CN112382727A - 一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该电池为正置电池结构或反置电池结构，所述正置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶电极层，所述反置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层；所述电池上开设若干个半镂空孔，所述半镂空孔至少贯穿正置电池结构的顶电极层、空穴传输层和钙钛矿层，或反置电池结构的顶电极层、电子传输层和钙钛矿层。本发明能够制备全光谱的半透明钙钛矿太阳能电池，且能简便高效制造。

Description

一种半透明镂空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技术领域，尤其涉及一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近十年来，钙钛矿太阳能电池效率从9.3％飞速上升到了25.5％，在光伏建筑一体化、模组器件、光伏汽车等应用领域展现了巨大的应用潜力。为满足这类需求，开发出了半透明或全透明的钙钛矿太阳能电池。
目前，实现半透明钙钛矿太阳能电池的技术方案主要有两种。一是减少钙钛矿前驱液的浓度，制备较薄的钙钛矿薄膜，从而获得半透明的效果。这种工艺的缺点是钙钛矿层变薄导致缺陷增多、针孔变多、薄膜的质量变差，进而影响钙钛矿电池的效率和稳定性。二是通过模板法或控制制备工艺制备钙钛矿微结构(如溶剂蒸发速率形成微“海岛”的钙钛矿)，通过控制钙钛矿薄膜的覆盖度，以达到半透明的效果。这种技术所需要的制备工艺难度大且复杂，不容易很好的重复实现。
此外，透明电极是半透明钙钛矿太阳能电池的另一个技术难点。目前的方法通常是蒸镀金属氧化物或印刷金属纳米线。但此工艺成本大，工艺复杂，很容易破坏钙钛矿薄膜。
采用上述技术制备的半透明电池存在共同缺点：均不能实现全光谱的透过，无法实现很好的透过率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池及其制备方法，它能够制备全光谱的半透明钙钛矿太阳能电池，且能简便高效制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，该电池为正置电池结构或反置电池结构，所述正置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶电极层，所述反置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层；所述电池上开设若干个半镂空孔，所述半镂空孔至少贯穿正置电池结构的顶电极层、空穴传输层和钙钛矿层，或反置电池结构的顶电极层、电子传输层和钙钛矿层。
按上述技术方案，所述半镂空孔的形状为圆形、矩形或三角形。
按上述技术方案，相邻两个半镂空孔的间距为100微米～700微米。
按上述技术方案，所述半镂空孔的直径或边长为10微米～500微米。
按上述技术方案，所述半镂空孔还贯穿正置电池结构的电子传输层，或反置电池结构的空穴传输层。
按上述技术方案，所述半镂空孔还贯穿正置电池结构或反置电池结构的底电极层。
按上述技术方案，所述半镂空孔采用激光烧蚀工艺成形。
按上述技术方案，所述激光烧蚀工艺通过超快激光器实现。
相应的，本发明还提供一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、制备钙钛矿太阳能电池器件：若为正置电池结构，则在透明玻璃层上依次制备底电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶电极层，若为反置电池结构，则在透明玻璃层上依次制备底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层；
S2、通过激光烧蚀工艺在钙钛矿太阳能电池器件的顶电极层上形成若干个半镂空孔，所述半镂空孔至少贯穿正置电池结构的顶电极层、空穴传输层和钙钛矿层，或反置电池结构的顶电极层电子传输层和钙钛矿层。
按上述技术方案，所述激光烧蚀工艺为飞秒激光烧蚀工艺或皮秒激光烧蚀工艺。
本发明产生的有益效果是：
第一方面，本发明提供一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，它不需要额外制备透明电极或透明钙钛矿层，而是直接在电池的功能层上开半镂空孔，该半镂空孔从上至下至少贯穿三个功能层，即可以在半镂空孔的空白区域实现可见光的全部透过。
第二方面，本发明提供一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的制备方法，它采用激光烧蚀工艺成形半镂空孔，因为激光将全部光辐射能量压缩在极短的时间和极小的区域内发射出去，因此在光斑区域内根据材料的阈值可以获得极高的加工精度，而且在极短的时间电子来不及把能量传递给原子，使得烧蚀周围材料受到的影响区域在纳米级，不会影响电池的正常工作。该简单易操作，减小了生产成本，可以实现太阳能电池的大面积制造和批量制造。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池第一实施例的结构示意图；
图2是一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池第二实施例的结构示意图；
图3是一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池第三实施例的结构示意图；
图4是半镂空孔为圆形的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图5是半镂空孔为矩形的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图6是半镂空孔为三角形的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图7是一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池制备方法实施例中步骤S2的示意图。
图中：1-透明玻璃层、2-底电极层、3-电子传输层、4-钙钛矿层、5-空穴传输层、6-顶电极层、7-半镂空孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，该电池为正置电池结构或反置电池结构，如图1所示，正置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层1、底电极层2、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5和顶电极层6，反置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层(即将图1中的电子传输层3和空穴传输层5互换位置)；电池上开设若干个半镂空孔7，半镂空孔7至少贯穿正置电池结构的顶电极层6、空穴传输层5和钙钛矿层4，或反置电池结构的顶电极层、电子传输层和钙钛矿层。
在本发明的优选实施例中，如图4-图6所示，半镂空孔的形状为圆形、矩形或三角形，也可以为其它形状，半镂空孔以均匀分布透光效果更佳。另外，半镂空孔还可以组成具有美学效果的图案，例如，水果形状、动物形状或者其它个性设计的图案，以满足美学要求。
在本发明的优选实施例中，如图4-图6所示，相邻两个半镂空孔的间距为100微米～700微米，半镂空孔的直径或边长为10微米～500微米。半镂空孔的总面积决定了整个电池的透光度或者电池的透明程度，电池的去除面积占比为10％-80％。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，半镂空孔还贯穿正置电池结构的电子传输层，或反置电池结构的空穴传输层，还可以如图3所示，继续贯穿正置电池结构或反置电池结构的底电极层。
在本发明的优选实施例中，如图7所示，半镂空孔采用激光烧蚀工艺成形，采用激光加工不会损坏电池，优选的，激光烧蚀工艺通过超快激光器实现，超快激光器的加工精度为纳米级，速度为1-10m/s。
一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、制备钙钛矿太阳能电池器件：若为正置电池结构，则在透明玻璃层上依次制备底电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶电极层，若为反置电池结构，则在透明玻璃层上依次制备底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层；
S2、如图7所示，通过激光烧蚀工艺在钙钛矿太阳能电池器件的顶电极层上形成若干个半镂空孔，半镂空孔至少贯穿正置电池结构的顶电极层、空穴传输层和钙钛矿层，或反置电池结构的顶电极层电子传输层和钙钛矿层。
在本发明的优选实施例中，激光烧蚀工艺为飞秒激光烧蚀工艺或皮秒激光烧蚀工艺。超快激光将全部光辐射能量压缩在极短的时间和极小的区域内发射出去，在加工的光斑照射区域，峰值功率高达几千个G瓦，瞬间巨大的能量可以把材料烧成等离子体；同时由于其脉宽很短，周围的电子-晶格来不及传递能量，导致它的热效应极低，即周围材料并不会因加工区域中的巨大能量受到影响而发生破坏；另外，它的精度可以达到几个纳米，速度高达10m/s。因此，采用超快激光加工具有精度高、能量密度大、热效应极低、速度快等优点。
本发明在具体应用时，可以采用飞秒激光器切割常规钛矿太阳能电池，通过切割不同的镂空图案(如矩形、圆形等)形成半镂空的结构，从而在空白区域实现可见光能的全部透过。实际运用时，还可以采用软件控制系统，可以辅助调节飞秒激光加工参数，如重频、功率、填充间距、扫描速度等探究不同功能层的加工参数，然后根据电池效率损失和透过率之间的关系，选择合适的器件加工参数。本发明采用激光烧蚀技术对钙钛矿太阳能电池进行刻蚀不同大小、间距的微型图案，如圆形，正方形，三角形等，在加工区域，半镂空孔贯穿的各个功能层全部被烧蚀，产生了空白区域，光从透明空白区域透过，由于光在小孔放大作用，使得整个图案产生了半透明的效果。
本发明通过飞秒激光烧蚀一定电池活性区域，在烧蚀的区域是空白的，可以实现在可见光区域全谱透过。由于小孔放大的作用，对外面的景象具有优异的放大作用，因此，钙钛矿电池呈现了半透明的效果。由于飞秒激光精细加工和极低的热效应，对电池其余部分并未造成影响，可以使电池保持很高的效率。与传统的半透明电池制造技术相比，本发明不需要制备透明电极和透明钙钛矿层，具有工艺简单、制造速度快、高效和高全谱透过等优势，在大面积制备半透明电池、产业化、串联组件、光伏建筑一体化等方面展现出了巨大的应用潜力。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，该电池为正置电池结构或反置电池结构，所述正置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶电极层，所述反置电池结构自下而上依次包括透明玻璃层、底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层；其特征在于，所述电池上开设若干个半镂空孔，所述半镂空孔至少贯穿正置电池结构的顶电极层、空穴传输层和钙钛矿层，或反置电池结构的顶电极层、电子传输层和钙钛矿层。
2.根据权利要求1所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述半镂空孔的形状为圆形、矩形或三角形。
3.根据权利要求1所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，相邻两个半镂空孔的间距为100微米～700微米。
4.根据权利要求1所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述半镂空孔的直径或边长为10微米～500微米。
5.根据权利要求1所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述半镂空孔还贯穿正置电池结构的电子传输层，或反置电池结构的空穴传输层。
6.根据权利要求5所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述半镂空孔还贯穿正置电池结构或反置电池结构的底电极层。
7.根据权利要求1所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述半镂空孔采用激光烧蚀工艺成形。
8.根据权利要求7所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述激光烧蚀工艺通过超快激光器实现。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的半透明镂空钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、制备钙钛矿太阳能电池器件：若为正置电池结构，则在透明玻璃层上依次制备底电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和顶电极层，若为反置电池结构，则在透明玻璃层上依次制备底电极层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和顶电极层；
S2、通过激光烧蚀工艺在钙钛矿太阳能电池器件的顶电极层上形成若干个半镂空孔，所述半镂空孔至少贯穿正置电池结构的顶电极层、空穴传输层和钙钛矿层，或反置电池结构的顶电极层电子传输层和钙钛矿层。
10.根据权利要求9所述的一种半透明镂空钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述激光烧蚀工艺为飞秒激光烧蚀工艺或皮秒激光烧蚀工艺。
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