CN112490368A - 一种优化电荷收集能力的电极、电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化电荷收集能力的电极、电池及制备方法，本发明在ITO玻璃基底上电池活性面积外围蒸镀一层U形超薄金薄膜，作为电子传输的高速通道，实现电子的快速传输，以缓解采取高温处理工艺制备钙钛矿太阳能电池中产生的ITO电极电荷传输能力下降和提高柔性PET/ITO基底电荷传输能力。

Description

一种优化电荷收集能力的电极、电池及制备方法
技术领域
本发明属于光电转化器件领域，涉及薄膜太阳能电池(钙钛矿太阳能电池，染料敏化太阳能电池等)的电极设计，具体涉及一种优化电荷收集能力的电极、电池及制备方法。
背景技术
透明导电薄膜是薄膜太阳能电池以及发光二极管等光电器件必不可少的结构单元，其中FTO以及ITO是两种最为常用的窗口透明导电功能层。在钙钛矿太阳能电池中，高效率的器件通常是采用FTO作为TCO，这是因为FTO可以承受更高的温度压力，可以与电子传输层(主要是TiO2电子传输层)高温退火(通常为450-500℃)相匹配。ITO是另一种更为常用的TCO薄膜透明电极，在相同电导率的条件下，相比于FTO，其具有更加光滑的表面形貌以及更高的光学透过率，因此采用ITO作为窗口电极具有一定的优势。但是，当沉积在刚性衬底上的ITO在使用过程中承受较高温度(TiO2退火在500℃；燃烧法制备NiOx退火在400℃)时，其膜层电阻急剧上升。此外，通常ITO制备的过程中需要保持基底温度在300-400℃，或者需要后退火处理的过程，这样能够获得较好的结晶度、晶体取向和组分。柔性基底的耐温性较差，通常获得的ITO薄膜为非晶薄膜，在组分和结晶度上的差异造成光学透过和电学传导性质上的损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化电荷收集能力的电极、电池及制备方法，以克服现有技术的问题，本发明采用ITO透明导电薄膜作为太阳能光电器件的窗口层，在ITO电池活性面积区域外围蒸镀一层超薄的U形金薄膜，构造电荷传输的高速通道，实现电荷快速传输。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种优化电荷收集能力的电极，包括透明电极基底以及设置在透明电极基底上的U形超薄金薄膜，所述透明电极基底采用ITO玻璃基底，所述U形超薄金薄膜的厚度为7nm。
一种优化电荷收集能力的电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、取ITO玻璃基底，依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理，氮气流吹干，然后使用紫外光清洁，即得透明电极基底；
步骤2、在透明电极基底上覆盖U形掩模板，采用热蒸发的方式蒸镀U形超薄金薄膜，即得到优化电荷收集能力的电极。
一种钙钛矿太阳能电池，包括从下至上依次设置的电极、第一电荷传输层、光活性层、第二电荷传输层以及金属背电极；所述电极包括透明电极基底以及设置在透明电极基底上的U形超薄金薄膜，所述透明电极基底采用ITO玻璃基底，所述U形超薄金薄膜的厚度为7nm。
一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、取ITO玻璃基底，依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理，氮气流吹干，然后使用紫外光清洁，即得透明电极基底；
步骤2、在透明电极基底上覆盖U形掩模板，采用热蒸发的方式蒸镀U形超薄金薄膜，即得到优化电荷收集能力的电极；
步骤3、在优化电荷收集能力的电极上制备第一电荷传输层；
步骤4、在第一电荷传输层上制备光活性层；
步骤5、在光活性层上制备第二电荷传输层；
步骤6、在第二电荷传输层上制备金属背电极。
进一步地，所述第一电荷传输层采用致密TiO2/介孔TiO2层，或NiOX层。
进一步地，当所述第一电荷传输层采用致密TiO2/介孔TiO2层时，首先在优化电荷收集能力的电极上采用喷涂热解的方式制备TiO2致密层，热板温度设置在500℃，然后采用旋涂稀释TiO2浆料的方式制备TiO2介孔层，热板500℃退火30min；当所述第一电荷传输层采用NiOX层时，在优化电荷收集能力的电极上采用旋涂NiOx墨汁的方式制备NiOX层，100℃热板退火1h。
进一步地，当所述第一电荷传输层采用致密TiO2/介孔TiO2层时，步骤5中采用旋涂方式在光活性层上制备Spiro-MeOTAD层作为第二电荷传输层；当所述第一电荷传输层采用NiOX层时，步骤5中采用蒸镀方式在光活性层上制备C60/BCP层作为第二电荷传输层。
进一步地，所述光活性层采用有机-无机杂化金属卤钙钛矿材料作为光吸收材料。
进一步地，步骤6中采用蒸镀的方式在第二电荷传输层上制备金属背电极。
进一步地，当所述第一电荷传输层采用致密TiO2/介孔TiO2层时，步骤3中TiO2致密层厚度为150nm，TiO2介孔层厚度为300nm，步骤4中光活性层厚度为500-600nm，步骤5中Spiro-OMeTAD层厚度为200nm；步骤6中金属背电极厚度为80-100nm；
当所述第一电荷传输层采用NiOX层时，步骤3中NiOx层厚度为35nm，步骤4中光活性层厚度为500-600nm，步骤5中C60厚度为45nm，BCP厚度为8nm，步骤6中金属背电极厚度为80-100nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在ITO玻璃基底上电池活性面积外围蒸镀一层U形超薄金薄膜，作为电子传输的高速通道，实现电子的快速传输，不增加U形超薄金薄膜时，电荷收集是通过ITO透明电极传输，此时电导率较低；当存在U形超薄金薄膜时，电荷传输会通过周围U形超薄金薄膜传输，此时的电导率得以急剧提升，从而提高了电极收集电荷的能力，以缓解采取高温处理工艺制备钙钛矿太阳能电池中产生的ITO电极电荷传输能力下降和提高柔性PET/ITO基底电荷传输能力。
本发明的电池解决了由于高温或者制备工艺引起的ITO电导率下降的问题，U形超薄金薄膜可以降低电池的串联电阻，提升电极收集电荷的能力。
附图说明
图1为钙钛矿太阳能电池结构示意图。
其中，101、透明电极基底；102、U形超薄金薄膜；103、第一电荷传输层；104、光活性层；105、第二电荷传输层；106、金属背电极。
具体实施方式
在描述本发明的实施方案时，为了清楚起见，使用了特定的术语。然而，本发明无意局限于所选择的特定术语。应了解每个特定元件包括类似的方法运行以实现类似目的的所有技术等同物。
本发明提供一种优化电荷收集能力的电极，包括透明电极基底101以及设置在透明电极基底101上的U形超薄金薄膜102，所述透明电极基底101采用ITO玻璃基底，所述U形超薄金薄膜102的厚度为7nm。
制备步骤如下：
步骤1、取ITO玻璃基底，(采用沉积在透明的PET树脂薄膜上的ITO透明电极为器件的基底)，面积不限(本例为2×2cm2)，此类产品有规模化量产的商品化产品可以直接使用。使用前，应将电极表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，氮气流吹干，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟，即得透明电极基底101；
步骤2、在透明电极基底101上覆盖U形掩模板，采用热蒸发的方式蒸镀7nm的U形超薄金薄膜102，即得到优化电荷收集能力的电极。
本发明还提供如图1钙钛矿太阳能电池结构示意图，其结构由以下部分组成：
1、透明电极基底101：ITO玻璃基底(采用沉积在透明的PET树脂薄膜上的ITO透明电极为器件的基底)，面积不限(本例为2×2cm2)，此类产品有规模化量产的商品化产品可以直接使用。使用前，应将电极表面依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理15分钟，氮气流吹干，然后使用紫外光清洗机清洁10分钟。
2、U形超薄金薄膜102：在ITO基底上覆盖U形掩模板，采用热蒸发的方式蒸镀7nm左右金超薄金薄膜。
3、第一电荷传输层103：采用喷涂热解的方式制备TiO2致密层，热板温度设置在500℃，介孔TiO2采用旋涂稀释TiO2浆料(Dyesol,18-NRT)，500℃退火30min；TiO2致密层和TiO2介孔层(TiO2致密层厚度为150nm，TiO2介孔层厚度为300nm)共同组成第一电荷传输层103(柔性器件采用旋涂NiOx墨汁，并100℃热板退火1h，作为第一电荷传输层103，厚度为35nm)。
注：购买的TiO2浆料(Dyesol 30-NRT)为粘稠的膏状物质，需要使用异丙醇进行稀释，比例为TiO2浆料：异丙醇＝1:7(质量比)，然后超声或搅拌至分散均匀，形成稀释TiO2浆料方可使用。
4、光活性层104：采用有机-无机杂化金属卤钙钛矿材料作为光吸收材料，光活性层104(厚度为80-100nm)的组分这里不做限制，制备方式也没有局限。
5、第二电荷传输层105：采用旋涂方式制备200nm掺杂Spiro-MeOTAD(柔性器件采用蒸镀方式制备C60/BCP，C60厚度为45nm，BCP厚度为8nm)作为第二电荷传输层105。
6、金属背电极106：采用蒸镀的方式制备80-100nm金作为金属背电极106。

Claims (10)

1.一种优化电荷收集能力的电极，其特征在于，包括透明电极基底(101)以及设置在透明电极基底(101)上的U形超薄金薄膜(102)，所述透明电极基底(101)采用ITO玻璃基底，所述U形超薄金薄膜(102)的厚度为7nm。
2.权利要求1所述的一种优化电荷收集能力的电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、取ITO玻璃基底，依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理，氮气流吹干，然后使用紫外光清洁，即得透明电极基底(101)；
步骤2、在透明电极基底(101)上覆盖U形掩模板，采用热蒸发的方式蒸镀U形超薄金薄膜(102)，即得到优化电荷收集能力的电极。
3.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括从下至上依次设置的电极、第一电荷传输层(103)、光活性层(104)、第二电荷传输层(105)以及金属背电极(106)；所述电极包括透明电极基底(101)以及设置在透明电极基底(101)上的U形超薄金薄膜(102)，所述透明电极基底(101)采用ITO玻璃基底，所述U形超薄金薄膜(102)的厚度为7nm。
4.权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、取ITO玻璃基底，依次分别使用去离子水、丙酮、异丙醇超声处理，氮气流吹干，然后使用紫外光清洁，即得透明电极基底(101)；
步骤2、在透明电极基底(101)上覆盖U形掩模板，采用热蒸发的方式蒸镀U形超薄金薄膜(102)，即得到优化电荷收集能力的电极；
步骤3、在优化电荷收集能力的电极上制备第一电荷传输层(103)；
步骤4、在第一电荷传输层(103)上制备光活性层(104)；
步骤5、在光活性层(104)上制备第二电荷传输层(105)；
步骤6、在第二电荷传输层(105)上制备金属背电极(106)。
5.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一电荷传输层(103)采用致密TiO2/介孔TiO2层，或NiOX层。
6.根据权利要求5所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，当所述第一电荷传输层(103)采用致密TiO2/介孔TiO2层时，首先在优化电荷收集能力的电极上采用喷涂热解的方式制备TiO2致密层，热板温度设置在500℃，然后采用旋涂稀释TiO2浆料的方式制备TiO2介孔层，热板500℃退火30min；当所述第一电荷传输层(103)采用NiOX层时，在优化电荷收集能力的电极上采用旋涂NiOx墨汁的方式制备NiOX层，100℃热板退火1h。
7.根据权利要求6所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，当所述第一电荷传输层(103)采用致密TiO2/介孔TiO2层时，步骤5中采用旋涂方式在光活性层(104)上制备Spiro-MeOTAD层作为第二电荷传输层(105)；当所述第一电荷传输层(103)采用NiOX层时，步骤5中采用蒸镀方式在光活性层(104)上制备C60/BCP层作为第二电荷传输层(105)。
8.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述光活性层(104)采用有机-无机杂化金属卤钙钛矿材料作为光吸收材料。
9.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤6中采用蒸镀的方式在第二电荷传输层(105)上制备金属背电极(106)。
10.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，当所述第一电荷传输层(103)采用致密TiO2/介孔TiO2层时，步骤3中TiO2致密层厚度为150nm，TiO2介孔层厚度为300nm，步骤4中光活性层(104)厚度为500-600nm，步骤5中Spiro-OMeTAD层厚度为200nm；步骤6中金属背电极(106)厚度为80-100nm；
当所述第一电荷传输层(103)采用NiOX层时，步骤3中NiOx层厚度为35nm，步骤4中光活性层(104)厚度为500-600nm，步骤5中C60厚度为45nm，BCP厚度为8nm，步骤6中金属背电极(106)厚度为80-100nm。
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WO2023048117A1 (ja) * 2021-09-22 2023-03-30 株式会社カネカ 太陽電池

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