CN115295666A - 无基底的钙钛矿电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种无基底的钙钛矿电池及其制备方法,包括以下步骤:在基底上旋涂有PTAA层;在PTAA层上自下而上依次制备空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属电极,得到有基底的pin型钙钛矿电池;或者在PTAA层上自下而上依次制备电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极,得到有基底的nip型钙钛矿电池,将有基底的pin型钙钛矿电池或有基底的nip型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,使PTAA层溶解,基底脱离,在电池下端制备底部透明电极层,得到无基底的pin型钙钛矿电池或无基底的nip型钙钛矿电池。通过本发明的制备方法制备出无基底的钙钛矿电池,进而制备出基于钙钛矿的两端叠层电池,提高两端叠层电池的光电转换效率,制备方式简单易行,应用前景广。

Description

无基底的钙钛矿电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及钙钛矿电池技术领域,尤其涉及一种无基底的钙钛矿电池及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜电池,既然是薄膜电池,就需要有基底(Substrate)。基底的存在,是因为制备工艺需要。制备时,先在导电玻璃(Glass/ITO)上制备空穴传输层(HTM)或电子传输层(ETM),然后依次向上制备,最后得到完整的钙钛矿太阳能电池。
为了实现更高的光电转换效率,越来越多的研究开始关注将钙钛矿太阳能电池与其它的高效率电池组成叠层电池。
两端叠层电池结构的其中一个特点就是需要两个电池的制备工艺相互匹配,如图1所示,在制备钙钛矿顶电池的时候,钙钛矿顶电池的制备工艺必须不能对下面的底电池造成破坏,这无形中限制了制备工艺。如果能够制备出无基底的钙钛矿电池,那么对于基于钙钛矿的两端叠层电池(如钙钛矿/硅叠层,钙钛矿/钙钛矿叠层,钙钛矿/CIGS叠层,钙钛矿/CdTe叠层)的制备会很有帮助。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无基底的钙钛矿电池及其制备方法,通过制备出的无基底的钙钛矿电池,进而制备出基于钙钛矿的两端叠层电池。
本申请实施例一方面提出一种无基底的钙钛矿电池的制备方法,包括以下步骤:
提供基底;
在所述基底上旋涂有PTAA层;
在所述PTAA层上自下而上依次制备空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属电极,得到有基底的pin型钙钛矿电池;或者在所述PTAA层上自下而上依次制备电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极,得到有基底的nip型钙钛矿电池,其中,空穴传输层和电子传输层采用不溶于氯苯的材质;
将所述有基底的pin型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层溶解,基底脱离后,在空穴传输层下端制备底部透明电极层,得到无基底的pin型钙钛矿电池;或将所述有基底的nip型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层溶解,基底脱离后,在电子传输层下端制备底部透明电极层,得到无基底的nip型钙钛矿电池。
通过本发明的制备方法制备出无基底的钙钛矿电池,进而制备出基于钙钛矿的两端叠层电池,提高两端叠层电池的光电转换效率,制备方式简单易行。
在一些实施例中,在制备所述无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,空穴传输层为NiOx层,通过电子束蒸发或者磁控溅射的方式在PTAA层上端制备,NiOx层的厚度为10-100nm。
在一些实施例中,在制备所述无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,电子传输层为SnO2层,采用原子层沉积的方法在钙钛矿层上端制备,SnO2层的厚度不超过50nm。
在一些实施例中,在制备所述无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,电子传输层为SnO2层,采用原子层沉积的方法在PTAA层上端制备,SnO2层的厚度为10nm~100nm。
在一些实施例中,在制备所述无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,空穴传输层为MoOx层,MoOx层在钙钛矿层上通过热蒸发法制备,厚度不超过50nm。
在一些实施例中,所述金属电极的材质为Cu或Au。
在一些实施例中,在制备所述无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,当金属电极的厚度小于等于15nm时,金属电极和电子传输层之间制备有顶部透明电极层;在制备所述无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,当金属电极的厚度小于等于15nm时,金属电极和空穴传输层之间制备有顶部透明电极层。
在一些实施例中,所述底部透明电极层的厚度小于等于50nm。
本申请实施例另一方面提出一种上述的制备方法制备出的无基底的钙钛矿电池。
本申请实施例第三方面提出一种上述的无基底的钙钛矿电池在两端叠层电池制备中的应用。
本申请实施例第四方面提出一种利用上述的无基底的钙钛矿电池制备出的两端叠层电池,将所述无基底的钙钛矿电池直接放置或固定于未制备顶部电极的底电池或顶电池的上界面处。
本发明的有益效果为:
(1)通过本发明的制备方法制备出无基底的钙钛矿电池,进而制备出基于钙钛矿的两端叠层电池,提高两端叠层电池的光电转换效率,制备方式简单易行。
(2)通过本发明制备出的无基底的钙钛矿电池,应用前景广,可应用于可穿戴设备、光伏建筑—体化等领域。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,
其中:
图1为现有技术中两端叠层电池的结构示意图;
图2为本发明实施例1中的无基底的pin型钙钛矿电池的制备方法的流程图;
图3为本发明实施例2中的半透明的无基底的pin型钙钛矿电池的制备方法的流程图;
图4为本发明实施例3中的无基底的nip型钙钛矿电池的制备方法的流程图;
图5为本发明实施例4中的半透明的无基底的nip型钙钛矿电池的制备方法的流程图;
图6为钙钛矿晶体的ABX3结构的示意图;
图7为现有技术中的一些电池的带隙和电池转换效率的关系图;
图8为本发明实施例5中的钙钛矿/CdTe两端叠层电池的结构示意图;
图9为本发明实施例6中的半透明的钙钛矿/CdTe两端叠层电池的结构示意图;
图10为本发明实施例7中的半透明的钙钛矿/CIGS两端叠层电池的结构示意图;
附图标记:
1-基底;2-PTAA层;3-NiOx层;4-钙钛矿层;5-SnO2层;6-金属电极;7-底部透明电极层;8-MoOx层;9-顶部透明电极层;10-CdTe顶电池;11-CdTe底电池;12-CIGS底电池。
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。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。
下面参考附图描述本发明实施例的无基底的钙钛矿电池及其制备方法。
如图2~5所示,本申请实施例一方面提出一种无基底的钙钛矿电池的制备方法,包括以下步骤:
提供基底1;
在基底1上旋涂有PTAA层2;
在PTAA层2上自下而上依次制备空穴传输层、钙钛矿层4、电子传输层和金属电极6,得到有基底的pin型钙钛矿电池。或者在PTAA层2上自下而上依次制备电子传输层、钙钛矿层4、空穴传输层和金属电极6,得到有基底的nip型钙钛矿电池,其中,空穴传输层和电子传输层采用不溶于氯苯的材质;
将有基底的pin型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层2溶解,基底1脱离后,在空穴传输层下端制备底部透明电极层7,得到无基底的pin型钙钛矿电池;或将有基底的nip型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层2溶解,基底1脱离后,在电子传输层下端制备底部透明电极层7,得到无基底的nip型钙钛矿电池。
需要说明的是,设置底部透明电极层7是为了在制备两端叠层电池的过程中起到隧穿结的作用,用于连接两个子电池。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的pin型钙钛矿电池或无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,基底1为导电玻璃(Glass)。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的pin型钙钛矿电池或无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,PTAA层2由PTAA溶液旋涂于洁净的基底而构成,PTAA溶液由PTAA粉末溶解于氯苯制备而成,PTAA溶液的浓度为2mg/mL,将PTAA溶液在基底1上旋涂40s,转速为2000rpm,旋涂后立即放置于100℃热台加热处理10min。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,空穴传输层限定为NiOx层3,通过电子束蒸发或者磁控溅射的方式在PTAA层2上端制备,NiOx层3的厚度为10-100nm。是因为致密的氧化镍为金属氧化物,可以在剥离PTAA后在NiOx层3底部制备TCO时充当阻挡层,避免PVD制备TCO时高能粒子穿过NiOx层3损伤钙钛矿层4,NiOx层3过薄的话就没有阻挡效果。进一步的,使用纯度为99.9%的氧化镍靶材,通过磁控溅射或者电子束蒸发的方式制备,镀膜厚度为10-100nm。可根据实际情况,制备完成后适当退火。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的pin型钙钛矿电池或无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,钙钛矿层4的制备方法为溶液法或者真空法。优选采用溶液法,其中溶液法包括但不限定为旋涂、刮涂、狭缝涂布的方法。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,电子传输层限定为SnO2层5,采用原子层沉积的方法(ALD)在钙钛矿层4上端制备,SnO2层5的厚度不超过50nm,优选为1-50nm。ALD制备的氧化锡均匀致密,厚度限定在50nm以内是因为如果超过50nm,基底在剥离时SnO2层5容易发生断裂。电子传输层不能采用常用的富勒烯C60,因为富勒烯C60会在氯苯中溶解。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的pin型钙钛矿电池或无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,金属电极6的材质为Cu或Au,不适用银,原因是银的延展性不好,金和铜的良好延展性可以保证在基底剥离时整个器件不发生断裂。金属电极6采用热蒸发法制备,厚度为1-300nm。如果需要制备顶部透光的半透明电池,则金属电极6的厚度需限定为15nm以内,即小于等于15nm,以保证透光性。需要指出的是,本发明中的金属电极6不能设计成栅线结构,因为要保证金属电极的延展性,只能降低厚度,不能改成栅线结构。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,电子传输层限定为SnO2层5,采用原子层沉积的方法(ALD)在PTAA层2上端制备,SnO2层5的厚度为10nm~100nm。限定使用SnO2层5且对其厚度进行限定,是由于ALD制备的氧化锡均匀致密,至少10nm才能有良好的阻挡作用。可以在剥离PTAA后在SnO2层5底部制备TCO时充当阻挡层,避免PVD制备TCO时高能粒子穿过SnO2层5损伤钙钛矿层4。
在一些具体的实施例中,在制备无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,空穴传输层限定为MoOx层8,是因为传统常用的空穴传输层材料溶于氯苯。而且MoOx层8厚度不能过厚,优选为1-50nm,超过50nm的话基底在剥离时MoOx层8容易发生断裂。MoOx层8在钙钛矿层4上通过热蒸发法制备。空穴传输层不能采用更为常用的PTAA、PolyTPD、Spiro-TTB等,因为这些传统材料会在氯苯中溶解。
进一步的,底部透明电极层7的具体材料为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。制备方式为PVD或RPD。
在一些具体的实施例中,底部透明电极层7的厚度小于等于50nm。底部透明电极层7是柔软质地,形成软膜,具有延展性,当安装于底电池或顶电池上端组成两端叠层电池时,底部透明电极层7可与底电池或顶电池上端的粗糙接触面相贴合,对两端叠层电池的效率不会产生影响。
可选的,如果需要制备顶部透光的透明电池结构,在制备无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,金属电极6和电子传输层之间制备有顶部透明电极层9,即在Au/Cu电极与SnO2层5之间插入透明电极TCO;在制备无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,金属电极6和空穴传输层之间制备有顶部透明电极层9,即在Au/Cu电极与MoOx层8之间插入透明电极TCO。
进一步的,顶部透明电极层9的具体材料为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。制备方式为PVD或RPD。顶部透明电极层9的厚度为1-100nm。
需要说明的是,即使是在加入顶部透明电极层9后,SnO2层5与MoOx层8的制备工艺也无需更改。因为MoOx层8为金属氧化物,致密,可以充当制备顶部透明电极层9时的阻挡层材料。
本申请实施例另一方面提出一种上述的制备方法制备出的无基底的钙钛矿电池。包括无基底的pin型钙钛矿电池与无基底的nip型钙钛矿电池。
其中,无基底的pin型钙钛矿电池包括自下而上依次设置的底部透明电极层7、空穴传输层、钙钛矿层4、电子传输层和金属电极6,具体为底部透明电极层7、NiOx层3、钙钛矿层4、SnO2层5和Cu/Au电极。其中,NiOx层3的厚度为10-100nm,SnO2层5的厚度为1-50nm,Cu/Au电极的厚度为1-300nm。
如果需要制备顶部透光的半透明电池,Cu/Au电极的厚度为1-15nm(含15nm)。可选的,可在Cu/Au电极和SnO2层5之间制备有顶部透明电极层9,制备顶部透明电极层9后使得整体半透明电池的稳定性提高,电池效率提高。如果制备成顶部不透光的电池,Cu/Au电极的厚度为15-300nm(不含15nm),且无需制备顶部透明电极层9。
其中,无基底的nip型钙钛矿电池包括自下而上依次设置的底部透明电极层7、电子传输层、钙钛矿层4、空穴传输层和金属电极6,具体为底部透明电极层7、SnO2层5、钙钛矿层4、MoOx层8和Cu/Au电极。其中,SnO2层5的厚度为10nm~100nm,MoOx层8的厚度为1-50nm,Cu/Au电极的厚度为1-300nm。
如果需要制备顶部透光的半透明电池,Cu/Au电极的厚度为1-15nm(含15nm)。可选的,可在Cu/Au电极和MoOx层8之间制备有顶部透明电极层9,制备顶部透明电极层9后使得整体半透明电池的稳定性提高,电池效率提高。如果制备成顶部不透光的电池,Cu/Au电极的厚度为15-300nm(不含15nm),且无需制备顶部透明电极层9。
顶部透明电极层9和底部透明电极层7的具体材料均为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。顶部透明电极层9的厚度为1-100nm。
传统不透明的电池的入光方向为自下向上,顶部透光的半透明电池的入光方向为自上向下。如图3、5中的箭头所示。
本申请实施例第三方面提出一种上述的无基底的钙钛矿电池在两端叠层电池制备中的应用。
本申请实施例第四方面提出一种利用上述的无基底的钙钛矿电池制备出的两端叠层电池,将无基底的钙钛矿电池直接放置或固定于未制备顶部电极的底电池或顶电池的上界面处。
在一些具体的实施例中,无基底的钙钛矿电池可直接放置于未制备顶部电极的底电池或顶电池上端,也可使用EVA胶将无基底的钙钛矿电池粘接于未制备顶部电极的底电池或顶电池上端。
两端叠层电池中其中一个电池为宽带隙电池,另一个电池为窄带隙电池,入光方向为从宽带隙电池至窄带隙电池。光先通过宽带隙电池,短波长光被利用,长波长光进入窄带隙电池,长波长光被利用。如图6所示,钙钛矿晶体结构为ABX3结构,其中A为Cs、MA或FA,B为Pb或Sn,X为Cl、Br或I。通过调节ABX3里面的元素种类,可以调节钙钛矿电池的带隙,钙钛矿电池的带隙可通过组分调控在1.1~2.3eV之间灵活调节,既可以制备成宽带隙电池,也可以制备成窄带隙电池。通过该技术制备两端叠层电池,制备成本低,电池效率增长最快。
需要说明的是,现有技术中两端叠层电池的效率还不如构成两端叠层电池的单独钙钛矿电池的效率高。比如CIGS电池和CdTe电池,现有的电池效率已经大于20%,但是和钙钛矿电池发生叠层后,电池效率很不乐观。其中CIGS电池与钙钛矿电池的两端叠层电池的电池效率目前最高为24.2%,这比单节钙钛矿电池的最高效率25.7%还低。而CdTe电池与钙钛矿电池的两端叠层电池几乎没有报道。这两种电池与钙钛矿电池结合的困难都在于界面处理。传统的制备方法来说,必须把连接处的界面抛光,降低粗糙度,才容易在上面制备钙钛矿层。由于界面粗糙度较高,就会影响到钙钛矿结晶的均匀度,整体的电池性能就会下降。如图7所示,为一些电池的带隙和现有的电池转换效率,图中的箭头表示钙钛矿电池可制作的带隙在1.1~2.3eV之间。图中的实线S-Q limit为对应带隙的极限效率,而叠层电池的意义在于可以突破图中的实线S-Q limit,因为叠层电池扩展了太阳光谱的利用范围。通过本发明的制备方法,可以避免工艺匹配的限制,将本身需要进行工艺匹配的两端叠层电池的制备分成互不相干的两个子电池的单独制备,理论上可以较容易制备出实际大于30%的两端叠层电池。
现有的CdTe电池的制备方法比较严苛,需要CdCl2进行处理,这样就会造成器件上可能有CdCl2残留,而钙钛矿电池的钙钛矿层的制备方法通常为溶液法,残留的CdCl2会对在CdTe电池基底上制备的钙钛矿层产生影响,会导致整体的两端叠层电池效率降低。本发明的制备方法将钙钛矿电池的制备给剥离出来,将无基底的钙钛矿电池制备好后直接放置或固定在CdTe电池上即可,残留的CdCl2不会对钙钛矿层造成影响,也不会对整体的两端叠层电池效率造成影响。
现有的CIGS电池,难点在于CIGS电池的上界面是粗糙的,如果作为另一个电池的基底,加工会很困难,因为钙钛矿电池更容易在光滑平面上制备出高效率的叠层电池。如果把CIGS电池的界面抛光,做光滑,CIGS电池本身效率又会下降,所以现有的CIGS钙钛矿两端叠层电池,实际的最高效率才24.2%,就是因为界面粗糙的问题。CdTe电池同样也存在上界面粗糙的问题,不利于钙钛矿层的制备。本发明将两端叠层电池的制备方法分成两个子电池的制备,由于底部透明电极层7为柔软质地,可与CIGS电池上界面相贴合,即使上界面粗糙也不会对两端叠层电池的效率产生影响。
如图8-9所示,CdTe电池为薄膜电池,将CdTe电池去掉背电极,或者背电极和背接触层二者都去掉(背接触层主要作用在于降低CdTe与金属电极接触势垒,因此可以选择性的去掉),作为CdTe顶电池或底电池。具体的,在制备CdTe电池时是自下而上进行制备的,最终不制备背电极或者背电极和背接触层即可。然后将本发明制备出的无基底的钙钛矿电池直接转移到CdTe顶电池或底电池上,即制备出钙钛矿/CdTe两端叠层电池。当钙钛矿电池为不透明电池时,入光方向为自下而上,此时,CdTe作为顶电池。当钙钛矿电池为半透明电池时,入光方向为自上而下,此时,CdTe作为底电池。
如图10所示,CIGS电池为薄膜电池,将CIGS电池的上电极Al去掉,或者上电极Al和减反射层MgF2二者都去掉,作为CIGS顶电池或底电池。具体的,在制备CIGS电池时是自下而上进行制备的,最终不制备上电极Al即可。然后将本发明制备出的无基底的钙钛矿电池直接转移到CIGS顶电池或底电池上,即制备出钙钛矿/CIGS两端叠层电池。当钙钛矿电池为不透明电池时,入光方向为自下而上,此时,CIGS作为顶电池。当钙钛矿电池为半透明电池时,入光方向为自上而下,此时,CIGS作为底电池。
无论是CdTe还是CIGS,都是薄膜太阳能电池。钙钛矿电池也是薄膜太阳能电池。因此制备出来的两端叠层电池也是叠层薄膜太阳能电池。
上述所提及的电池效率为光电转换效率。
以下通过具体的实施例对本发明的无基底的钙钛矿电池的制备方法进行进一步阐述。
实施例1
如图2所示,一种顶部不透明的无基底的pin型钙钛矿电池的制备方法,包括以下步骤:
(1)导电玻璃作为基底1。
(2)在基底1上旋涂有PTAA层2;其中,PTAA层2由PTAA溶液旋涂于洁净的基底1而构成,PTAA溶液由PTAA粉末溶解于氯苯制备而成,PTAA溶液的浓度为2mg/mL,将PTAA溶液在基底1上旋涂40s,转速为2000rpm,旋涂后立即放置于100℃热台加热处理10min。
(3)在PTAA层2上制备NiOx层3;其中,NiOx层3的厚度为10-100nm。使用纯度为99.9%的氧化镍靶材,通过磁控溅射或者电子束蒸发的方式制备,镀膜厚度为10-100nm。可根据实际情况,制备完成后适当退火。
(4)在NiOx层3上制备钙钛矿层4;钙钛矿层4的制备方法采用溶液法。
(5)在钙钛矿层4上制备SnO2层5;采用原子层沉积的方法(ALD)在钙钛矿层4上端制备,SnO2层5的厚度为1-50nm。
(6)在SnO2层5上制备金属电极6,得到有基底的pin型钙钛矿电池;其中,金属电极6的材质为Cu或Au,采用热蒸发法制备,厚度为15-300nm。
(7)将有基底的pin型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层2溶解,基底1脱离。
(8)在NiOx层3下端制备底部透明电极层7,得到无基底的pin型钙钛矿电池。其中,底部透明电极层7的厚度小于等于50nm。底部透明电极层7的具体材料为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。制备方式为PVD或RPD。
实施例2
如图3所示,一种顶部半透明的无基底的pin型钙钛矿电池的制备方法,包括以下步骤:
(1)导电玻璃作为基底1。
(2)在基底1上旋涂有PTAA层2;其中,PTAA层2由PTAA溶液旋涂于洁净的基底1而构成,PTAA溶液由PTAA粉末溶解于氯苯制备而成,PTAA溶液的浓度为2mg/mL,将PTAA溶液在基底1上旋涂40s,转速为2000rpm,旋涂后立即放置于100℃热台加热处理10min。
(3)在PTAA层2上制备NiOx层3;其中,NiOx层3的厚度为10-100nm。使用纯度为99.9%的氧化镍靶材,通过磁控溅射或者电子束蒸发的方式制备,镀膜厚度为10-100nm。可根据实际情况,制备完成后适当退火。
(4)在NiOx层3上制备钙钛矿层4;钙钛矿层4的制备方法采用溶液法。
(5)在钙钛矿层4上制备SnO2层5;采用原子层沉积的方法(ALD)在钙钛矿层4上端制备,SnO2层5的厚度为1-50nm。
(6)在SnO2层5上制备顶部透明电极层9。
(7)在顶部透明电极层9上制备金属电极6,得到有基底的pin型钙钛矿电池;其中,金属电极6的材质为Cu或Au,采用热蒸发法制备,厚度为1-15nm。
(8)将有基底的pin型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层2溶解,基底1脱离。
(9)在NiOx层3下端制备底部透明电极层7,得到无基底的pin型钙钛矿电池。其中,底部透明电极层7的厚度小于等于50nm。底部透明电极层7的具体材料为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。制备方式为PVD或RPD。
实施例3
如图4所示,一种顶部不透明的无基底的nip型钙钛矿电池的制备方法,包括以下步骤:
(1)导电玻璃作为基底1。
(2)在基底1上旋涂有PTAA层2;其中,PTAA层2由PTAA溶液旋涂于洁净的基底1而构成,PTAA溶液由PTAA粉末溶解于氯苯制备而成,PTAA溶液的浓度为2mg/mL,将PTAA溶液在基底1上旋涂40s,转速为2000rpm,旋涂后立即放置于100℃热台加热处理10min。
(3)在PTAA层2上制备SnO2层5;其中,SnO2层5的厚度为10-100nm。采用原子层沉积的方法(ALD)在PTAA层2上端制备。
(4)在SnO2层5上制备钙钛矿层4;钙钛矿层4的制备方法采用溶液法。
(5)在钙钛矿层4上制备MoOx层8;MoOx层8的厚度为1-50nm,通过热蒸发法制备。
(6)在MoOx层8上制备金属电极6,得到有基底的nip型钙钛矿电池;其中,金属电极6的材质为Cu或Au,采用热蒸发法制备,厚度为15-300nm。
(7)将有基底的nip型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层2溶解,基底1脱离。
(8)在SnO2层5下端制备底部透明电极层7,得到无基底的nip型钙钛矿电池。其中,底部透明电极层7的厚度小于等于50nm。底部透明电极层7的具体材料为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。制备方式为PVD或RPD。
实施例4
如图5所示,一种顶部半透明的无基底的nip型钙钛矿电池的制备方法,包括以下步骤:
(1)导电玻璃作为基底1。
(2)在基底1上旋涂有PTAA层2;其中,PTAA层2由PTAA溶液旋涂于洁净的基底1而构成,PTAA溶液由PTAA粉末溶解于氯苯制备而成,PTAA溶液的浓度为2mg/mL,将PTAA溶液在基底1上旋涂40s,转速为2000rpm,旋涂后立即放置于100℃热台加热处理10min。
(3)在PTAA层2上制备SnO2层5;其中,SnO2层5的厚度为10-100nm。采用原子层沉积的方法(ALD)在PTAA层2上端制备。
(4)在SnO2层5上制备钙钛矿层4;钙钛矿层4的制备方法采用溶液法。
(5)在钙钛矿层4上制备MoOx层8;MoOx层8的厚度为1-50nm,通过热蒸发法制备。
(6)在MoOx层8上制备顶部透明电极层9。
(7)在顶部透明电极层9上制备金属电极6,得到有基底的nip型钙钛矿电池;其中,金属电极6的材质为Cu或Au,采用热蒸发法制备,厚度为1-15nm。
(8)将有基底的nip型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层2溶解,基底1脱离。
(9)在SnO2层5下端制备底部透明电极层7,得到无基底的nip型钙钛矿电池。其中,底部透明电极层7的厚度小于等于50nm。底部透明电极层7的具体材料为IWO、ITO、IZO、ICO中一种或者多种的组合。制备方式为PVD或RPD。
以下通过具体的实施例对本发明的无基底的钙钛矿电池在两端叠层电池制备中的应用进行进一步阐述。
实施例5
如图8所示,采用现有的CdTe薄膜电池与本发明的无基底的钙钛矿电池制备成钙钛矿/CdTe两端叠层电池。具体方法为:
(1)制备CdTe薄膜电池:自下而上依次制备玻璃衬底、TCO层、CdS窗口层、CdTe吸收层和背接触层,作为CdTe顶电池10。
(2)选用实施例3的顶部不透明的无基底的nip型钙钛矿电池,其中,该钙钛矿电池为窄带隙电池。将该钙钛矿电池直接放置或贴合于CdTe顶电池10上端界面,组成钙钛矿/CdTe两端叠层电池。入光方向为自下而上。
实施例6
如图9所示,采用现有的CdTe薄膜电池与本发明的无基底的钙钛矿电池制备成钙钛矿/CdTe两端叠层电池。具体方法为:
(1)制备CdTe薄膜电池:自下而上依次制备玻璃衬底、TCO层、CdS窗口层、CdTe吸收层和背接触层,作为CdTe底电池11。
(2)选用实施例4的顶部半透明的无基底的nip型钙钛矿电池,其中,该钙钛矿电池为宽带隙电池。将该钙钛矿电池直接放置或贴合于CdTe底电池11上端界面,组成钙钛矿/CdTe两端叠层电池。入光方向为自上而下。
实施例7
如图10所示,采用现有的CIGS薄膜电池与本发明的无基底的钙钛矿电池制备成钙钛矿/CIGS两端叠层电池。具体方法为:
(1)制备CIGS薄膜电池:自下而上依次制备玻璃衬底(或柔性衬底)、背电极Mo、吸收层Cu(In,Ga)Se2、缓冲层CdS、窗口层i-ZnO、窗口层ZnO:Al、减反射层MgF2作为CIGS底电池12。
(2)选用实施例2的顶部半透明的无基底的pin型钙钛矿电池,其中,该钙钛矿电池为宽带隙电池。将该钙钛矿电池直接放置或贴合于CIGS底电池12上端界面,组成钙钛矿/CIGS两端叠层电池。入光方向为自上而下。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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,也可以是电连接或彼此可通讯;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。
在本发明中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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须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.无基底的钙钛矿电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供基底;
在所述基底上旋涂有PTAA层;
在所述PTAA层上自下而上依次制备空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属电极,得到有基底的pin型钙钛矿电池;或者在所述PTAA层上自下而上依次制备电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极,得到有基底的nip型钙钛矿电池,其中,空穴传输层和电子传输层采用不溶于氯苯的材质;
将所述有基底的pin型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层溶解,基底脱离后,在空穴传输层下端制备底部透明电极层,得到无基底的pin型钙钛矿电池;或将所述有基底的nip型钙钛矿电池浸泡于氯苯中,直至将PTAA层溶解,基底脱离后,在电子传输层下端制备底部透明电极层,得到无基底的nip型钙钛矿电池。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在制备所述无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,空穴传输层为NiOx层,通过电子束蒸发或者磁控溅射的方式在PTAA层上端制备,NiOx层的厚度为10-100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在制备所述无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,电子传输层为SnO2层,采用原子层沉积的方法在钙钛矿层上端制备,SnO2层的厚度不超过50nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在制备所述无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,电子传输层为SnO2层,采用原子层沉积的方法在PTAA层上端制备,SnO2层的厚度为10nm~100nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在制备所述无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,空穴传输层为MoOx层,MoOx层在钙钛矿层上通过热蒸发法制备,厚度不超过50nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述金属电极的材质为Cu或Au。
7.根据权利要求1~6任一项所述的制备方法,其特征在于,在制备所述无基底的pin型钙钛矿电池的过程中,当金属电极的厚度小于等于15nm时,金属电极和电子传输层之间制备有顶部透明电极层;在制备所述无基底的nip型钙钛矿电池的过程中,当金属电极的厚度小于等于15nm时,金属电极和空穴传输层之间制备有顶部透明电极层。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述底部透明电极层的厚度小于等于50nm。
9.一种权利要求1~8所述的制备方法制备出的无基底的钙钛矿电池。
10.一种利用权利要求9所述的无基底的钙钛矿电池制备出的两端叠层电池,其特征在于,将所述无基底的钙钛矿电池直接放置或固定于未制备顶部电极的底电池或顶电池的上界面处。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103681886A (zh) * 2013-12-26 2014-03-26 中国科学院物理研究所 用于钙钛矿基薄膜太阳电池的支架层及其制备方法
CN107564989A (zh) * 2017-07-20 2018-01-09 南开大学 一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计
CN109778315A (zh) * 2019-01-02 2019-05-21 北京科技大学 一种自支撑稀土镍基钙钛矿无衬底薄膜的制备方法
CN110518121A (zh) * 2019-07-19 2019-11-29 华南师范大学 一种柔性钙钛矿太阳能电池的转移方法
CN111244229A (zh) * 2020-02-11 2020-06-05 信利半导体有限公司 一种可挠曲的透明薄膜太阳能电池制作方法
US20210029830A1 (en) * 2018-03-26 2021-01-28 Applied Materials, Inc. Method for producing a flexible device, flexible electronic device and flexible arrangement of a plurality of electronic devices
CN113193125A (zh) * 2021-04-15 2021-07-30 北京大学 一种高功率质量比的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103681886A (zh) * 2013-12-26 2014-03-26 中国科学院物理研究所 用于钙钛矿基薄膜太阳电池的支架层及其制备方法
CN107564989A (zh) * 2017-07-20 2018-01-09 南开大学 一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计
US20210029830A1 (en) * 2018-03-26 2021-01-28 Applied Materials, Inc. Method for producing a flexible device, flexible electronic device and flexible arrangement of a plurality of electronic devices
CN109778315A (zh) * 2019-01-02 2019-05-21 北京科技大学 一种自支撑稀土镍基钙钛矿无衬底薄膜的制备方法
CN110518121A (zh) * 2019-07-19 2019-11-29 华南师范大学 一种柔性钙钛矿太阳能电池的转移方法
CN111244229A (zh) * 2020-02-11 2020-06-05 信利半导体有限公司 一种可挠曲的透明薄膜太阳能电池制作方法
CN113193125A (zh) * 2021-04-15 2021-07-30 北京大学 一种高功率质量比的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法

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