CN111312900A - 平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池结构。该结构从下到上依次是：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)空穴传输层；5)电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。衬底采用玻璃、聚酰亚胺等；正负电极采用Au、Cu等金属或ITO等透明导电膜；电子传输层采用SnO2、TiO2等N型材料；空穴传输层采用Spiro‑OMeTAD、NiOx等P型材料；钙钛矿吸收层采用多晶或单晶钙钛矿材料；钝化层采用PEAI、氯化胆碱等化合物中的一种；减反射保护层为低折射率致密薄膜或绒面结构减反膜。本发明公开的全背接触钙钛矿太阳电池结构可以完全避免正面电极的遮光损失和载流子传输层或透明导电衬底的寄生吸收，提高钙钛矿太阳电池转换效率，改善电池外观。

Description

平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳电池，特别是关于一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池。
技术背景
近年来，日益严重的能源危机和环境污染促进了可再生能源的迅速发展。其中，太阳电池以其安全可靠、无噪声、无污染排放、无枯竭危险、不受资源分布地域限制等诸多优势而受到重视。
虽然目前光伏市场的主导产品是晶体硅太阳电池，但是经过多年的发展，继续提高效率和降低成本的空间越来越小。因此，世界各国都在积极研究开发新型光伏材料和器件。有机/无机金属卤化物钙钛矿太阳电池2009年才出现，效率仅为3.8％，但是仅十年的时间其效率已经达到25.2％，而且可以采用低成本的低温溶液法来制备，在高效率和低成本方面都显示出巨大的潜力。当前，钙钛矿太阳电池基本上均采用电子传输层和空穴传输层位于钙钛矿吸收层两侧的三明治结构，无论光从电子传输层入射，还是从空穴传输层入射，总是在载流子传输层或透明导电衬底处存在不可避免的寄生吸收，同时金属栅线电极也存在遮挡光的现象，限制了太阳电池对光的利用效率，进而阻碍太阳电池转换效率的提升。
继续提高钙钛矿太阳电池的效率，除了通过制备技术和工艺过程控制来提升材料的光电性能和改善器件的界面接触外，新型器件结构的设计也是提高光的利用率和提升电池性能的重要途径。目前，多晶钙钛矿中载流子扩散长度达到几个微米，而利用溶液法生长的MAPbI3单晶的载流子扩散长度超过了175μm，中科院大连化物所报道的CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿单晶光生载流子扩散长度超过569μm，而且随着技术不断进步，钙钛矿中载流子扩散长度还将进一步增长，这为钙钛矿太阳电池新型器件结构的设计和实现奠定了基础。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，将正电极/空穴传输层和负电极/电子传输层均放置在电池的背光面来构成全背接触结构，钙钛矿前表面采用钝化层降低表面缺陷及其导致的载流子复合，采用低折射率的致密薄膜或绒面结构减反膜减小入射光的反射，并保护钙钛矿吸收层。该结构的太阳电池完全避免了传统三明治结构中电子传输层或空穴传输层、和透明导电衬底的寄生吸收，以及金属栅线电极对光的遮挡，能有效提高光的利用率，从而提升钙钛矿太阳电池的转换效率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于自下到上包括：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)正电极上的空穴传输层；5)负电极上的电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。衬底采用玻璃、不锈钢等金属、纤维织物、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其衍生物等柔性或刚性衬底，具有透明或不透明特性；正电极和负电极采用Au、Ag、Al、Cu、Ti等各类金属或者良好导电性的ITO、ZnO等透明导电膜，金属纳米线氧化物混合透明电极、金属和氧化物多层构透明电极、合金、金属电极和碳材料电极中的一种或多种，厚度在10nm～50μm；电子传输层采用二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、聚苯乙烯磺酸盐(如PSSA)、富勒烯衍生物(如PCBM)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、石墨烯、氧化锌锡、金属酞菁分子材料、富勒烯等化合物及其衍生物中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm；空穴传输层采用氧化镍(NiOx)、氧化钼(MoOx)、氧化钨(WOx)、五氧化二钒(V2O5)、硫氰酸亚铜(CuSCN)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(如PEDOT:PSS)、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钥、氧化铬、氧化钥、聚乙烯咔唑、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌、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)等中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm；；钙钛矿吸收层包括多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX3结构钙钛矿材料，其中A位阳离子为MA+、FA+、Cs+等烷基胺、烷基脒和碱金属元素中的一种或多种，B位阳离子为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sb2+、Bi3+等分布在第四、第五和第六等主族元素中的一种或多种或Ag+、Cu2+等分布在第一副族元素中的一种或多种，X位阴离子为Cl-、Br-、I-等卤素元素中的一种或多种，吸收层厚度在50nm-500μm；钝化层包括苯基三乙基碘化铵(PEAI)、氯化胆碱、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等具有-COOH、-NH2、-SH、-OH、-CN、-SCN等末端功能团的烷烃、芳香烃、吡啶、富勒烯、石墨烯等化合物及其衍生物中的一种或多种，厚度在1nm～100nm；减反射保护层为低折射率的致密薄膜或绒面薄膜或光子晶体等，包括Al2O3、SiNx、SiO2、a-SiOx:H、nc-SiOx:H、a-SiCx:H、a-SiOxNy:H、MgF2、具有金字塔结构或倒金子塔结构的绒面减反层、具有一维或二维或三维结构的光子晶体、PDMS等。
上述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于正电极和负电极均在电池的背面，且正、负电极通过刻蚀或者绝缘材料填充等方式进行相互隔断。
上述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于吸收层可以是多晶态钙钛矿或者单晶态钙钛矿，钙钛矿吸收层包括多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX3结构钙钛矿材料，其中A位阳离子为MA+、FA+、Cs+等烷基胺、烷基脒和碱金属元素中的一种或多种，B位阳离子为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sb2+、Bi3+等分布在第四、第五和第六等主族元素中的一种或多种或Ag+、Cu2+等分布在第一副族元素中的一种或多种，X位阴离子为Cl-、Br-、I-等卤素元素中的一种或多种。吸收层厚度在50nm-500μm。
上述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于钝化层包括苯基三乙基碘化铵(PEAI)、氯化胆碱、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等具有-COOH、-NH2、-SH、-OH、-CN、-SCN等末端功能团的烷烃、芳香烃、吡啶、富勒烯、石墨烯等化合物及其衍生物中的一种或多种，厚度在1nm～100nm；减反射保护层为低折射率的致密薄膜或绒面薄膜或光子晶体等，包括Al2O3、SiNx、SiO2、a-SiOx:H、nc-SiOx:H、a-SiCx:H、a-SiOxNy:H、MgF2、具有金字塔结构或倒金子塔结构的绒面减反层、具有一维或二维或三维结构的光子晶体、PDMS等，厚度在10nm-500nm。
上述平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于电池的制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备薄膜电极；3)形成相互隔断的正、负电极；4)在正电极上制备空穴传输层；5)在负电极上制备电子传输层；6)制备多晶态钙钛矿吸收层，或者单晶态钙钛矿吸收层；7)制备钝化层；8)制备减反射保护层。
上述平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池制备方法，交叉指状电极的制备采用光刻法或者子母版交替沉积法或激光刻蚀法；交叉指状电极之间的绝缘隔离层采用蒸发或溅射等方法制备；交叉指状电极与绝缘隔离层可进行化学机械抛光，使两电极保持着同一平面内；利用溅射或蒸发或旋涂或电沉积法在交叉指状电极的部分电极上制备电子传输层；利用溅射或蒸发或旋涂或电沉积法在交叉指状电极的另部分电极上制备空穴传输层；采用旋涂、蒸发或化学气相沉积等方法制备多晶态钙钛矿吸收层，或者采用溶液限域法等制备单晶态钙钛矿吸收层；采用物理气相沉积、化学气相沉积或者溶液法制备钝化层；采用物理气相沉积、化学气相沉积或者溶液法制备低折射率的致密减反射保护层或具有绒面结构的减反保护层。
本发明的有益效果是：将正电极/空穴传输层和负电极/电子传输层均放置在电池的背光面来构成全背接触结构，钙钛矿前表面采用钝化层降低表面缺陷，采用低折射率的致密薄膜或具有绒面结构的功能薄膜形成对钙钛矿吸收层的保护和减小入射光的反射。该结构的太阳电池完全避免了传统三明治结构中电子传输层或空穴传输层或透明导电衬底的寄生吸收，以及金属栅线电极对光的遮挡，能有效提高光的利用率，最终提高钙钛矿太阳电池的转换效率，同时改善太阳电池整体外观，简化制备工艺并降低成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种平行叉指状金属电极及载流子传输层的结构示意图。
图2是本发明提供的一种平行叉指状背接触钙钛矿电池的结构示意图。
图3是本发明提供的一种平行叉指全背接触钙钛矿电池的制备流程示意图，图例与图2相同。其中，a.清洗并准备衬底，b.制备金属薄膜，c.制备叉指状正负电极，d.在负电极上制备电子传输层，e.在正电极上制备空穴传输层，f.制备钙钛矿吸收层，g.制备钝化层，h.制备减反层。
图4是基于本发明的一种变形，一种仅含有金属电极的平行叉指全背接触钙钛矿电池的结构示意图。
图5是基于本发明的一种变形，一种仅含有金属电极的平行叉指全背接触钙钛矿电池的结构示意图，其中金属电极与钙钛矿吸收层界面经过钝化处理。
图6是基于本发明的一种变形，一种仅含有电子或空穴传输层的平行叉指全背接触钙钛矿电池的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和优势更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明，但所描述的实施例仅为本发明所有可能实施例中的一部分，并不限于此。
一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于电池的制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备交叉指状电极；3)制备交叉指状电极之间的绝缘隔离层；4a)负电极上制备电子传输层；4b)正电极上制备空穴传输层；5)制备多晶态或单晶态钙钛矿吸收层；6)制备钝化层；7)制备低折射率的致密减反射保护层或绒面结构减反薄膜。
实施例1
1)采用玻璃作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图3a；
2)采用磁控溅射法制备厚度1μm的铜薄膜，如图3b；
3)然后采用激光刻蚀在铜薄膜上形成“弓”字型图案，形成1#梳状电极和2#梳状电极，两者共同形成如图1所示的交叉指状金属电极；相邻梳状电极之间间隔1μm，电极宽度1μm，如图3c；
4)采用掩膜版蒸发沉积法在图1中左侧梳状电极上制备电子传输层，如PCBM，厚度50nm，如图3d；
5)采用掩膜版蒸发沉积法在图1中右侧梳状电极上制备空穴传输层，如Spiro-TPD，厚度100nm，如图3e；
6)采用两步蒸发沉积法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度500nm，如图3f；
7)采用溶液旋涂法制备PEAI钝化层，厚度10nm，如图3g；
8)采用纳米压印技术制备具有倒金字塔结构的PDMS减反保护薄膜，厚度500μm，如图3h。
实施例2
1)采用玻璃作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗；
2)采用磁控溅射法制备厚度500nm的钛薄膜；
3)然后采用光刻胶在钛薄膜上形成“弓”字型图案；
4)采用子母板方案交替沉积获得交叉指状金属电极；刻蚀形成1#梳状电极和2#梳状电极，两者共同形成如图1所示的交叉指状金属电极；相邻梳状电极之间间隔50μm，电极宽度50μm；
5)采用磁控溅射制备交叉指状电极之间的SiO2绝缘隔离层；
6)采用化学机械抛光处理交叉指状电极及其之间的SiO2绝缘隔离层
7)采用电化学沉积在图1中左侧梳状电极上制备电子传输层，如SnO2，厚度20nm；
8)采用电化学沉积在图1中右侧梳状电极上制备空穴传输层，如NiOx，厚度20nm；
9)采用溶液法制备单晶态钙钛矿吸收层，厚度100μm；
10)采用溶液旋涂法制备PMMA钝化层，厚度5nm；
11)采用电子束蒸发法制备低折射率的SiO2/MgF2致密减反射保护层，厚度100nm。
实施例3
1)采用玻璃作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图3a；
2)采用磁控溅射法制备厚度100nm的金薄膜，如图3b；
3)然后采用激光刻蚀在金薄膜上形成“弓”字型图案，形成1#梳状电极和2#梳状电极，两者共同形成如图1所示的交叉指状金属电极；相邻梳状电极之间间隔1μm，电极宽度10μm，如图3c；
4)采用一步溶液旋涂法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度500nm，如图3f；
5)采用溶液旋涂法制备PMMA钝化层，厚度10nm，如图3g；
6)采用电子束蒸发法制备低折射率的SiO2/MgF2致密减反射保护层，厚度100nm。
7)制备成如图4的仅有金属电极的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池。
实施例4
1)采用塑料PET作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图3a；
2)采用磁控溅射法制备厚度50nm的铝薄膜，如图3b；
3)然后采用激光刻蚀在金薄膜上形成“弓”字型图案，形成1#梳状电极和2#梳状电极，两者共同形成如图1所示的交叉指状金属电极；相邻梳状电极之间间隔2μm，电极宽度5μm，如图3c；
4)采用溶液旋涂法制备PMMA钝化层，厚度5nm。
5)采用两步溶液旋涂法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度800nm，如图3f；
6)采用溶液旋涂法制备EDTA钝化层，厚度12nm，如图3g；
7)采用电子束蒸发法制备低折射率的SiO2/MgF2致密减反射保护层，厚度100nm。
8)制备成如图5的仅有金属电极的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，但金属电极与钙钛矿吸收层界面经过钝化处理。
实施例5
1)采用纤维织物作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图3a；
2)采用热蒸发法制备厚度300μm的镍薄膜，如图3b；
3)然后采用激光刻蚀在铜薄膜上形成“弓”字型图案，形成1#梳状电极和2#梳状电极，两者共同形成如图1所示的交叉指状金属电极；相邻梳状电极之间间隔500nm，电极宽度3μm，如图3c；
4)采用掩膜版蒸发沉积法在图1中右侧梳状电极上制备载流子传输层(电子或空穴传输层)，厚度100nm，如图3e；
5)采用热蒸发金属卤化物(如碘化铅)+溶液旋涂法(如FAI/MAI)制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度500nm，如图3f；
6)采用溶液旋涂法制备EDTA钝化层，厚度20nm，如图3g；
7)采用纳米压印技术制备具有倒金字塔结构的PDMS减反保护薄膜，厚度500μm，如图3h。
8)制备成如图6的仅有电子或空穴传输层的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池。
综上所述，本发明提供了一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池及其制备方法，通过优化背接触电极结构和制备工艺，可以有效避免传统三明治结构的钙钛矿太阳电池中载流子传输层、透明导电衬底和迎光面金属栅线遮光等技术难题，提高太阳电池光收集效率并提高太阳电池光电转换效率，改善器件外观。该方法简单易行，有望真正实现高效钙钛矿太阳电池的制备。
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，并非对本发明保护范围的限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，对任何熟悉本技术领域的技术人员来说，其依然可以对上述实施例所描述的技术方案进行变化或替换，但是凡在本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于自下到上包括：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)正电极上的空穴传输层；5)负电极上的电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。
2.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于衬底采用玻璃、不锈钢等金属衬底、纤维织物、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其衍生物等柔性或刚性衬底，具有透明或不透明特性。
3.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于正电极和负电极采用Au、Ag、Al、Cu、Ti等各类金属或者良好导电性的ITO、ZnO等透明导电膜，金属纳米线氧化物混合透明电极、金属和氧化物多级结构透明电极、合金、金属电极和碳材料电极中的一种或多种；正电极和负电极可以为同一种材料，也可以为不同材料，厚度在10nm～50μm。
4.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于正电极和负电极均在电池的背光面，且正、负电极通过刻蚀或者绝缘材料填充等方式进行相互隔断；正电极和负电极的线宽在50nm～500μm；正负电极之间间隔在10nm～500μm；正电极和负电极的形状可以是平行的直线，也可以是不相交的曲线，如齿状、螺旋、圆形、回形等线条。
5.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于电子传输层采用二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、聚苯乙烯磺酸盐(如PSSA)、富勒烯衍生物(如PCBM)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、石墨烯、氧化锌锡、金属酞菁分子材料、富勒烯等材料中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm。其特征在于空穴传输层采用氧化镍(NiOx)、氧化钼(MoOx)、氧化钨(WOx)、五氧化二钒(V2Ox)、硫氰酸亚铜(CuSCN)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(如PEDOT:PSS)、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钥、氧化铬、氧化钥、聚乙烯咔唑、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌、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)等材料中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm。
6.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于吸收层可以是多晶态钙钛矿或者单晶态钙钛矿，包括多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX3结构钙钛矿材料，其中A位阳离子为MA+、FA+、Cs+等烷基胺、烷基脒和碱金属元素中的一种或多种，B位阳离子为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sb2+、Bi3+等分布在第四、第五和第六等主族元素中的一种或多种或Ag+、Cu2+等分布在第一副族元素中的一种或多种，X位阴离子为Cl-、Br-、I-等卤素元素中的一种或多种，吸收层厚度在50nm-500μm。
7.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于钝化层包括苯基三乙基碘化铵(PEAI)、氯化胆碱、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等具有-COOH、-NH2、-SH、-OH、-CN、-SCN等末端功能团的烷烃、芳香烃、吡啶、富勒烯、石墨烯等化合物及其衍生物中的一种或多种，以及Al2O3，SiNx、SiO2，a-Si:H、a-SiOx:H厚度在1nm～100nm。
8.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于减反射保护层为低折射率的致密薄膜或绒面薄膜或光子晶体等，包括Al2O3，SiNx、SiO2，a-SiOx:H、nc-SiOx:H、a-SiCx:H、a-SiOxNy:H、MgF2、具有金字塔结构或倒金子塔结构的绒面减反层、具有一维或二维或三维结构的光子晶体、PDMS等，厚度在10nm-500μm。
9.根据专利要求3、5、6、7、8中所述的金属电极、绝缘层、电子或空穴传输层、钙钛矿吸收层、钝化层、减反保护层等功能层可以通过多种方式沉积在衬底上，包括但不限于热蒸发(多源共蒸法或单源分步蒸发等)、蒸发/溶液法、蒸发/气相沉积法、气相沉积法、磁控溅射、电子束蒸发、原子层沉积、刮涂、旋涂、丝网印刷、狭缝涂布、喷涂、辊涂、浸渍、喷墨打印等方法。
10.一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池制备方法，其特征在于电池的制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备良好导电性的薄膜；3)形成相互隔断的正、负电极；4)在正电极上制备空穴传输层；5)在负电极上制备电子传输层；6)制备多晶态或单晶态钙钛矿吸收层；7)制备钝化层；8)制备减反射保护层。
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