，201810704858.4]。其中激光刻蚀应用最为广泛，但对激光仪器(例如激光源，脉冲能量，划线速度)具有高精度要求，这增加了工艺复杂性和成本[201810257317.1，201811308080.1]。鉴于钙钛矿太阳能电池中电荷传输长度和方向的特性，电池单元间是否需要全隔断的方式进行钙钛矿组件的制备，需要进一步确定。
本发明从简化工艺的设计理念出发，探究不同刻蚀方式对并联型大面积钙钛矿电池的影响，这对简化制备工艺，降低电池成本，推进钙钛矿太阳能电池的商业化有一定的指导意义。
发明内容
本发明的目的是设计了不同刻蚀方式的大面积钙钛矿太阳能电池，比较其光电性能，并提供实例验证该方法的可行性，如图1所示。
本发明的技术方案：
一种大面积钙钛矿太阳能电池，从下到上依次为导电玻璃基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层以及金属电极；
一种结构：在大面积钙钛矿太阳能电池的导电玻璃基底的导电层上采用激光分割成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状导电层；
另一种结构：大面积钙钛矿太阳能电池采用激光分割整块电池，从而形成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状子电池。
所述的导电玻璃基底的导电层厚度为100～1000nm；所述的空穴传输层的厚度为8～100nm；所述的钙钛矿层的厚度为200～800nm；所述的电子传输层的厚度为30～300nm；所述的金属电极的厚度为50～500nm；所述的电池尺寸为0.12～90cm2。
一种大面积钙钛矿太阳能电池的制备方法，步骤如下：
步骤1、先用激光刻蚀导电玻璃基底的导电层，将其分割成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状导电层；激光刻蚀采用的重复频率为20～100KHz，激光功率为10～130W，扫描速度为500～1000mm/s；将刻蚀后的导电玻璃基底依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗10～30min；
步骤2、在导电玻璃基底上沉积空穴传输层：将清洗过的导电玻璃基底进行紫外臭氧处理10～100min；用孔径为0.2～10μm的水系滤膜过滤1.3wt％～1.7wt％的PEDOT:PSS水溶液，按照5000～10000rpm/min的速度涂覆到导电玻璃基底，在20～200℃下退火10～50min；按照0.02mL/cm2的添加量，将去离子水滴加到空穴传输层上，并按照5000～10000rpm/min旋涂，在100～200℃再次退火5～50min；
步骤3、在空穴传输层上沉积钙钛矿层：首先将碘化铅溶液和甲基碘化胺溶液分别磁力搅拌1～12h；其中，碘化铅溶液的浓度为1～1.3M，碘化铅溶液中所用的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜，二者的体积比为5:1；甲基碘化胺溶液是1～1.3M甲基碘化铵的异丙醇溶液；用孔径为0.2～10μm的有机滤膜过滤以上两种溶液后，先将碘化铅溶液以2000～5000rpm/min旋涂到空穴传输层上；溶剂挥发后，将甲基碘化胺溶液3000～7000rpm/min的速度旋涂到碘化铅上，100～130℃下退火20～40min，形成钙钛矿层；
步骤4、在钙钛矿层上沉积电子传输层：配制1～1.3M的PC61BM的氯苯溶液，常温下磁力搅拌9～12h；将PC61BM的氯苯溶液以2500～4500rpm/min的速度旋涂到钙钛矿层，形成电子传输层；将2～10mg/mL BCP的异丙醇溶液以4000-6000rpm/min旋涂到电子传输层上；
步骤5、蒸镀金属电极，完成电池的组装。
一种大面积钙钛矿太阳能电池的制备方法，步骤如下：
步骤1、将导电玻璃基底依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗10～30min；
步骤2、在导电玻璃基底上沉积空穴传输层：将清洗过的导电玻璃基底进行紫外臭氧处理10～100min；用孔径为0.2～10μm的水系滤膜过滤1.3wt％～1.7wt％的PEDOT:PSS水溶液，按照5000～10000rpm/min的速度涂覆到导电玻璃基底，在20～200℃下退火10～50min；按照0.02mL/cm2的添加量，将去离子水滴加到空穴传输层上，并按照5000～10000rpm/min旋涂，在100～200℃再次退火5～50min；
步骤3、在空穴传输层上沉积钙钛矿层：首先将碘化铅溶液和甲基碘化胺溶液分别磁力搅拌1～12h；其中，碘化铅溶液的浓度为1～1.3M，碘化铅溶液中所用的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜，二者的体积比为5:1；甲基碘化胺溶液是1～1.3M甲基碘化铵的异丙醇溶液；用孔径为0.2～10μm的有机滤膜过滤以上两种溶液后，先将碘化铅溶液以2000～5000rpm/min旋涂到空穴传输层上；溶剂挥发后，将甲基碘化胺溶液3000～7000rpm/min的速度旋涂到碘化铅上，100～130℃下退火20～40min，形成钙钛矿层；
步骤4、在钙钛矿层上沉积电子传输层：配制1～1.3M的PC61BM的氯苯溶液，常温下磁力搅拌9～12h；将PC61BM的氯苯溶液以2500～4500rpm/min的速度旋涂到钙钛矿层，形成电子传输层；将2～10mg/mL BCP的异丙醇溶液以4000-6000rpm/min旋涂到电子传输层上；
步骤5、蒸镀金属电极，完成器件制备之后，采用激光刻蚀分割整块电池，形成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状子电池；其中激光刻蚀采用的重复频率为20～100KHz，激光功率为10～130W，扫描速度为500～1000mm/s。
所述的导电玻璃基底为掺杂氟的氧化锡透明导电玻璃、氧化铟锡透明导电玻璃、铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃、透明氧化铟锡导电薄膜或透明碲化镉导电薄膜。
所述的钙钛矿层的沉积方法是旋涂、软膜覆盖沉积法、板压法、槽模涂层、喷墨打印法或刮涂法。
本发明的有益效果：本发明设计了不同刻蚀方法下的大面积钙钛矿太阳能电池。与传统串并联方式相比，刻蚀导电玻璃基底和激光刻蚀整块电池的方法只需要一次刻蚀步骤，减少了激光多步刻蚀时的热效应引起的的钙钛矿材料分解和刻蚀边缘处电荷复合严重的问题，从而简化了生产工艺，降低了电池成本，这对大面积电池商业化有一定的指导意义。同时发现，无需以全隔断方式来制备并联型大面积钙钛矿太阳能电池。只刻蚀导电玻璃基底的电池性能略优于不刻蚀导电玻璃基底和激光刻蚀整块电池的性能。
附图说明
图1是不同刻蚀方式下钙钛矿太阳能电池的结构示意图；(a)不刻蚀导电玻璃基底；(b)刻蚀导电玻璃基底；(c)激光刻蚀整块电池。
图2是不同刻蚀方式下1cm2的大面积电池的电流-电压曲线。
图3是不同刻蚀方式下4cm2的大面积电池的电流-电压曲线。
图4是不同刻蚀方式下9cm2的大面积电池的电流-电压曲线。
图中：1ITO导电玻璃基底；2空穴传输层；3钙钛矿层；4电子传输层；5金属电极。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，具体说明本发明的具体实施方式。
实施例1 1cm2不刻蚀基底的大面积钙钛矿太阳能电池的制备
取导电玻璃基底切割成2×2cm2(4cm2的电池需用3×3cm2的基底，9cm2的电池需用4×4cm2)的正方形，并在洗缸中依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇超声清洗各15分钟，在180℃的烘箱中干燥。
制备致密均匀空穴传输层需要先将PEDOT:PSS水溶液室温下磁力搅拌0.5h，过滤后待用。PEDOT:PSS水溶液按照8000rpm/min的速度旋涂到导电玻璃基底上，并于140℃下退火20min。将一定量的去离子水滴加到PEDOT:PSS层上，并按照8000rpm/min的速度旋涂，再次退火5min；
有机无机杂化钙钛矿层的制备包括以下步骤：将1M碘化铅溶于N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合液中，1M甲基碘化铵溶于异丙醇溶液中。其中N，N-二甲基甲酰胺与二甲基亚砜的体积比为5:1。碘化铅溶液磁力搅拌9h，直至溶质全部溶解掉，用孔径为0.2μm的滤膜过滤待用。用移液枪将过滤后的碘化铅均匀滴到制备好的空穴传输层的基底上，以3000rpm/min的速度进行旋涂。自然挥发溶剂20min后，甲基碘化铵按照5000rpm/min的速度旋涂到碘化铅上，将基底在125℃下退火30min形成钙钛矿层。
电子传输层的制备需要先将1M的PC61BM的氯苯溶液在常温下搅拌6h，使其全部溶解。将电子传输层材料按照3500rpm/min的速度旋涂到钙钛矿上形成电子传输层。再将5mg/mL BCP的异丙醇溶液按照5000rpm/min的速度旋涂到电子传输层上。
金属背电极的制备主要是将制备好的电池放到掩膜板中，将掩膜板放到蒸镀机里。在钨舟中放入适当的银作为蒸镀原料。打开蒸镀机，当真空度显示在1.0×10-4Pa时以
Figure GDA0002822257860000061
的蒸发速率进行蒸镀，当蒸镀到
Figure GDA0002822257860000062
时停止蒸镀。完成整个电池的制备过程，如图1中(a)所示。通过测试电池效率的电流-电压曲线见图2中(a)，具体光电参数见表1。
实施例2 1cm2刻蚀导电玻璃基底的大面积钙钛矿太阳能电池的制备
刻蚀的导电玻璃基底是采用激光把2×2cm2的导电玻璃分割成宽度为3.5mm，间隔为0.5mm的小面积条状导电层。激光刻蚀时的重复频率为50KHz，功率为70W，扫描速度为500mm/s。
将刻蚀后的导电玻璃基底依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗15min，并在180℃的烘箱中干燥。后续空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层以及蒸镀金属电极电池的制备过程同不刻蚀基底的电池。电池结构如图1中(b)所示。通过测试电池效率的电流-电压曲线见图2中(b)，具体光电参数见表1。
实施例3 1cm2整块刻蚀的大面积钙钛矿太阳能电池的制备
前期电池的制备过程同不刻蚀基底的电池。在蒸镀金属电极，完成器件制备之后，采用激光刻蚀的方式来分割整块电池，从而形成宽度为3.5mm，间隔为0.5mm的小面积条状子电池。其中激光刻蚀采用的重复频率为50KHz，激光功率为70W，扫描速度为500mm/s。电池结构如图1中(c)所示，通过测试电池效率的电流-电压曲线见图2中(c)，具体光电参数见表1。
另外，4cm2不同刻蚀方式下的大面积电池如图3所示，9cm2不同刻蚀方式下的大面积电池如图4所示，具体光电参数见表1。
表1.不同刻蚀方式下1，4，9cm2的大面积钙钛矿太阳能电池的光电参数
Figure GDA0002822257860000071

Claims (7)

1.一种大面积钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、先用激光刻蚀导电玻璃基底的导电层，将其分割成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状导电层；激光刻蚀采用的重复频率为20～100KHz，激光功率为10～130W，扫描速度为500～1000mm/s；将刻蚀后的导电玻璃基底依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗10～30min；
步骤2、在导电玻璃基底上沉积空穴传输层：将清洗过的导电玻璃基底进行紫外臭氧处理10～100min；用孔径为0.2～10μm的水系滤膜过滤1.3wt％～1.7wt％的PEDOT:PSS水溶液，按照5000～10000rpm/min的速度涂覆到导电玻璃基底，在20～200℃下退火10～50min；按照0.02mL/cm2的添加量，将去离子水滴加到空穴传输层上，并按照5000～10000rpm/min旋涂，在100～200℃再次退火5～50min；
步骤3、在空穴传输层上沉积钙钛矿层：首先将碘化铅溶液和甲基碘化胺溶液分别磁力搅拌1～12h；其中，碘化铅溶液的浓度为1～1.3M，碘化铅溶液中所用的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜，二者的体积比为5:1；甲基碘化胺溶液是1～1.3M甲基碘化铵的异丙醇溶液；用孔径为0.2～10μm的有机滤膜过滤以上两种溶液后，先将碘化铅溶液以2000～5000rpm/min旋涂到空穴传输层上；溶剂挥发后，将甲基碘化胺溶液3000～7000rpm/min的速度旋涂到碘化铅上，100～130℃下退火20～40min，形成钙钛矿层；
步骤4、在钙钛矿层上沉积电子传输层：配制1～1.3M的PC61BM的氯苯溶液，常温下磁力搅拌9～12h；将PC61BM的氯苯溶液以2500～4500rpm/min的速度旋涂到钙钛矿层，形成电子传输层；将2～10mg/mL BCP的异丙醇溶液以4000-6000rpm/min旋涂到电子传输层上；
步骤5、蒸镀金属电极，完成电池的组装。
2.一种大面积钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、将导电玻璃基底依次用洗洁精水溶液、去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇各超声清洗10～30min；
步骤2、在导电玻璃基底上沉积空穴传输层：将清洗过的导电玻璃基底进行紫外臭氧处理10～100min；用孔径为0.2～10μm的水系滤膜过滤1.3wt％～1.7wt％的PEDOT:PSS水溶液，按照5000～10000rpm/min的速度涂覆到导电玻璃基底，在20～200℃下退火10～50min；按照0.02mL/cm2的添加量，将去离子水滴加到空穴传输层上，并按照5000～10000rpm/min旋涂，在100～200℃再次退火5～50min；
步骤3、在空穴传输层上沉积钙钛矿层：首先将碘化铅溶液和甲基碘化胺溶液分别磁力搅拌1～12h；其中，碘化铅溶液的浓度为1～1.3M，碘化铅溶液中所用的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜，二者的体积比为5:1；甲基碘化胺溶液是1～1.3M甲基碘化铵的异丙醇溶液；用孔径为0.2～10μm的有机滤膜过滤以上两种溶液后，先将碘化铅溶液以2000～5000rpm/min旋涂到空穴传输层上；溶剂挥发后，将甲基碘化胺溶液3000～7000rpm/min的速度旋涂到碘化铅上，100～130℃下退火20～40min，形成钙钛矿层；
步骤4、在钙钛矿层上沉积电子传输层：配制1～1.3M的PC61BM的氯苯溶液，常温下磁力搅拌9～12h；将PC61BM的氯苯溶液以2500～4500rpm/min的速度旋涂到钙钛矿层，形成电子传输层；将2～10mg/mL BCP的异丙醇溶液以4000-6000rpm/min旋涂到电子传输层上；
步骤5、蒸镀金属电极，完成器件制备之后，采用激光刻蚀分割整块电池，形成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状子电池；其中激光刻蚀采用的重复频率为20～100KHz，激光功率为10～130W，扫描速度为500～1000mm/s。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的导电玻璃基底为掺杂氟的氧化锡透明导电玻璃、氧化铟锡透明导电玻璃、铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃、透明氧化铟锡导电薄膜或透明碲化镉导电薄膜。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的钙钛矿层的沉积方法替换为软膜覆盖沉积法、板压法、槽模涂层、喷墨打印法或刮涂法。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的钙钛矿层的沉积方法替换为软膜覆盖沉积法、板压法、槽模涂层、喷墨打印法或刮涂法。
6.一种采用如权利要求1或2所述的制备方法得到的大面积钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该大面积钙钛矿太阳能电池从下到上依次为导电玻璃基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层以及金属电极；
一种结构：在大面积钙钛矿太阳能电池的导电玻璃基底的导电层上采用激光分割成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状导电层；
另一种结构：大面积钙钛矿太阳能电池采用激光分割整块电池，从而形成宽度为3～8mm，间隔为0.1～0.5mm的小面积条状子电池。
7.根据权利要求6所述的大面积钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的导电玻璃基底的导电层厚度为100～1000nm；所述的空穴传输层的厚度为8～100nm；所述的钙钛矿层的厚度为200～800nm；所述的电子传输层的厚度为30～300nm；所述的金属电极的厚度为50～500nm；所述的电池尺寸为0.12～90cm2。
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