CN112909177A - 串联式钙钛矿电池及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了串联式钙钛矿电池及其制备方法和应用。该串联式钙钛矿电池包括：衬底、导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，导电层有多个间隔分布的子导电层，相邻两个子导电层的至少之一上形成有导电凸起；导电层上方未形成导电凸起的区域逐层布置有电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层，金属电极形成在空穴传输层/电子传输层和导电凸起上，位于形成有导电凸起的子导电层上方的钙钛矿吸收层及其上部的空穴传输层/电子传输层和金属电极整体被切割为电流不流通的两部分，多个电流不流通的部分通过形成有导电凸起的子导电层构成串联结构。该电池具有电池结构稳定、内阻小、光电转换效率高和电化学性能好等的优点。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿电池领域，具体而言，涉及串联式钙钛矿电池及其制备方法和应用。
背景技术
现有钙钛矿组件主要是通过激光三次划线来实现组件中各子电池的串联，参考附图1和附图2所示，第一道划线是划断TCO层，称为P1；第二道划线是划断钙钛矿及HTL层，称为P2，使得制作金属电极时，可以通过第二道划线使金属电极直接与TCO层接触；第三道划线是划断技术金属电极层或划断整个金属电极、HTL、钙钛矿及ETL层，称为P3，使左右连续的两块子电池断开。然而，该方法存在有电池组件内阻大、严重影响组件的效率，以及金属电极会直接与钙钛矿中的卤素离子反应从而影响电池性能等的问题。为此，现有钙钛矿电池组件仍有待进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出串联式钙钛矿电池及其制备方法和应用。
本申请主要是基于以下问题提出的：
1、常规的钙钛矿组件用激光切割P1、P2、P3方式实现组件中各子电池的串联，以PIN型电池为例，传统的PIN型电池的ETL层主要为SnO2，其FTO的主要成分同样为SnO2，两者的成分基本相同，再结合激光划刻的原理为吸收光线能量完成刻蚀，所以在激光划刻P2的过程中，很难将FTO表面的ETL(SnO2)层划断，这样就会导致金属电极并非直接与FTO接触，而是与SnO2接触，大大增加了接触电阻，严重影响组件的效率；2、激光划线P2贯穿了HTL、钙钛矿层，若ETL为SnO2，则很难清除，P2完成切割后，将进行电极的沉积，金属电极将布满整个P2的切割区域，也就意味着金属电极在P2的截面处直接与钙钛矿接触，这将会导致金属直接与钙钛矿中的碘离子反应，形成碘的金属化合物，导致钙钛矿降解和电池性能衰减。3、FTO的表面并不能保证完全的平整，表面不可避免的会存在凸起或其他缺陷，若表面存在尖锐的凸点，那么采用涂布的方式，液膜在固化之前，凸点位置的液膜在自身重力的作用下将会向下移动，导致液膜固化后凸点位置出现空洞，形成严重的缺陷。
为此，根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种串联式钙钛矿电池。根据本发明的实施例，该电池包括：衬底、导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，其中：
所述导电层形成在所述衬底上，所述导电层包括多个间隔分布的子导电层，相邻两个所述子导电层的至少之一上形成有所述导电凸起；
所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层沿所述导电层的厚度方向逐层布置在所述导电层上方未形成所述导电凸起的区域，且所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层的总厚度与所述导电凸起的高度一致，所述电子传输层位于所述钙钛矿吸收层靠近或远离所述导电层的一侧；
所述金属电极形成在所述空穴传输层/电子传输层和所述导电凸起上，位于形成有所述导电凸起的子导电层上方且由上到下布置的所述金属电极、所述空穴传输层/电子传输层和所述钙钛矿吸收层整体被切割为电流不流通的两部分，多个电流不流通的部分通过形成有所述导电凸起的子导电层构成串联结构。
进一步地，位于形成有所述导电凸起的子导电层上方且由上到下布置的所述金属电极、所述空穴传输层/电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述电子传输层/所述空穴传输层整体被切割为电流不流通的两部分，多个电流不流通的部分通过形成有所述导电凸起的子导电层构成串联结构。
进一步地，所述导电层的厚度为500～600nm，所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层的总厚度为500～600nm；
进一步地，所述导电层为TCO层；
进一步地，所述导电凸起的材质与所述导电层材质相同或不同；
进一步地，所述衬底为钢化玻璃；
进一步地，所述钙钛矿吸收层为有机-无机金属卤化物层。
相对于现有技术，本发明所述的串联式钙钛矿电池至少具有以下优势：1、该钙钛矿电池通过导电凸起实现相邻两个子电池导电层和金属电极的串联，与现有金属电极部分填充于空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层之间与导电层接触的方式相比，不仅从根本上杜绝了钙钛矿与金属电极的反应，显著提升了钙钛矿电池的稳定性和电化学性能，还能避免金属电极与导电层接触时因电子传输层切割不完全而导致电阻增加的问题；2、与现有通过三次激光划线实现组件中各子电池串联的方式相比，该串联式钙钛矿电池在制备过程中仅需要通过两次激光划线即可实现组件内部子电池之间的串联；3、鉴于导电凸起与电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度一致，因此在制备过程中可以在具有一定深度的凹槽内沉积钙钛矿电池，例如可以采用注液的方式，由此可以保证膜层的均一性和提高膜层质量；4、该串联式钙钛矿电池可以为正式结构或反式结构，具有电池结构稳定、内阻小、光电转换效率高和电化学性能好等的优点。
基于同样的发明构思，根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备串联式钙钛矿电池的方法，以进一步提高串联式钙钛矿电池的质量和综合性能。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)在衬底上形成具有多个间隔分布的导电凸起的导电层，相邻两个所述导电凸起之间形成有凹形区域；
(2)对位于所述凹形区域内的所述导电层进行切割，以便得到多个间隔分布且具有所述导电凸起的子导电层；
(3)在所述凹形区域逐层沉积电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层，或逐层沉积空穴传输层、钙钛矿吸收层和电子传输层，使电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度与所述导电凸起的高度相同；
(4)制备金属电极并使所述金属电极与所述空穴传输层/电子传输层和所述导电凸起接触；
(5)将位于所述子导电层上方且由上到下布置的所述金属电极、所述空穴传输层/电子传输层和所述钙钛矿吸收层切割为电流不流通的两部分，使多个电流不流通的部分通过具有所述导电凸起的子导电层构成串联结构；
(6)对步骤(5)得到的电池结构进行裁切，以便得到串联式钙钛矿电池。
进一步地，步骤(1)采用以下方式实现：在所述衬底上形成第一导电层，对所述第一导电层进行刻蚀，以便形成多个间隔分布的导电凸起和位于相邻两个所述导电凸起之间的凹形区域，其中，所述刻蚀的深度为所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度。
进一步地，所述第一导电层的厚度为1000～1200nm，所述刻蚀深度为500～600nm。
进一步地，步骤(1)采用以下方式实现：在所述衬底上形成第二导电层，在所述第二导电层上的预定区域设置掩膜版，利用第二导电层材料在所述掩膜版未覆盖的区域形成多个间隔分布的导电凸起，相邻两个所述导电凸起之间形成凹形区域，其中，所述导电凸起的高度为所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度。
进一步地，所述第二导电层的厚度为500～600nm，所述导电凸起的高度为500～600nm。
进一步地，步骤(3)中，以注液或涂布的方式来形成所述钙钛矿吸收层和/或所述电子传输层，优选采用注液的方式。
进一步地，以蒸镀法形成所述空穴传输层，形成所述空穴传输层时利用掩膜版对所述导电凸起进行遮挡。
进一步地，所述导电层采用溅射法得到。
进一步地，所述切割采用激光切割。
进一步地，所述导电层为TCO层。
进一步地，所述导电凸起的材质与所述导电层材质相同或不同。
进一步地，所述衬底为钢化玻璃。
进一步地，所述钙钛矿吸收层为有机-无机金属卤化物层。
相对于现有技术，本发明所述的制备串联式钙钛矿电池的方法至少具有以下优势：1、利用导电凸起实现相邻两个子电池导电层和金属电极的串联，与现有金属电极部分填充于空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层之间与导电层接触的方式相比，不仅能从根本上杜绝钙钛矿与金属电极的反应，从而显著提升钙钛矿电池的稳定性和电化学性能，还能避免金属电极与导电层接触时因电子传输层切割不完全而导致电阻增加的问题；2、与现有通过三次激光划线实现组件中各子电池串联的方式相比，该方法仅需要通过两次激光划线即可实现组件内部子电池之间的串联；3、该方法可以在具有一定深度的凹槽内沉积钙钛矿电池，例如可以采用注液的方式，由此可以缓解因导电层表面不平整而导致的钙钛矿膜层表面针孔等缺陷的问题，使钙钛矿膜层具有更好的均一性和平整性，提高膜层质量；4、该方法可以适用于正式结构或反式结构钙钛矿电池的制备，并使得制备得到的电池结构稳定、内阻小、光电转换效率高和电化学性能好等的优点。
本发明的另一个目的在于提出一种钙钛矿电池组件，以提高钙钛矿电池组件的效率和质量。为达到上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种钙钛矿电池组件。根据本发明的实施例，该钙钛矿电池组件包括上述串联式钙钛矿电池和/或采用上述制备方法得到的串联式钙钛矿电池。相对于现有技术，该钙钛矿电池组件不仅结构稳定，而且内阻小、光电转换效率高、电化学性能稳定，且使用寿命更长。
本发明的另一个目的在于提出一种发电设备，以提高发电设备的电化学性能及使用寿命。为达到上述目的，根据本发明的第四个方面，本发明提出了一种发电设备。根据本发明的实施例，该发电设备包括上述钙钛矿电池组件。相对于现有技术，该发电设备的使用寿命更长，且电化学性能更稳定。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有一种串联式钙钛矿电池切割位置的示意图。
图2是现有再一种串联式钙钛矿电池切割位置的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的串联式钙钛矿电池的结构示意图。
图4是根据本发明再一个实施例的串联式钙钛矿电池的结构示意图。
图5是根据本发明一个实施例的以注液的方式形成电子传输层或钙钛矿吸收层的示意图。
图6是根据本发明一个实施例的在衬底上形成导电层的示意图。
图7是根据本发明一个实施例的在导电层上形成导电凸起的示意图。
图8是根据本发明再一个实施例的在衬底上形成导电层的示意图。
图9是根据本发明一个实施例的在多个P1位置处对导电层进行激光切割形成多个子导电层的示意图。
图10是根据本发明一个实施例的在导电凸起之间形成电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层以及在导电凸起上方形成金属电极的结构示意图。
图11是根据本发明一个实施例的在多个P3位置处对金属电极、空穴传输层、钙钛矿吸收层和电子传输层进行激光切割的示意图。
图12是采用涂布方式在具有表面凸起缺陷的导电层上形成ETL和/或钙钛矿吸收层时的效果示意图。
图13是根据本发明一个实施例的采用涂布或注液的方式在具有表面凸起缺陷的导电层上形成ETL和/或钙钛矿吸收层时的效果示意图。
图14是根据本发明一个实施例的制备串联式钙钛矿电池的方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种串联式钙钛矿电池。根据本发明的实施例，如图3所示，该电池包括：衬底10、导电层20、电子传输层ETL、钙钛矿吸收层30、空穴传输层HTL和金属电极40，其中：导电层20形成在衬底10上，导电层20包括多个间隔分布的子导电层21，相邻两个子导电层21的至少之一上形成有导电凸起22；电子传输层ETL、钙钛矿吸收层30和空穴传输层HTL沿导电层20的厚度方向逐层布置在导电层20上方未形成导电凸起22的区域，且电子传输层ETL、钙钛矿吸收层30和空穴传输层HTL的总厚度与导电凸起22的高度一致，电子传输层ETL位于钙钛矿吸收层30靠近或远离导电层20的一侧；金属电极40形成在空穴传输层HTL/电子传输层ETL和导电凸起22上，位于形成有导电凸起22的子导电层21上方且由上到下布置的金属电极40、空穴传输层HTL/电子传输层ETL和钙钛矿吸收层30整体被切割为电流不流通的两部分，多个电流不流通的部分通过形成有导电凸起22的子导电层21构成串联结构。该串联式钙钛矿电池通过导电凸起实现相邻两个子电池导电层和金属电极的串联，不存在钙钛矿与金属电极的反应问题和金属电极与导电层接触时因电子传输层切割不完全而导致电阻增加的问题，具有电池结构稳定、内阻小、光电转换效率高和电化学性能好等的优点。
需要说明是，形成在导电层20上的ETL或HTL不仅包括位于导电层20上方未形成导电凸起22的部分，还包括间隔分布的两个子导电层21之间的间隔部分。另外，还需要说明的是，本发明中导电层、衬底和钙钛矿吸收层的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。例如，衬底可以为钢化玻璃，导电层可以为透明导电氧化物(TCO)层等，钙钛矿吸收层为有机-无机金属卤化物层(PVSK)等。下面参考图3～5对本发明上述实施例的串联式钙钛矿电池进行详细描述。
根据本发明的一些具体实施例，如图4所示，位于形成有导电凸起22的子导电层21上方且由上到下布置的金属电极40、空穴传输层HTL/电子传输层ETL、钙钛矿吸收层30和电子传输层ETL/空穴传输层HTL可以整体被切割为电流不流通的两部分，采用该种方式也可以实现多个电流不流通的部分通过形成有导电凸起的子导电层构成串联结构。
根据本发明的再一些具体实施例，本发明中导电凸起的材质与导电层材质可以相同，也可以不同，只要导电凸起的材料本身导电性能较好且不与钙钛矿层材料发生反应即可，优选地，导电凸起的材质可以与导电层材质相同或导电性优于导电层，由此可以进一步避免因导电凸起材质引起的电池内阻增加的问题。更优选地，导电凸起可以与导电层一体成型。
根据本发明的又一些具体实施例，本发明中导电凸起22的形成方式并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以通过遮挡掩模板溅射的方式实现，也可以通过先溅射后刻蚀的方式实现；优选地，钙钛矿吸收层30可以在相邻两个导电凸起22形成的凹形区域内沉积电子传输层和/或钙钛矿吸收层，优选采用注液生长，由此可以在一定的程度上缓解因导电层表面不平整而导致的表面针孔缺陷等问题，提高薄膜的质量。
根据本发明的又一些具体实施例，本发明中导电层20的厚度以及电子传输层HTL、钙钛矿吸收层30和空穴传输层HTL的总厚度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要满足电子传输层HTL、钙钛矿吸收层30和空穴传输层HTL的总厚度与导电凸起22的高度相同即可，例如，导电层的厚度可以为500～600nm，电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度可以为500～600nm。需要说明的是，电子传输层HTL、钙钛矿吸收层30和空穴传输层HTL的总厚度指的是位于导电层20上方的部分的厚度，即满足导电层、电子传输层HTL、钙钛矿吸收层30和空穴传输层HTL的总厚度与导电层20和导电凸起22的总高度相同。
根据本发明的又一些具体实施例，本发明中串联式钙钛矿电池的结构并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如该串联式钙钛矿电池可以为正式结构(例如逐层布置的TCO/ETL/PVSK/HTL/金属电极)，也可以为反式结构(例如逐层布置的TCO/HTL/PVSK/ETL/金属电极)。
根据本发明的实施例，参考图1和图2，相对于传统组件通过激光切割P2，即将钙钛矿和ETL、HTL切断，然后蒸镀电极，在P2的切割截面处金属电极就会直接与钙钛矿接触并发生反应，导致钙钛矿组件快速降解，本发明是通过导电凸起来替代P2的划刻，从根本上杜绝此降解机理的通道，提升了钙钛矿组件的稳定性，优选导电凸起的材质与导电层一致。再者，传统的正式结构钙钛矿电池ETL层多为SnO2，与TCO导电层的主要成分相同，在切割P2时很难做到切断SnO2而不切断TCO导电层，所以为了保证TCO导电层不被切断，ETL层的SnO2也无法清除，这将导致金属电极先接触SnO2，通过SnO2与TCO导电层相连接，导致组件串联电阻较大，本发明中当导电凸起的材质与TCO导电层一致时，导电凸起上不会有SnO2的残留，蒸镀电极时可以使凸起的TCO直接与蒸镀的电极接触，解决由于SnO2导致电阻增加的问题，可以有效提升组件的效率；此外，当导电凸起与TCO导电层材质不同但导电性更好时，也不会导致电池内阻增加。进一步地，由于导电层的表面并不能保证完全的平整，表面不可避免的会存在凸起或其他缺陷，如图12所示，若表面存在尖锐的凸点，那么采用涂布的方式，液膜在固化之前，凸点位置的液膜在自身重力的作用下将会向下移动，导致液膜固化后凸点位置出现空洞，形成严重的缺陷，而参考图5(钢化玻璃衬底和TCO导电层)，制备本发明中上述结构的钙钛矿电池时，可以在相邻两个导电凸起形成的凹形区域内注液生长钙钛矿吸收层和/或电子传输层，在一定的程度上缓解由于导电层表面的不平整导致的表面针孔确定等问题，提高薄膜的质量。
综上所述，相对于现有技术，本发明的串联式钙钛矿电池至少具有以下优势：1、该钙钛矿电池通过导电凸起实现相邻两个子电池导电层和金属电极的串联，与现有金属电极部分填充于空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层之间与导电层接触的方式相比，不仅从根本上杜绝了钙钛矿与金属电极的反应，显著提升了钙钛矿电池的稳定性和电化学性能，还能避免金属电极与导电层接触时因电子传输层切割不完全而导致电阻增加的问题；2、与现有通过三次激光划线实现组件中各子电池串联的方式相比，该串联式钙钛矿电池在制备过程中仅需要通过两次激光划线即可实现组件内部子电池之间的串联；3、鉴于导电凸起与电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度一致，因此在制备过程中可以在具有一定深度的凹槽内沉积钙钛矿电池，例如可以采用注液的方式，由此可以保证膜层的均一性和提高膜层质量；4、该串联式钙钛矿电池可以为正式结构或反式结构，具有电池结构稳定、内阻小、光电转换效率高和电化学性能好等的优点。
基于同样的发明构思，根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备串联式钙钛矿电池的方法，以进一步提高串联式钙钛矿电池的质量和综合性能。参考图6～14，根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)如图7所示，在衬底上形成具有多个间隔分布的导电凸起的导电层，相邻两个导电凸起之间形成有凹形区域。其中，制备导电层的方式可以是溅射法或其他方式。根据本发明的实施例，以正式结构的钙钛矿电池且衬底为钢化玻璃、导电层和导电凸起的材质均为TCO为例：
根据本发明的一个具体实施例，参考图6和图7，步骤(1)可以采用以下方式实现：在衬底上形成第一导电层23，对第一导电层23进行刻蚀，以便形成多个间隔分布的导电凸起和位于相邻两个导电凸起之间的凹形区域，其中，刻蚀的深度可以为电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度。例如，第一导电层的厚度可以为1000～1200nm，刻蚀深度可以为500～600nm。具体地，可以在钢化玻璃上溅射一层TCO，以FTO为例，溅射总厚度为1000～1200nm，在TCO上进行刻蚀，刻蚀出沉积钙钛矿的区域，刻蚀的区域大小与组件的设计相关，刻蚀的深度为于ETL、钙钛矿、HTL三层的厚度之和(一般为500～600nm)。刻蚀的方式可以选择镍板的方式。
根据本发明的再一个具体实施例，参考图7和图8，步骤(1)可以采用以下方式实现：在衬底上形成第二导电层24，在第二导电层24上的预定区域设置掩膜版，利用第二导电层材料在掩膜版未覆盖的区域形成多个间隔分布的导电凸起，相邻两个导电凸起之间形成凹形区域，其中，导电凸起的高度为电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度。例如，第二导电层的厚度可以为500～600nm，导电凸起的高度可以为500～600nm。具体地，可以在钢化玻璃上溅射一层TCO，以FTO为例，溅射总厚度为500～600nm，根据组件的激光划线设计，设计掩膜版，在TCO导电层上进行制备TCO导电凸起，替代常规的P2切割区域，导电凸起的溅射高度为ETL、钙钛矿、HTL三层的厚度之和(一般为500～600nm)。
需要说明的是，本发明中第一导电层和第二导电层的厚度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只需要满足形成的导电凸起的高度与后续形成在导电层上方的电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度一致即可。
根据本发明的一些具体实施例，导电凸起的材质与导电层材质可以相同，也可以不同，只要导电凸起的材料本身导电性能较好且不与钙钛矿层材料发生反应即可，优选地，导电凸起的材质可以与导电层材质相同或导电性优于导电层，由此可以进一步避免因导电凸起材质引起的电池内阻增加的问题。更优选地，导电凸起可以与导电层一体成型。
(2)对位于凹形区域内的导电层进行切割，以便得到多个间隔分布且具有导电凸起的子导电层。其中，每个子导电层上分别独立地具有一个导电凸起，根据本发明的实施例，如图9所示，可以在P1位置进行激光划线切割，如在预留的柱形导电凸起左侧切割P1，需要说明的是，图9所示的结构只是选取了形成钙钛矿电池时的中间局部结构，并不代表串联电池两端的结构。
(3)在凹形区域逐层沉积电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层，或逐层沉积空穴传输层、钙钛矿吸收层和电子传输层，使电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度与导电凸起的高度相同；
(4)制备金属电极并使金属电极与空穴传输层/电子传输层和导电凸起接触。根据本发明的实施例，本发明中衬底、导电层和钙钛矿吸收层的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，导电层可以为TCO层、衬底可以为钢化玻璃、钙钛矿吸收层为有机-无机金属卤化物层(PVSK)。
根据本发明的一些具体实施例，参考图10所示，以正式结构的钙钛矿电池为例，可以在凹形区域逐层沉积ETL、钙钛矿、HTL层，根据设计要求沉积HTL后的厚度应与预留柱形导电凸起的高度相同，最后在制作一层金属电极。其中，可以以注液或涂布的方式来形成钙钛矿吸收层和/或电子传输层，优选采用注液的方式，如图12所示，当导电层的表面不平整时，相继沉积的ETL/钙钛矿表面不可避免的会存在凸起或其他缺陷，若表面存在尖锐的凸点，那么采用涂布的方式，液膜在固化之前，凸点位置的液膜在自身重力的作用下将会向下移动，导致液膜固化后凸点位置出现空洞，形成严重的缺陷，而如图13所示，当采用本发明中注液的方式来形成电子传输层ETL时，ETL层主要在刻蚀好的各凹形区域内生产，即使在涂布或注液的过程中不慎将溶液涂在预留导电凸起的顶部，溶液仍会在自重的作用下流至凹形区域内，因此在柱形导电凸起的顶部不会生长ETL层，直接避免了金属电极与导电层(如TCO)接触中间有ETL夹层的问题，由此可以有效降低组件的串联电阻，进一步提升组件效率。
根据本发明的一些具体实施例，可以采用蒸镀法形成空穴传输层HTL，形成空穴传输层时利用掩膜版对导电凸起进行遮挡来避免导电凸起上形成HTL层，例如在HTL的蒸镀过程中采用特殊设计的MASK对TCO的区域进行遮挡，从而避免在金属电极与导电层(如TCO)接触中间形成ETL夹层。
(5)将位于子导电层上方且由上到下布置的金属电极、空穴传输层/电子传输层和钙钛矿吸收层切割为电流不流通的两部分，使多个电流不流通的部分通过具有导电凸起的子导电层构成串联结构；对得到的电池结构进行裁切，以便得到串联式钙钛矿电池。根据本发明的实施例，如图11所示，可以在P3位置对电极、HTL层、钙钛矿吸收层(如PVSK层)、ETL层进行激光切割，也可以如图3所示，在P3位置仅对电极、HTL层、钙钛矿吸收层(如PVSK层)进行激光切割，形成多个相互串联的子电池结构。P3位置切割完成后，可以根据串联式钙钛矿电池的整体结构对位于电池端部位置的子电池进行裁切，完成电池组件的制作。
综上所述，相对于现有技术，本发明的制备串联式钙钛矿电池的方法至少具有以下优势：1、利用导电凸起实现相邻两个子电池导电层和金属电极的串联，与现有金属电极部分填充于空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层之间与导电层接触的方式相比，不仅能从根本上杜绝钙钛矿与金属电极的反应，从而显著提升钙钛矿电池的稳定性和电化学性能，还能避免金属电极与导电层接触时因电子传输层切割不完全而导致电阻增加的问题；2、与现有通过三次激光划线实现组件中各子电池串联的方式相比，该方法仅需要通过两次激光划线即可实现组件内部子电池之间的串联；3、该方法可以在具有一定深度的凹槽内沉积钙钛矿电池，例如可以采用注液的方式，由此可以缓解因导电层表面不平整而导致的钙钛矿膜层表面针孔等缺陷的问题，使钙钛矿膜层具有更好的均一性和平整性，提高膜层质量；4、该方法可以适用于正式结构或反式结构钙钛矿电池的制备，并使得制备得到的电池结构稳定、内阻小、光电转换效率高和电化学性能好等的优点。需要说明的是，针对本发明上述实施例所述的串联式钙钛矿电池所描述的特征及效果用于适用于该制备串联式钙钛矿电池的方法，此处不再一一赘述。
根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种钙钛矿电池组件。根据本发明的实施例，该钙钛矿电池组件包括上述串联式钙钛矿电池和/或采用上述制备方法得到的串联式钙钛矿电池。相对于现有技术，该钙钛矿电池组件不仅结构稳定，而且内阻小、光电转换效率高、电化学性能稳定，且使用寿命更长。需要说明的是，针对本发明上述实施例所述的串联式钙钛矿电池和制备串联式钙钛矿电池的方法所描述的特征及效果用于适用于该钙钛矿电池组件，此处不再一一赘述。
根据本发明的第四个方面，本发明提出了一种发电设备。根据本发明的实施例，该发电设备包括上述钙钛矿电池组件。相对于现有技术，该发电设备的使用寿命更长，且电化学性能更稳定。需要说明的是，针对本发明上述实施例所述钙钛矿电池组件所描述的特征及效果用于适用于该发电设备，此处不再一一赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种串联式钙钛矿电池，其特征在于，包括：衬底、导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极，其中：
所述导电层形成在所述衬底上，所述导电层包括多个间隔分布的子导电层，相邻两个所述子导电层的至少之一上形成有所述导电凸起；
所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层沿所述导电层的厚度方向逐层布置在所述导电层上方未形成所述导电凸起的区域，且所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层的总厚度与所述导电凸起的高度一致，所述电子传输层位于所述钙钛矿吸收层靠近或远离所述导电层的一侧；
所述金属电极形成在所述空穴传输层/电子传输层和所述导电凸起上，位于形成有所述导电凸起的子导电层上方且由上到下布置的所述金属电极、所述空穴传输层/电子传输层和所述钙钛矿吸收层整体被切割为电流不流通的两部分，多个电流不流通的部分通过形成有所述导电凸起的子导电层构成串联结构。
2.根据权利要求1所述的串联式钙钛矿电池，其特征在于，位于形成有所述导电凸起的子导电层上方且由上到下布置的所述金属电极、所述空穴传输层/电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述电子传输层/所述空穴传输层整体被切割为电流不流通的两部分，多个电流不流通的部分通过形成有所述导电凸起的子导电层构成串联结构。
3.根据权利要求1所述的串联式钙钛矿电池，其特征在于，至少满足以下条件之一：所述导电层的厚度为500～600nm，所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层的总厚度为500～600nm；所述导电层为TCO层；所述导电凸起的材质与所述导电层材质相同或不同；所述衬底为钢化玻璃；所述钙钛矿吸收层为有机-无机金属卤化物层。
4.一种制备串联式钙钛矿电池的方法，其特征在于，包括：
(1)在衬底上形成具有多个间隔分布的导电凸起的导电层，相邻两个所述导电凸起之间形成有凹形区域；
(2)对位于所述凹形区域内的所述导电层进行切割，以便得到多个间隔分布且具有所述导电凸起的子导电层；
(3)在所述凹形区域逐层沉积电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层，或逐层沉积空穴传输层、钙钛矿吸收层和电子传输层，使电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度与所述导电凸起的高度相同；
(4)制备金属电极并使所述金属电极与所述空穴传输层/电子传输层和所述导电凸起接触；
(5)将位于所述子导电层上方且由上到下布置的所述金属电极、所述空穴传输层/电子传输层和所述钙钛矿吸收层切割为电流不流通的两部分，使多个电流不流通的部分通过具有所述导电凸起的子导电层构成串联结构；
(6)对步骤(5)得到的电池结构进行裁切，以便得到串联式钙钛矿电池。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)采用以下方式实现：
在所述衬底上形成第一导电层，对所述第一导电层进行刻蚀，以便形成多个间隔分布的导电凸起和位于相邻两个所述导电凸起之间的凹形区域，其中，所述刻蚀的深度为所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度，
任选地，所述第一导电层的厚度为1000～1200nm，所述刻蚀深度为500～600nm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)采用以下方式实现：
在所述衬底上形成第二导电层，在所述第二导电层上的预定区域设置掩膜版，利用第二导电层材料在所述掩膜版未覆盖的区域形成多个间隔分布的导电凸起，相邻两个所述导电凸起之间形成凹形区域，其中，所述导电凸起的高度为所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和空穴传输层的总厚度，
任选地，所述第二导电层的厚度为500～600nm，所述导电凸起的高度为500～600nm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少满足以下条件之一：
步骤(3)中，以注液或涂布的方式来形成所述钙钛矿吸收层和/或所述电子传输层，优选采用注液的方式；
以蒸镀法形成所述空穴传输层，形成所述空穴传输层时利用掩膜版对所述导电凸起进行遮挡。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的方法，其特征在于，至少满足以下条件之一：所述导电层采用溅射法得到；所述切割采用激光切割；所述导电层为TCO层；所述导电凸起的材质与所述导电层材质相同或不同；所述衬底为钢化玻璃；所述钙钛矿吸收层为有机-无机金属卤化物层。
9.一种钙钛矿电池组件，其特征在于，包括权利要求1～3中任一项所述的串联式钙钛矿电池和/或采用权利要求4～8中任一项所述的方法制备得到的串联式钙钛矿电池。
10.一种发电设备，其特征在于，包括权利要求9所述的钙钛矿电池组件。
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| CN202110202483.3A CN112909177B (zh) | 2021-02-23 | 串联式钙钛矿电池及其制备方法和应用 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116056473A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-05-02 | 四川大学 | 六边形钙钛矿电池组件、电池模组及制备方法 |
| CN117119859A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-24 | 深圳市汉嵙新材料技术有限公司 | 钙钛矿太阳电池的制备装置及钙钛矿太阳电池的制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203895474U (zh) * | 2014-05-26 | 2014-10-22 | 北京恒基伟业投资发展有限公司 | 一种薄膜太阳能电池 |
| CN106663703A (zh) * | 2014-07-23 | 2017-05-10 | 埃特19有限公司 | 柔性衬底材料和制造电子薄膜器件的方法 |
| US20180374655A1 (en) * | 2015-12-14 | 2018-12-27 | Dongjin Semichem Co., Ltd. | Monolithic-type module of perovskite solar cell, and manufacturing method therefor |
| CN109478469A (zh) * | 2016-08-02 | 2019-03-15 | 日本瑞翁株式会社 | 太阳能电池模块 |
| CN109713129A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-03 | 蜂巢能源科技有限公司 | 钙钛矿薄膜太阳能组件及其制备方法 |
| CN112103271A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-18 | 常州大学 | 一种双面受光的叠层太阳电池组件及其制备方法 |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203895474U (zh) * | 2014-05-26 | 2014-10-22 | 北京恒基伟业投资发展有限公司 | 一种薄膜太阳能电池 |
| CN106663703A (zh) * | 2014-07-23 | 2017-05-10 | 埃特19有限公司 | 柔性衬底材料和制造电子薄膜器件的方法 |
| US20180374655A1 (en) * | 2015-12-14 | 2018-12-27 | Dongjin Semichem Co., Ltd. | Monolithic-type module of perovskite solar cell, and manufacturing method therefor |
| CN109478469A (zh) * | 2016-08-02 | 2019-03-15 | 日本瑞翁株式会社 | 太阳能电池模块 |
| CN109713129A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-03 | 蜂巢能源科技有限公司 | 钙钛矿薄膜太阳能组件及其制备方法 |
| CN112103271A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-18 | 常州大学 | 一种双面受光的叠层太阳电池组件及其制备方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116056473A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-05-02 | 四川大学 | 六边形钙钛矿电池组件、电池模组及制备方法 |
| CN116056473B (zh) * | 2023-02-28 | 2023-11-10 | 四川大学 | 六边形钙钛矿电池组件、电池模组及制备方法 |
| CN117119859A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-24 | 深圳市汉嵙新材料技术有限公司 | 钙钛矿太阳电池的制备装置及钙钛矿太阳电池的制备方法 |
| CN117119859B (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-23 | 深圳市汉嵙新材料技术有限公司 | 钙钛矿太阳电池的制备装置及钙钛矿太阳电池的制备方法 |
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