CN114388701B - 一种钙钛矿电池的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钙钛矿电池的制作方法，包括以下步骤：a)制备电极和空穴传输层；b)在步骤a)制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜；c)在步骤b)制备的钙钛矿层湿膜上进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜；d)在步骤c)得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。与现有技术相比，本发明对钙钛矿电池制作方法中的P2划刻过程进行优化，采用先在湿法成膜后的湿膜上进行激光刻蚀，再干燥后处理，形成带有凹槽的干膜，不仅使得到的钙钛矿材料层的P2划刻区没有毛刺和火山口存在，同时尽可能避免粉尘，并且P2划刻后电荷传输效率略有提升，电池性能较高。

Description

一种钙钛矿电池的制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，是涉及一种钙钛矿电池的制作方法。
背景技术
钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。
钙钛矿电池的制作需要如碲化镉、铜铟镓硒、非晶硅薄膜电池组件所需要的激光划线工艺来实现钙钛矿电池间的串并联连接，而照搬其他薄膜电池组件的激光划线工艺会面临钙钛矿电池金属电极被腐蚀、金属电极刻线处激光刻蚀卷边的问题。目前，常规激光刻蚀钙钛矿易产生边缘毛刺或火山口现象，同时激光刻蚀所产生的粉尘不易被收集，对环境造成污染，影响钙钛矿电池效率；更重要的是，P2划刻后钙钛矿材料层易产生缺陷，影响电池稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钙钛矿电池的制作方法，本发明提供的制作方法采用在湿法成膜后的湿膜上进行激光刻蚀，得到的钙钛矿材料层的P2划刻区没有毛刺和火山口存在，同时尽可能避免粉尘，并且P2划刻后电荷传输效率略有提升，电池性能较高。
本发明提供了一种钙钛矿电池的制作方法，包括以下步骤：
a)制备电极和空穴传输层；
b)在步骤a)制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜；
c)在步骤b)制备的钙钛矿层湿膜上进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜；
d)在步骤c)得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。
优选的，所述步骤a)具体为：
a1)在FTO透明导电玻璃基底上采用红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
a2)在步骤a1)的基础上在基底表面制备空穴传输层。
优选的，步骤a2)所述制备空穴传输层的方式为磁控溅射、ALD或旋涂；
所述空穴传输层选自NiOx、Cu2O、CuI、PTAA和CuSCN中的一种或多种。
优选的，步骤b)中所述制备钙钛矿层湿膜的方式为狭缝涂布、刮涂、旋涂或喷涂。
优选的，步骤b)中所述制备钙钛矿层湿膜的钙钛矿前驱体溶液由摩尔比(0.1～0.3)∶(0.7～0.9)：1的MAI、FAI和PbI2或摩尔比为1：(1～1.1)的MAI和PbI2配制而成；所述钙钛矿前驱体溶液的浓度为1M/L～1.2M/L，溶剂为DMF。
优选的，步骤c)中所述P2划刻采用红外激光器进行，可以与狭缝涂布/刮涂设备结合，在涂布/刮涂的同时进行钙钛矿层湿膜划刻。
优选的，步骤c)中所述退火处理的温度为100℃～150℃，时间为10min～20min。
优选的，步骤d)中所述制备电子传输层和金属电极层的方式为热沉积、涂布、旋涂、蒸镀或磁控溅射。
优选的，步骤d)中所述电子传输层选自TiO2、富勒烯、石墨烯、SnO2和ZnO中的一种或多种，并进行P2清边处理，留出正负极区域；
所述金属电极层选自金、银、铜、铁、铝、镉、钼、钛、锡、钨、锌、镓、锗、砷、硒、铑、钯、铟、锑、锇、铱、铂、铊、铋和钋中的一种或多种。
优选的，所述步骤d)还包括：
制备电子传输层和金属电极层后，进行P3线划刻和清边处理。
本发明提供了一种钙钛矿电池的制作方法，包括以下步骤：a)制备电极和空穴传输层；b)在步骤a)制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜；c)在步骤b)制备的钙钛矿层湿膜上进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜；d)在步骤c)得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。与现有技术相比，本发明对钙钛矿电池制作方法中的P2划刻过程进行优化，采用先在湿法成膜后的湿膜上进行激光刻蚀，再干燥后处理，形成带有凹槽的干膜，不仅使得到的钙钛矿材料层的P2划刻区没有毛刺和火山口存在，同时尽可能避免粉尘，并且P2划刻后电荷传输效率略有提升，电池性能较高。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的制作方法形成的具有凹槽的干膜的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明提供了一种钙钛矿电池的制作方法，包括以下步骤：
a)制备电极和空穴传输层；
b)在步骤a)制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜；
c)在步骤b)制备的钙钛矿层湿膜上进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜；
d)在步骤c)得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。
本发明首先制备电极和空穴传输层；所述制备电极和空穴传输层的方式采用本领域技术人员熟知的常规方法如磁控溅射、ALD、旋涂均可。
在本发明优选的实施例中，所述制备电极和空穴传输层的过程优选具体为：
a1)在FTO透明导电玻璃基底上采用红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
a2)在步骤a1)的基础上在基底表面制备空穴传输层。
本发明对所述FTO透明导电玻璃基底的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述制备空穴传输层的方式优选为磁控溅射、ALD或旋涂，更优选为磁控溅射。
在本发明中，所述空穴传输层优选选自NiOx、Cu2O、CuI、PTAA和CuSCN中的一种或多种，更优选为NiOx空穴传输层，厚度优选为10nm～90nm，更优选为30nm～50nm。
然后，本发明在步骤a)制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜。
在本发明中，所述制备钙钛矿层湿膜的方式优选为狭缝涂布、刮涂、旋涂或喷涂，更优选为狭缝涂布；具体通过配制的钙钛矿前驱体溶液实现。
在本发明中，所述制备钙钛矿层湿膜的钙钛矿前驱体溶液优选由摩尔比(0.1～0.3)∶(0.7～0.9)：1的MAI、FAI和PbI2或摩尔比为1：(1～1.1)的MAI和PbI2配制而成，更优选由摩尔比0.2∶0.8：1的MAI、FAI和PbI2或摩尔比为1：1.05的MAI和PbI2配制而成。本发明对所述配制的方法没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的钙钛矿前驱体溶液的配制方法即可。
在本发明中，所述钙钛矿前驱体溶液的浓度优选为1M/L～1.2M/L，更优选为1.1M/L；配制所用的溶剂优选为DMF。
之后，本发明对制备的钙钛矿层湿膜先不进行退火，而是直接进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜。
在本发明中，所述P2划刻优选采用红外激光器进行，可以与狭缝涂布/刮涂设备结合，在涂布/刮涂的同时进行钙钛矿层湿膜划刻。
在本发明中，所述退火处理的温度优选为100℃～150℃，更优选为140℃～150℃；所述退火处理的时间优选为10min～20min，更优选为14min～15min；经退火处理，钙钛矿层湿膜干燥形成具有凹槽的干膜。
最后，本发明在步骤c)得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。
在本发明中，所述制备电子传输层和金属电极层的方式优选为热沉积、涂布、旋涂、蒸镀或磁控溅射，更优选为热沉积。
在本发明中，所述电子传输层优选选自TiO2、富勒烯、石墨烯、SnO2和ZnO中的一种或多种，更优选为C60电子传输层，厚度优选为40nm～80nm，更优选为50nm～70nm，并进行P2清边处理，留出正负极区域。
在本发明中，所述金属电极层优选选自金、银、铜、铁、铝、镉、钼、钛、锡、钨、锌、镓、锗、砷、硒、铑、钯、铟、锑、锇、铱、铂、铊、铋和钋中的一种或多种，更优选为Cu电极层，厚度优选为100nm～200nm，更优选为140nm～160nm。
在本发明中，所述步骤d)优选还包括：
制备电子传输层和金属电极层后，进行P3线划刻和清边处理。
本发明对钙钛矿电池制作方法中的P2划刻过程进行优化，采用先在湿法成膜后的湿膜上进行激光刻蚀，再干燥后处理，形成带有凹槽的干膜，不仅使得到的钙钛矿材料层的P2划刻区没有毛刺和火山口存在，同时尽可能避免粉尘，并且P2划刻后电荷传输效率略有提升，电池性能较高。
本发明提供了一种钙钛矿电池的制作方法，包括以下步骤：a)制备电极和空穴传输层；b)在步骤a)制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜；c)在步骤b)制备的钙钛矿层湿膜上进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜；d)在步骤c)得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。与现有技术相比，本发明对钙钛矿电池制作方法中的P2划刻过程进行优化，采用先在湿法成膜后的湿膜上进行激光刻蚀，再干燥后处理，形成带有凹槽的干膜，不仅使得到的钙钛矿材料层的P2划刻区没有毛刺和火山口存在，同时尽可能避免粉尘，并且P2划刻后电荷传输效率略有提升，电池性能较高。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
(1)按照化学计量比MAI∶FAI∶PbI2＝0.2∶0.8：1(摩尔比)的比例配制钙钛矿前驱体溶液，浓度1M/L，溶剂DMF；
(2)在10×10的FTO透明导电玻璃基底上采用IPG红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
(3)在步骤(2)的基础上采用磁控溅射法在基底表面制备NiOx空穴传输层，厚度40nm左右；
(4)在步骤(3)制得的NiOx空穴传输层上，采用狭缝涂布法制备钙钛矿层湿膜；
(5)在步骤(4)制得的钙钛矿湿膜表面采用IPG红外激光器进行P2划刻，再退火处理，退火温度140℃，时间15min，形成具有凹槽的干膜；参见图1所示，图1为本发明实施例1提供的制作方法形成的具有凹槽的干膜的结构示意图，其中1为玻璃基底、2为透明电极、3为空穴传输层、4为P1刻蚀线、5为钙钛矿层、6为P2刻蚀线；
(6)在步骤(5)的基础上采用热沉积的方法制备C60电子传输层，厚度60nm，并进行P2清边处理，留出正负极区域；
(7)在步骤(6)制备的电子传输层上，采用热沉积法制备Cu电极层，厚度150nm；
(8)在步骤(7)的基础上进行P3线划刻和清边处理，得到钙钛矿电池。
对比例1
(1)按照化学计量比MAI∶FAI∶PbI2＝0.2∶0.8：1(摩尔比)的比例配制钙钛矿前驱体溶液，浓度1M/L，溶剂DMF；
(2)在10×10的FTO透明导电玻璃基底上采用IPG红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
(3)在步骤(2)的基础上采用磁控溅射法在基底表面制备NiOx空穴传输层，厚度40nm左右；
(4)在步骤(3)制得的NiOx空穴传输层上，采用狭缝涂布法制备钙钛矿层湿膜，并退火处理，退火温度140℃，时间15min，形成钙钛矿层干膜；
(5)在步骤(4)制得的钙钛矿层干膜表面采用IPG红外激光器进行P2划刻；
(6)在步骤(5)的基础上采用热沉积的方法制备C60电子传输层，厚度60nm，并进行P2清边处理，留出正负极区域；
(7)在步骤(6)制备的电子传输层上，采用热沉积法制备Cu电极层，厚度150nm；
(8)在步骤(7)的基础上进行P3线划刻和清边处理，得到钙钛矿电池。
实施例2
(1)按照化学计量比MAI∶PbI2＝1∶1.05(摩尔比)的比例配制钙钛矿前驱体溶液，浓度1.1M/L，溶剂DMF；
(2)在10×10的FTO透明导电玻璃基底上采用IPG红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
(3)在步骤(2)的基础上采用磁控溅射法在基底表面制备NiOx空穴传输层，厚度40nm左右；
(4)在步骤(3)制得的NiOx空穴传输层上，采用刮涂法制备钙钛矿层湿膜；
(5)在步骤(4)制得的钙钛矿湿膜表面采用IPG红外激光器进行P2划刻，再退火处理，退火温度150℃，时间15min，形成具有凹槽的干膜；
(6)在步骤(5)的基础上采用热沉积的方法制备C60电子传输层，厚度60nm，并进行P2清边处理，留出正负极区域；
(7)在步骤(6)制备的电子传输层上，采用热沉积法制备Cu电极层，厚度120nm；
(8)在步骤(7)的基础上进行P3线划刻和清边处理，得到钙钛矿电池。
对比例2
(1)按照化学计量比MAI∶PbI2＝1∶1.05(摩尔比)的比例配置钙钛矿前驱体溶液，浓度1.1M/L，溶剂DMF；
(2)在10×10的FTO透明导电玻璃基底上采用IPG红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
(3)在步骤(2)的基础上采用磁控溅射法在基底表面制备NiOx空穴传输层，厚度40nm左右；
(4)在步骤(3)制得的NiOx空穴传输层上，采用刮涂加氮气吹扫的方法，制备钙钛矿层湿膜，并退火处理，退火温度150℃，时间15min，形成钙钛矿层干膜；
(5)在步骤(4)制得的钙钛矿层干膜表面采用IPG红外激光器进行P2划刻；
(6)在步骤(5)的基础上采用热沉积的方法制备C60电子传输层，厚度60nm，并进行P2清边处理，留出正负极区域；
(7)在步骤(6)制备的电子传输层上，采用热沉积法制备Cu电极层，厚度120nm；
(8)在步骤(7)的基础上进行P3线划刻和清边处理，得到钙钛矿电池。
采用AAA级稳态太阳模拟器和I-V测试系统，对实施例1～2和对比例1～2制作的同一批次的电池片进行I-V特性测试，每组实施例和对比例均抽样测试4个样品，测试结果详见下表1。
表1电池片效率对比表
Figure BDA0003473573820000081
由以上实施例和对比例的I-V特性测试数据可以看出，采用钙钛矿湿膜划刻方法制作的电池与传统方法制作的电池相比，开路电压Voc相差不大，短路电流Isc和填充因子FF都略有提升，其中短路电流提升相对明显；说明本发明提供的制作方法中，在采用湿膜划刻方法进行钙钛矿电池P2划刻，有利于减少甚至避免刻线边缘火山口形貌的形成，并提高电荷传输效率和填充因子，进而提高电池器件效率；同时湿膜划刻有利于减少粉尘的产生，减少环境污染。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种钙钛矿电池的制作方法，包括以下步骤：
a）制备电极和空穴传输层；所述步骤a）具体为：
a1）在FTO透明导电玻璃基底上采用红外激光器进行P1划刻，并进行基底清洗；
a2）在步骤a1）的基础上在基底表面制备空穴传输层；所述制备空穴传输层的方式为磁控溅射、ALD或旋涂；所述空穴传输层选自NiOx、Cu2O、CuI、PTAA和CuSCN中的一种或多种；
b）在步骤a）制备的空穴传输层上制备钙钛矿层湿膜；所述制备钙钛矿层湿膜的钙钛矿前驱体溶液由摩尔比（0.1~0.3）∶（0.7~0.9）：1的MAI、FAI和PbI2或摩尔比为1：（1~1.1）的MAI和PbI2配制而成；所述钙钛矿前驱体溶液的浓度为1M/L~1.2M/L，溶剂为DMF；
c）在步骤b）制备的钙钛矿层湿膜上进行P2划刻，再进行退火处理，形成具有凹槽的干膜；
d）在步骤c）得到的干膜上制备电子传输层和金属电极层，得到钙钛矿电池。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤b）中所述制备钙钛矿层湿膜的方式为狭缝涂布、刮涂、旋涂或喷涂。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤c）中所述P2划刻采用红外激光器进行，与狭缝涂布/刮涂设备结合，在涂布/刮涂的同时进行钙钛矿层湿膜划刻。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤c）中所述退火处理的温度为100℃~150℃，时间为10min~20min。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤d）中所述制备电子传输层和金属电极层的方式为热沉积、涂布、旋涂、蒸镀或磁控溅射。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤d）中所述电子传输层选自TiO2、富勒烯、石墨烯、SnO2和ZnO中的一种或多种，并进行P2清边处理，留出正负极区域；
所述金属电极层选自金、银、铜、铁、铝、镉、钼、钛、锡、钨、锌、镓、锗、砷、硒、铑、钯、铟、锑、锇、铱、铂、铊、铋和钋中的一种或多种。
7.根据权利要求1~6任一项所述的制作方法，其特征在于，所述步骤d）还包括：
制备电子传输层和金属电极层后，进行P3线划刻和清边处理。
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