CN112968130B - 一种柔性太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性太阳能电池，其特征在于：该结构从下到上依次为衬底、透明导电阳极ITO、空穴传输层、活性层、电子传输层、金属阴极；其中，所述衬底为聚(偏二氟乙烯‑六氟丙烯)PVDF‑HFP，属于一种柔性透明非导电聚合物。该衬底具有光透过性高、轻薄、耐弯折、耐腐蚀、耐高温等优异特性，适合应用于柔性太阳能电池器件的制备。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种一种柔性太阳能电池器件及其制备方法。
背景技术
随着科技进步，传统能源的用量日渐枯竭，新型替代能源的开发成为全世界面临的迫切需要解决的难题。除了风能、潮汐能、地热，太阳能以其取之不尽、安全性高、污染量低等特点，成为最受关注的新型能源。其中，钙钛矿太阳能电池作为一种新型低廉高效的光伏技术，在近年来备受关注。钙钛矿太阳能电池自2009年日本科学家Miyasaka首次报导以来，短短的几年内，其光电转换效率便由3.8％上升至25.2％，比肩硅电池效率记录。因此，钙钛矿太阳能电池成为可再生能源领域研究的重点与热点，有望成为下一代清洁能源的中流砥柱。
然而，实验室制备的钙钛矿太阳能电池，通常采用处理方便的刚性衬底以降低实验过程的复杂度。但刚性衬底具有不可弯曲、厚度大、重量重等缺点，无法应用于类似车顶、灯具等非平面场景。随着纳米技术及纳米光电子技术的极速发展，电子元器件面向小型化、集成化发展的趋势日益增加，对柔性电子器件的需求也与日俱增。目前，最广泛应用的柔性衬底为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。其具有成本低、质量轻、耐水的特点。然而耐热性差、光稳定性不足等致命缺点也使其无法服务于未来柔性轻薄电子器件的能源供应。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性太阳能电池器件及其制备方法，该器件采用柔性透明衬底PVDF-HFP，具有优异的光热稳定性、高透光性、耐高温的特点，能实现柔性轻薄太阳能电池的应用需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种柔性太阳能电池，其特点在于：该结构从下到上依次为衬底、透明导电阴极ITO、空穴传输层、活性层、电子传输层、金属阳极，所述衬底为柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP。
衬底采用刮涂方法制备，包括以下步骤：
1)取PVDF-HFP粉末溶解于丙酮；
2)在玻璃基板上采用刮涂方式制备PVDF-HFP薄膜；
3)将基板采用热退火的方式进行退火；
4)将PVDF-HFP薄膜与玻璃基板分离；
5)将分离的PVDF-HFP薄膜置于烤箱中烘干，形成衬底。
作为优选，所述PVDF-HFP的浓度为10～50mg/ml。
作为优选，所述刮涂方式的刮刀距基底高度为100～500μm。
作为优选，所述刮涂方式的刮涂速度为10～100mm/s。
作为优选，所述热退火温度范围为60～100℃。
作为优选，所述分离薄膜溶剂包括水、乙醇、异丙醇等醇类溶液。
作为优选，所述衬底厚度为1～100μm。
一种柔性太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将衬底和透明导电阴极ITO组成基板，并将基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2)在透明导电阴极ITO表面旋转涂覆、刮涂、印刷或喷涂的方式制备空穴传输层，并将所形成的薄膜进行退火，或采用真空蒸镀法蒸镀NiOX制备空穴传输层；
3)在空穴传输层上采用旋涂、刮涂、喷涂或压印的方式制备活性层，并进行退火；
4)在活性层表面蒸镀、旋涂、刮涂、喷涂或压印电子传输层；
5)在电子传输层上蒸镀金属阳极。
作为优选，所述空穴传输层为PTAA，PEDOT:PSS，F4-TCNQ，2-PACZ或金属氧化物的一种或多种，溶液浓度为1～20mg/ml，厚度范围为1～300nm。
作为优选，所述活性层材料包括钙钛矿材料、有机材料的一种或多种，其中钙钛矿材料采用ABX3结构钙钛矿，A为Cs+、HN＝CHNH3 +、CH3NH3 +、Rb+、Na+、K+或其组合；B为Sn2+、Pb2+或其组合；X为卤素阴离子、O2-、S2-及它们的组合；有机材料为给体受体混合体异质结结构，给体材料包括PM6、PTBT、P3HT、PBDB-T的一种或多种，受体材料包括Y6、ITIC、PC60BM、BTA3的一种或多种。
作为优选，所述活性层的厚度为100～1000nm。
作为优选，所述电子传输层材料为C60、BCP、PCBM、Bphen、Alq3，ZnO的一种或多种，厚度范围为1～100nm。
作为优选，所述金属阳极材料为Au、Ag、Al或Cu，薄层厚度为50～300nm。
作为优选，所述热退火方式采用恒温热台加热、烘箱加热、激光退火、远红外加热、热风加热、或微波加热的一种或多种。
作为优选，空穴传输层热退火温度范围在40～150℃，所述活性层热退火温度范围为60～150℃，所述电子传输层热退火温度范围为40～150℃。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、引入了柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP,有效解决了由于刚性基底导致的电池较厚较重的问题；
二、引入了柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP，提高了钙钛矿器件退火的阈值，使得太阳能电池器件制备工艺更加简单、性能更加稳定。
三、引入了柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP，提高了太阳能电池柔性衬底的光透过率，从而加大活性层光吸收，使得太阳能电池器件效率更高。
附图说明
图1是本发明柔性太阳能电池的结构示意图；其中，1为柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP衬底、2为透明导电阳极ITO、3为空穴传输层、4为活性层、5为电子传输层、6为金属阴极；
图2是本发明弯曲测试示意图。
图3是本发明1000次弯曲下器件效率的演变图；
图4是实施实例1的器件J-V性能曲线图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明柔性太阳能电池的结构示意图，如图所示，该结构从下到上依次为衬底1、透明导电阳极ITO2、空穴传输层3、活性层4、电子传输层5、金属阴极6，所述衬底为柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP。
实施例1：将20mg PVDF-HFP粉末加入1ml丙酮中，置于80℃下磁力搅拌溶解1小时；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以300μm的刮涂厚度，20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI3·MAPbBr3钙钛矿(5:83:17，1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层(5000rpm,50s，45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm2，测得器件的开路电压(VOC)为1.04V，短路电流(JSC)为20.05mA/cm2，填充因子(FF)为0.70，光电转换效率(PCE)为14.60％，如图4所示。对所得器件进行弯曲度测试，如图2所示，在外力下将器件弯曲至一定角度，并重新展平，视为一次弯曲。在经过1000次弯曲测试循环后，效率值维持在原本效率的65％，如图3所示。
实施例2：将10mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以500μm的刮涂厚度，100mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(60℃,10min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(3000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI3·MAPbBr3钙钛矿(5:83:17,1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层(5000rpm,50s,45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃，10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(40nm)、BCP(6nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(50nm)。在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的VOC为1.02V，JSC为19.35mA/cm2，FF为0.72，PCE为14.21％。
实施例3：将50mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以100μm的刮涂厚度，10mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(100℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS(8000rpm,40s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(120℃,5min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI3·MAPbBr3钙钛矿(5:83:17,1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层(5000rpm,50s,45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(20nm)、BCP(8nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(150nm)。在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的VOC为1.01V，JSC为20.49mA/cm2，FF为0.67，PCE为13.87％。
实施例4：将20mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以300μm的刮涂厚度，20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(60℃,10min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PEDOT:PSS(8000rpm,40s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(120℃,5min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI3·MAPbBr3钙钛矿(5:83:17,1.5mol/L,N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层(5000rpm,50s,45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的VOC为1.05V，JSC为19.67mA/cm2，FF为0.66，PCE为13.63％。
实施例5：将20mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮，置于80℃下搅拌溶解1小时；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以300μm的刮涂厚度，20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面刮涂涂覆PTAA(间隙250μm，速率20mm/s，用量10μL)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用刮涂制备MAPbI3钙钛矿活性层(间隙350μm,速率20mm/s,用量10μL)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的VOC为1.04V，JSC为18.33mA/cm2，FF为0.73，PCE为13.91％。
实施例6：将20mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以350μm的刮涂厚度，25mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(60℃,10min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面刮涂涂覆PTAA(间隙250μm，速率20mm/s，用量10μL)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用刮涂制备MAPbI3钙钛矿活性层(间隙350μm，速率20mm/s，用量10μL)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的VOC为1.02V，JSC为18.58mA/cm2，FF为0.70，PCE为13.27％。
实施例7：将20mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以300μm的刮涂厚度，20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面刮涂涂覆PTAA(间隙250μm,速率20mm/s,用量10μL)，并将所形成的薄膜进行烘烤(120℃,10min)；在空穴传输层上采用刮涂制备MAPbI3钙钛矿活性层(间隙300μm，速率30mm/s，用量12μL)，并进行退火(60℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM 1.5,100mW/cm2，测得器件的VOC为1.03V，JSC为18.23mA/cm2，FF为0.70，PCE为13.14％。
实施例8：将20mg PVDF-HFP粉末溶于1ml丙酮；对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以350μm的刮涂厚度，25mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(60℃,10min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面刮涂涂覆PTAA(间隙250μm，速率20mm/s，用量10μL)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用刮涂制备MAPbI3钙钛矿(0.9mol/L，甲胺乙醇溶液)活性层(间隙350μm，速率20mm/s，用量10μL)，并进行退火(100℃，10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM 1.5，100mW/cm2，测得器件的VOC为1.04V，JSC为18.45mA/cm2，FF为0.68，PCE为13.04％。
本发明实施例为较佳实施方式，但其具体实施并不限于此，本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，只要不脱离本发明，都属本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一阶段，衬底的制备，具体步骤如下：
1)取PVDF-HFP粉末加入>97％浓度的丙酮中，并在磁力搅拌下加热溶解；
2)在玻璃基板上采用刮涂方式制备PVDF-HFP薄膜；
3)将玻璃基板采用热退火的方式进行退火；
4)将PVDF-HFP薄膜与玻璃基板分离；
5)将分离的PVDF-HFP薄膜置于烤箱中烘干，形成衬底；
第二阶段，电池的制备，具体步骤如下：
1)将衬底和透明导电阴极ITO组成基板，并将基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；
2)在透明导电阴极ITO表面通过旋转涂覆、刮涂、印刷或喷涂的方式制备空穴传输层，并将所形成的薄膜进行退火，或采用真空蒸镀法蒸镀NiOX制备空穴传输层；
3)在空穴传输层上采用旋涂、刮涂、喷涂或压印的方式制备活性层，并进行退火；
4)在活性层表面蒸镀、旋涂、刮涂、喷涂或压印电子传输层；
5)在电子传输层上蒸镀金属阳极。
2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述PVDF-HFP的浓度为10～50mg/ml。
3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述刮涂方式的刮刀距玻璃基板高度为100～500μm。
4.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述刮涂方式的刮涂速度为10～100mm/s。
5.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述热退火温度范围为60～100℃。
6.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述衬底厚度为1～100μm。
7.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述空穴传输层为PTAA，PEDOT:PSS，F4-TCNQ，2-PACZ或金属氧化物的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述空穴传输层厚度为1～300nm。
9.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述活性层材料包括钙钛矿材料、有机材料的一种或多种，其中钙钛矿材料采用ABX3结构，A为Cs+、HN＝CHNH3 +、CH3NH3 +、Rb+、Na+、K+或其组合；B为Sn2+、Pb2+或其组合；X为卤素阴离子、O2-、S2-或它们的组合；有机材料为给体受体混合体异质结结构，给体材料包括PM6、PTBT、P3HT、PBDB-T的一种或多种，受体材料包括Y6、ITIC、PC60BM、BTA3的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述活性层的厚度为100～1000nm。
11.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述电子传输层材料为TPBi、C60、BCP、PC60BM、Bphen、Alq3或ZnO的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述电子传输层的厚度为1～100nm。
13.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述金属阳极材料为Au、Ag、Al或Cu的一种或多种。
14.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的金属阳极材料厚度范围为50～300nm。
15.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述热退火方式采用恒温热台加热、烘箱加热、激光退火、远红外加热、热风加热、或微波加热的一种或多种。
16.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述空穴传输层退火温度范围在40～150℃，所述活性层退火温度范围为60～150℃。
17.一种利用权利要求1-16任一所述的方法制备的柔性太阳能电池，其特征在于：该柔性太阳能电池从下到上依次为衬底、透明导电阳极ITO、空穴传输层、活性层、电子传输层、金属阴极，所述衬底为柔性透明非导电聚合物PVDF-HFP。
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