CN115224207B - 基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域，本方案实现在钙钛矿阵列太阳能电池封装过程中，引入微观密封机构至电子传输层、光吸收层与空穴传输层之间，使其利用整齐排列的微‑纳米棒型结构对电子传输层、光吸收层与空穴传输层的内部空间进行填充挤压和密封，同时将其内部空间分隔成若干个微型空间，不仅消耗内部残余水分和氧气，同时还减少外界水分的渗透和氧气的导入，起到阻水阻氧的保护作用，从而有效的隔绝水分和氧气，使钙钛矿材料中的有机组分不易逃逸，提高其稳定性，使钙钛矿阵列太阳能电池能够长期高效并且稳定地工作，增强其工作效果。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法。
背景技术
目前，晶硅太阳能电池产业化技术已经非常成熟，然而与传统能源相比，较高的发电成本制约了晶硅太阳能电池的大规模普及，而钙钛矿型太阳能电池具有高光电转化效率、低成本、广泛的应用场景等优势，近年来受到越来越多的关注，成为新能源研发领域的热点。
钙钛矿太阳能电池虽然性能优秀，成本低，但是其稳定性较差，在工作中易受水分和氧气影响，导致器件损坏、性能下降甚至失效，无法长期稳定地在自然环境中工作，因此，为了保证其能够长期高效并且稳定地工作，需要在其封装过程中有效的隔绝水分和氧气，提升钙钛矿太阳能电池的稳定性。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法，本方案实现在钙钛矿阵列太阳能电池封装过程中，引入微观密封机构至电子传输层、光吸收层与空穴传输层之间，使其利用整齐排列的微-纳米棒型结构对电子传输层、光吸收层与空穴传输层的内部空间进行填充挤压和密封，同时将其内部空间分隔成若干个微型空间，不仅消耗内部残余水分和氧气，同时还减少外界水分的渗透和氧气的导入，起到阻水阻氧的保护作用，从而有效的隔绝水分和氧气，使钙钛矿材料中的有机组分不易逃逸，提高其稳定性，使钙钛矿阵列太阳能电池能够长期高效并且稳定地工作，增强其工作效果。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先取用ITO导电玻璃片经过超声波清洗和干燥后，得到阳极层衬底基片；
S2、以石墨烯纳米片和纳米二氧化钛复合材料作为电子传输层材料，利用磁控溅射方法将电子传输层覆于阳极层衬底基片上；
S3、分别以二维混合钙钛矿材料和本质导电聚合物材料作为光吸收层材料和空穴传输层材料，然后在电子传输层、光吸收层与空穴传输层之间引入微观密封机构；
S4、接着将光吸收层附着在电子传输层上，并将空穴传输层附着在其表面，然后蒸镀银电极，形成阴极层，从而得到钙钛矿阵列太阳能电池，本方案实现在钙钛矿阵列太阳能电池封装过程中，引入微观密封机构至电子传输层、光吸收层与空穴传输层之间，使其利用整齐排列的微-纳米棒型结构对电子传输层、光吸收层与空穴传输层的内部空间进行填充挤压和密封，同时将其内部空间分隔成若干个微型空间，不仅消耗内部残余水分和氧气，同时还减少外界水分的渗透和氧气的导入，起到阻水阻氧的保护作用，从而有效的隔绝水分和氧气，使钙钛矿材料中的有机组分不易逃逸，提高其稳定性，使钙钛矿阵列太阳能电池能够长期高效并且稳定地工作，增强其工作效果。
进一步的，所述S2中的磁控溅射方法为在密闭的磁控溅射操作腔体空间内，固定阳极层衬底基片，以电子传输层作为靶材，利用双极脉冲电源进行溅射至三分钟，结束后取出，通过磁控溅射方法制备的电子传输层，相较于旋涂法和原子层沉积方法，钙钛矿阵列太阳能电池具有更佳的转换效率，而以石墨烯纳米片和纳米二氧化钛复合材料作为电子传输层材料，利用石墨烯自身的高电导率以及合适的功函数等特性，为电子传输和收集提供高速通道，改善了材料的电子输运性能，显著降低电池的串联电阻，并且短路电流和填充因子均有明显改进。
进一步的，所述S3中的光吸收层为多个钙钛矿结构纳米晶组成，所述电子传输层为光吸收层的骨架结构基础，所述空穴传输层上设有多个均匀分布的通孔，且多个通孔与多个钙钛矿结构纳米晶一一对应，本方案中的钙钛矿阵列太阳能电池为介观结构钙钛矿太阳能电池，以二维混合钙钛矿材料光吸收层材料，和普通三维钙钛矿材料相比，二维钙钛矿电池在室温潮湿环境下放置46天而不引起性能的明显下降,具有很好的稳定性。
进一步的，所述S3中的微观密封机构包括与空穴传输层的下端固定连接的多个均匀分布的圆形通框，所述圆形通框位于通孔下端，且与其相对应，所述圆形通框与通孔内壁之间固定连接有柔性薄囊，所述柔性薄囊的内部填充有惰性气体，所述柔性薄囊与钙钛矿结构纳米晶相接触，微观密封机构通过柔性薄囊包裹住钙钛矿结构纳米晶，实现对通孔和钙钛矿结构纳米晶之间进行填充密封，增强密封性，减少水分与氧气的侵入。
进一步的，相邻的两个所述圆形通框之间固定连接有分隔棒，相邻的两个所述圆形通框和分隔棒之间固定连接有多个相互交叉设置的分隔线，通过多个分隔棒和分隔线的设置，实现将子传输层、光吸收层与空穴传输层的内部空间，从而将其内部的残留水分和氧气分隔个若干个小成分，降低接触面积，使其更加容易被封装胶体填充和消散。
进一步的，所述柔性薄囊的外端和内壁均固定连接有疏导纤维，所述分隔棒和分隔线的外端均设有疏导纤维，所述疏导纤维采用导水纤维材料制成，通过使用导水纤维材料制成的疏导纤维，实现将封装胶体疏导到子传输层、光吸收层与空穴传输层内部空间各处，使封装胶体有效填充介观结构下的钙钛矿阵列太阳能电池的内部微孔，降低其内部水分和氧气的残留，增强封装效果，且随着封装胶体的充分填充鼓入，外界水分和氧气也不易渗透到内部空间，进一步增强密封性。
进一步的，所述电子传输层的边缘区域设有防水膜，所述防水膜采用高分子防水材料制成，通过使用高分子防水材料制成的防水膜具有良好的防水效果，使电子传输层与空穴传输层的密封处不易渗透水分。
进一步的，所述圆形通框的直径与通孔的直径相匹配，所述圆形通框的直径大于钙钛矿结构纳米晶的直径，通过设置圆形通框的直径与通孔的直径相匹配，且圆形通框的直径大于钙钛矿结构纳米晶的直径，使圆形通框与通孔一样，套设在钙钛矿结构纳米晶的外端。
进一步的，所述柔性薄囊的外端为空心筒状设置，所述柔性薄囊的高度与钙钛矿结构纳米晶的高度相匹配，通过设置空心筒状，且其高度与钙钛矿结构纳米晶的高度相匹配，使柔性薄囊能够充分包裹住钙钛矿结构纳米晶，减少缝隙空间，增强密封性。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案实现在钙钛矿阵列太阳能电池封装过程中，引入微观密封机构至电子传输层、光吸收层与空穴传输层之间，使其利用整齐排列的微-纳米棒型结构对电子传输层、光吸收层与空穴传输层的内部空间进行填充挤压和密封，同时将其内部空间分隔成若干个微型空间，不仅消耗内部残余水分和氧气，同时还减少外界水分的渗透和氧气的导入，起到阻水阻氧的保护作用，从而有效的隔绝水分和氧气，使钙钛矿材料中的有机组分不易逃逸，提高其稳定性，使钙钛矿阵列太阳能电池能够长期高效并且稳定地工作，增强其工作效果。
(2)S2中的磁控溅射方法为在密闭的磁控溅射操作腔体空间内，固定阳极层衬底基片，以电子传输层作为靶材，利用双极脉冲电源进行溅射至三分钟，结束后取出，通过磁控溅射方法制备的电子传输层，相较于旋涂法和原子层沉积方法，钙钛矿阵列太阳能电池具有更佳的转换效率，而以石墨烯纳米片和纳米二氧化钛复合材料作为电子传输层材料，利用石墨烯自身的高电导率以及合适的功函数等特性，为电子传输和收集提供高速通道，改善了材料的电子输运性能，显著降低电池的串联电阻，并且短路电流和填充因子均有明显改进。
(3)S3中的光吸收层为多个钙钛矿结构纳米晶组成，电子传输层为光吸收层的骨架结构基础，空穴传输层上设有多个均匀分布的通孔，且多个通孔与多个钙钛矿结构纳米晶一一对应，本方案中的钙钛矿阵列太阳能电池为介观结构钙钛矿太阳能电池，以二维混合钙钛矿材料光吸收层材料，和普通三维钙钛矿材料相比，二维钙钛矿电池在室温潮湿环境下放置46天而不引起性能的明显下降,具有很好的稳定性。
(4)S3中的微观密封机构包括与空穴传输层的下端固定连接的多个均匀分布的圆形通框，圆形通框位于通孔下端，且与其相对应，圆形通框与通孔内壁之间固定连接有柔性薄囊，柔性薄囊的内部填充有惰性气体，柔性薄囊与钙钛矿结构纳米晶相接触，微观密封机构通过柔性薄囊包裹住钙钛矿结构纳米晶，实现对通孔和钙钛矿结构纳米晶之间进行填充密封，增强密封性，减少水分与氧气的侵入。
(5)相邻的两个圆形通框之间固定连接有分隔棒，相邻的两个圆形通框和分隔棒之间固定连接有多个相互交叉设置的分隔线，通过多个分隔棒和分隔线的设置，实现将子传输层、光吸收层与空穴传输层的内部空间，从而将其内部的残留水分和氧气分隔个若干个小成分，降低接触面积，使其更加容易被封装胶体填充和消散。
(6)柔性薄囊的外端和内壁均固定连接有疏导纤维，分隔棒和分隔线的外端均设有疏导纤维，疏导纤维采用导水纤维材料制成，通过使用导水纤维材料制成的疏导纤维，实现将封装胶体疏导到子传输层、光吸收层与空穴传输层内部空间各处，使封装胶体有效填充介观结构下的钙钛矿阵列太阳能电池的内部微孔，降低其内部水分和氧气的残留，增强封装效果，且随着封装胶体的充分填充鼓入，外界水分和氧气也不易渗透到内部空间，进一步增强密封性。
(7)电子传输层的边缘区域设有防水膜，防水膜采用高分子防水材料制成，通过使用高分子防水材料制成的防水膜具有良好的防水效果，使电子传输层与空穴传输层的密封处不易渗透水分。
(8)圆形通框的直径与通孔的直径相匹配，圆形通框的直径大于钙钛矿结构纳米晶的直径，通过设置圆形通框的直径与通孔的直径相匹配，且圆形通框的直径大于钙钛矿结构纳米晶的直径，使圆形通框与通孔一样，套设在钙钛矿结构纳米晶的外端。
(9)柔性薄囊的外端为空心筒状设置，柔性薄囊的高度与钙钛矿结构纳米晶的高度相匹配，通过设置空心筒状，且其高度与钙钛矿结构纳米晶的高度相匹配，使柔性薄囊能够充分包裹住钙钛矿结构纳米晶，减少缝隙空间，增强密封性。
附图说明
图1为本发明中钙钛矿阵列太阳能电池的整体结构示意图；
图2为本发明中钙钛矿阵列太阳能电池的整体拆分结构示意图；
图3为本发明中光吸收层的整体结构示意图；
图4为本发明中微观密封机构的整体结构示意图；
图5为本发明中微观密封机构与光吸收层嵌合的局部剖面结构示意图；
图6为本发明中柔性薄囊的立体结构示意图。
图中标号说明：
1、阳极层衬底基片；2、电子传输层；201、防水透气膜；3、光吸收层；301、钙钛矿结构纳米晶；4、空穴传输层；401、通孔；5、阴极层；6、微观密封机构；601、圆形通框；602、分隔棒；603、柔性薄囊；604、疏导纤维；605、分隔线。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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。
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”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。
实施例：
请参阅图1-2，基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先取用ITO导电玻璃片经过超声波清洗和干燥后，得到阳极层衬底基片1；
S2、以石墨烯纳米片和纳米二氧化钛复合材料作为电子传输层2材料，利用磁控溅射方法将电子传输层2覆于阳极层衬底基片1上；
S3、分别以二维混合钙钛矿材料和本质导电聚合物材料作为光吸收层3材料和空穴传输层4材料，然后在电子传输层2、光吸收层3与空穴传输层4之间引入微观密封机构6；
S4、接着将光吸收层3附着在电子传输层2上，并将空穴传输层4附着在其表面，然后蒸镀银电极，形成阴极层5，从而得到钙钛矿阵列太阳能电池，本方案实现在钙钛矿阵列太阳能电池封装过程中，引入微观密封机构6至电子传输层2、光吸收层3与空穴传输层4之间，使其利用整齐排列的微-纳米棒型结构对电子传输层2、光吸收层3与空穴传输层4的内部空间进行填充挤压和密封，同时将其内部空间分隔成若干个微型空间，不仅消耗内部残余水分和氧气，同时还减少外界水分的渗透和氧气的导入，起到阻水阻氧的保护作用，从而有效的隔绝水分和氧气，使钙钛矿材料中的有机组分不易逃逸，提高其稳定性，使钙钛矿阵列太阳能电池能够长期高效并且稳定地工作，增强其工作效果。
请参阅图1-2，S2中的磁控溅射方法为在密闭的磁控溅射操作腔体空间内，固定阳极层衬底基片1，以电子传输层2作为靶材，利用双极脉冲电源进行溅射至三分钟，结束后取出，通过磁控溅射方法制备的电子传输层2，相较于旋涂法和原子层沉积方法，钙钛矿阵列太阳能电池具有更佳的转换效率，而以石墨烯纳米片和纳米二氧化钛复合材料作为电子传输层2材料，利用石墨烯自身的高电导率以及合适的功函数等特性，为电子传输和收集提供高速通道，改善了材料的电子输运性能，显著降低电池的串联电阻，并且短路电流和填充因子均有明显改进。
请参阅图2-3，S3中的光吸收层3为多个钙钛矿结构纳米晶301组成，电子传输层2为光吸收层3的骨架结构基础，空穴传输层4上设有多个均匀分布的通孔401，且多个通孔401与多个钙钛矿结构纳米晶301一一对应，本方案中的钙钛矿阵列太阳能电池为介观结构钙钛矿太阳能电池，以二维混合钙钛矿材料光吸收层3材料，和普通三维钙钛矿材料相比，二维钙钛矿电池在室温潮湿环境下放置46天而不引起性能的明显下降,具有很好的稳定性。
请参阅图4-6，S3中的微观密封机构6包括与空穴传输层4的下端固定连接的多个均匀分布的圆形通框601，圆形通框601位于通孔401下端，且与其相对应，圆形通框601与通孔401内壁之间固定连接有柔性薄囊603，柔性薄囊603的内部填充有惰性气体，柔性薄囊603与钙钛矿结构纳米晶301相接触，微观密封机构6通过柔性薄囊603包裹住钙钛矿结构纳米晶301，实现对通孔401和钙钛矿结构纳米晶301之间进行填充密封，增强密封性，减少水分与氧气的侵入。
请参阅图3，相邻的两个圆形通框601之间固定连接有分隔棒602，相邻的两个圆形通框601和分隔棒602之间固定连接有多个相互交叉设置的分隔线605，通过多个分隔棒602和分隔线605的设置，实现将子传输层2、光吸收层3与空穴传输层4的内部空间，从而将其内部的残留水分和氧气分隔个若干个小成分，降低接触面积，使其更加容易被封装胶体填充和消散。
请参阅图4-6，柔性薄囊603的外端和内壁均固定连接有疏导纤维，分隔棒602和分隔线605的外端均设有疏导纤维604，疏导纤维604采用导水纤维材料制成，通过使用导水纤维材料制成的疏导纤维604，实现将封装胶体疏导到子传输层2、光吸收层3与空穴传输层4内部空间各处，使封装胶体有效填充介观结构下的钙钛矿阵列太阳能电池的内部微孔，降低其内部水分和氧气的残留，增强封装效果，且随着封装胶体的充分填充鼓入，外界水分和氧气也不易渗透到内部空间，进一步增强密封性。
请参阅图3，电子传输层2的边缘区域设有防水膜201，防水膜201采用高分子防水材料制成，通过使用高分子防水材料制成的防水膜201具有良好的防水效果，使电子传输层2与空穴传输层4的密封处不易渗透水分。
请参阅图2-5，圆形通框601的直径与通孔401的直径相匹配，圆形通框601的直径大于钙钛矿结构纳米晶301的直径，通过设置圆形通框601的直径与通孔401的直径相匹配，且圆形通框601的直径大于钙钛矿结构纳米晶301的直径，使圆形通框601与通孔401一样，套设在钙钛矿结构纳米晶301的外端，柔性薄囊603的外端为空心筒状设置，柔性薄囊603的高度与钙钛矿结构纳米晶301的高度相匹配，通过设置空心筒状，且其高度与钙钛矿结构纳米晶301的高度相匹配，使柔性薄囊603能够充分包裹住钙钛矿结构纳米晶301，减少缝隙空间，增强密封性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.基于微孔模板封装的钙钛矿阵列太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、首先取用ITO导电玻璃片经过超声波清洗和干燥后，得到阳极层衬底基片(1)；
S2、以石墨烯纳米片和纳米二氧化钛复合材料作为电子传输层(2)材料，利用磁控溅射方法将电子传输层(2)覆于阳极层衬底基片(1)上；
S3、分别以二维混合钙钛矿材料和本质导电聚合物材料作为光吸收层(3)材料和空穴传输层(4)材料，然后在电子传输层(2)、光吸收层(3)与空穴传输层(4)之间引入微观密封机构(6)；
S4、接着将光吸收层(3)附着在电子传输层(2)上，并将空穴传输层(4)附着在其表面，然后蒸镀银电极，形成阴极层(5)，从而得到钙钛矿阵列太阳能电池；
所述S2中的磁控溅射方法为在密闭的磁控溅射操作腔体空间内，固定阳极层衬底基片(1)，以电子传输层(2)作为靶材，利用双极脉冲电源进行溅射至三分钟，结束后取出，所述S3中的光吸收层(3)为多个钙钛矿结构纳米晶(301)组成，所述电子传输层(2)为光吸收层(3)的骨架结构基础，所述空穴传输层(4)上设有多个均匀分布的通孔(401)，且多个通孔(401)与多个钙钛矿结构纳米晶(301)一一对应，所述电子传输层(2)的边缘区域设有防水膜(201)，所述防水膜(201)采用高分子防水材料制成，所述S3中的微观密封机构(6)包括与空穴传输层(4)的下端固定连接的多个均匀分布的圆形通框(601)，所述圆形通框(601)位于通孔(401)下端，且与其相对应，所述圆形通框(601)与通孔(401)内壁之间固定连接有柔性薄囊(603)，所述柔性薄囊(603)的内部填充有惰性气体，所述柔性薄囊(603)与钙钛矿结构纳米晶(301)相接触，相邻的两个所述圆形通框(601)之间固定连接有分隔棒(602)，相邻的两个所述圆形通框(601)和分隔棒(602)之间固定连接有多个相互交叉设置的分隔线(605)，所述柔性薄囊(603)的外端和内壁均固定连接有疏导纤维，所述分隔棒(602)和分隔线(605)的外端均设有疏导纤维(604)，所述疏导纤维(604)采用导水纤维材料制成，所述圆形通框(601)的直径与通孔(401)的直径相匹配，所述圆形通框(601)的直径大于钙钛矿结构纳米晶(301)的直径，所述柔性薄囊(603)的外端为空心筒状设置，所述柔性薄囊(603)的高度与钙钛矿结构纳米晶(301)的高度相匹配。
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| JP2016178295A (ja) * | 2015-03-18 | 2016-10-06 | 積水化学工業株式会社 | 太陽電池 |
| CN111315844A (zh) * | 2017-11-10 | 2020-06-19 | 克里公司 | 包含钙钛矿半导体的稳定化的发光纳米颗粒和制造方法 |
| WO2021019340A1 (en) * | 2019-07-29 | 2021-02-04 | King Abdullah University Of Science And Technology | Inkjet-printed perovskite nanowires based system and method |
| CN112582543A (zh) * | 2019-09-30 | 2021-03-30 | 上海黎元新能源科技有限公司 | 一种钙钛矿太阳能电池 |
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| Title |
|---|
| 钙钛矿太阳能电池研究进展;白宇冰 et al.;科学通报;20150601;第61卷(第4-5期);491、495 * |
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