CN117750849B - 一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法及电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法及电池，制备方法包括：将带有保护膜的柔性透明导电基底贴合在刚性基底上；通过激光划刻方式去除柔性透明导电基底上的部分导电层；依次制备电荷传输层、钙钛矿活性层和电荷传输层；通过激光划刻方式去除部分电荷传输层、钙钛矿活性层和电荷传输层；制备金属电极层；通过激光划刻方式去除部分金属电极层、电荷传输层、钙钛矿活性层和电荷传输层；将柔性透明导电基底与刚性基底分离得到大面积柔性钙钛矿太阳电池。本发明的三次激光划刻采用同一种波长激光，降低了生产成本；通过将柔性透明导电基底贴合在刚性基底上，解决了大面积柔性基底在制备太阳电池过程中易弯曲、难以进行激光划刻的问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法及电池。
背景技术
柔性钙钛矿太阳电池具有效率高、重量轻、可弯曲等特点，可广泛应用于可穿戴设备、物联网、临近空间飞行器等领域，有着广阔的应用前景和发展潜力。近年来，随着柔性钙钛矿太阳电池转换效率和稳定性的提升，对大面积柔性钙钛矿太阳电池制备的需求也越来越迫切。
专利CN109830609A公开了一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池及印刷制备方法，具体利用高温热风辅助印刷制备柔性钙钛矿太阳能电池；专利CN114335216A公开了一种四端叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，具体公开了一种采用柔性透明聚酰亚胺PI薄膜作为柔性基底的太阳能电池单元；专利CN115942852A公开了一种基于可原位交联有机小分子的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
但是，目前柔性钙钛矿太阳电池的制备多集中在单个柔性钙钛矿太阳电池上，很少有关于子电池单元制备及连接的专利，尤其是对于大面积柔性钙钛矿太阳电池，不同于玻璃等刚性基底，柔性基底越薄，越容易弯曲，很难通过激光划刻技术直接实现子电池单元的连接。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法及电池。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，包括：
步骤1：获取刚性基底和柔性透明导电基底，其中，所述柔性透明导电基底包括层叠设置的柔性衬底和导电层，所述柔性透明导电基底的上下表面均附有保护膜；
步骤2：将所述柔性透明导电基底粘贴在所述刚性基底的上表面，其中，所述柔性透明导电基底的导电层远离所述刚性基底；
步骤3：分离去除所述柔性透明导电基底的导电层上的保护膜；
步骤4：对器件的上表面进行第一次激光划刻，形成多个均匀间隔的第一划槽，其中，在所述第一划槽内导电层被去除；
步骤5：在激光划刻后的柔性透明导电基底的上表面自下而上依次制备第一电荷传输层、钙钛矿活性层和第二电荷传输层；
步骤6：对器件的上表面进行第二次激光划刻，形成多个均匀间隔的第二划槽，其中，在所述第二划槽内所述第二电荷传输层、所述钙钛矿活性层和所述第一电荷传输层被去除，所述第二划槽位于所述第一划槽的一侧，且与所述第一划槽之间存在间隔；
步骤7：在激光划刻后的第二电荷传输层的上表面制备金属电极层；
步骤8：对器件的上表面进行第三次激光划刻，形成多个均匀间隔的第三划槽，其中，在所述第三划槽内所述金属电极层、所述第二电荷传输层、所述钙钛矿活性层和所述第一电荷传输层被去除，所述第三划槽位于所述第二划槽的一侧，且与所述第二划槽之间存在间隔，所述第二划槽位于所述第一划槽和所述第三划槽之间；
步骤9：分离去除所述柔性透明导电基底的柔性衬底上的保护膜，得到大面积柔性钙钛矿太阳电池；
其中，所述第一划槽、所述第二划槽和所述第三划槽将所述大面积柔性钙钛矿太阳电池分割为多个串联的子电池单元。
本发明还提供了一种大面积柔性钙钛矿太阳电池，利用上述实施例所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，在制备过程中将柔性透明导电基底贴合在刚性基底，有效保证了柔性透明导电基底的平整度，然后通过激光划刻沟槽实现子电池单元之间的串联连接，最后将制备完成的钙钛矿太阳电池从刚性基底上分离，得到大面积柔性钙钛矿太阳电池，该制备方法操作简单，易于产业化，而且3次激光划刻采用相同的激光，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法的流程图；
图2~图10是本发明实施例提供的一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法的过程示意图；
图11是本发明实施例提供的一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的示意图；
图标：1-刚性基底；2-双面胶；3-柔性透明导电基底；31-柔性衬底；32-导电层；4-上层保护膜；5-下层保护膜；6-第一电荷传输层；7-钙钛矿活性层；8-第二电荷传输层；9-金属电极层；10-第一划槽；11-第二划槽；12-第三划槽。
具体实施方式
第一方面，本发明实施例提供了一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法的流程图，如图1所示，本实施例的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，包括：
步骤1：获取刚性基底和柔性透明导电基底；其中，柔性透明导电基底包括层叠设置的柔性衬底和导电层，柔性透明导电基底的上下表面均附有保护膜。
可选地，刚性基底可以是玻璃基底，也可以是其他可以承载柔性透明导电基底的刚性基底。
可选地，在柔性透明导电基底中，柔性衬底可以是PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）衬底、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）衬底或PI（聚酰亚胺）衬底，导电层可以是FTO（氟掺杂氧化锡）、ITO（氧化铟锡）、AZO（铝掺杂氧化锌）或GZO（镓掺杂氧化锌）层。在其他实施例中，柔性衬底和导电层还可以是能够实现柔性透明导电基底的其他材料，在此不做限制。
可以理解的是，柔性透明导电基底是市面上销售的商业化产品，柔性透明导电基底产品的上下表面附有保护膜，该保护膜一般为高分子材料。
步骤2：将柔性透明导电基底粘贴在刚性基底的上表面，其中，柔性透明导电基底的导电层远离刚性基底。
可选地，可以将带有保护膜的柔性透明导电基底通过双面胶贴合在刚性基底上，将柔性透明导电基底的柔性衬底侧保护膜贴在双面胶上。所使用的双面胶为商业化的产品。
具体而言，步骤2包括：
步骤2.1：在刚性基底的上表面粘贴双面胶；
步骤2.2：利用机械压合的方式将柔性透明导电基底的柔性衬底一侧的保护膜与双面胶粘贴。
在本实施例中，柔性透明导电基底的保护膜与柔性衬底之间的粘结力小于保护膜与双面胶之间的粘结力。
步骤3：分离去除柔性透明导电基底的导电层上的保护膜。
可选地，可以通过物理分离的方式将柔性透明导电基底的导电层上的保护膜分离去除。
步骤4：对器件的上表面进行第一次激光划刻，形成多个均匀间隔的第一划槽，其中，在第一划槽内导电层被去除。
可选地，可以采用激光波长为532nm的激光，激光入射方式为垂直于器件的上表面进行第一次激光划刻，去除柔性透明导电基底的部分导电层，将柔性透明导电基底分割为多个子单元，相邻第一划槽之间的间隔，也就是子单元的宽度为5~7mm。子单元的宽度可根据设计需要以及激光工艺设备而定。
步骤5：在激光划刻后的柔性透明导电基底的上表面自下而上依次制备第一电荷传输层、钙钛矿活性层和第二电荷传输层。
可选地，第一电荷传输层可以是电子传输层，包括ZnO、TiO2、PCBM（富勒烯衍生物）或SnO2层，在其他实施例中，电子传输层还可以是能够实现电子传输的其他材料，在此不做限制。可以通过电子束蒸发、热蒸发、刮涂或者狭缝涂布等制备工艺在激光划刻后的柔性透明导电基底的上表面制备第一电荷传输层。
可以理解的是，在电子传输层制备过程中，电子传输层材料会对第一划槽进行填充，由于电子传输层材料的电阻较大，可以认为通过第一次激光划刻形成的子单元之间是绝缘的。
可选地，钙钛矿活性层可以是有机无机杂化钙钛矿活性层或无机钙钛矿活性层。可以通过蒸发、刮涂或者狭缝涂布等制备工艺在第一电荷传输层的上表面制备钙钛矿活性层。
可选地，第二电荷传输层可以是空穴传输层，包括Spiro-OMeTAD（2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴）层、NiOx层或CuOx层，在其他实施例中，空穴传输层还可以是能够实现空穴传输的其他材料，在此不做限制。可以通过电子束蒸发、热蒸发、刮涂或者狭缝涂布等制备工艺在钙钛矿活性层的上表面制备第二电荷传输层。
此外，在另一种实现方式中，第一电荷传输层也可以是空穴传输层，此时第二电荷传输层为电子传输层。
步骤6：对器件的上表面进行第二次激光划刻，形成多个均匀间隔的第二划槽，其中，在第二划槽内第二电荷传输层、钙钛矿活性层和第一电荷传输层被去除。
可选地，可以采用激光波长为532nm的激光，激光入射方式为垂直于器件的上表面进行第二次激光划刻，去除部分第二电荷传输层、钙钛矿活性层和第一电荷传输层。
在本实施例中，第二划槽位于第一划槽的一侧，且与第一划槽之间存在间隔，相邻第二划槽之间的间隔为5~7mm，在第一划槽分割形成的一个子单元中，第二划槽与第一划槽的间隔为10~15μm。其中，第二划槽与第一划槽之间的间距可根据设计需要以及激光工艺设备而定。
步骤7：在激光划刻后的第二电荷传输层的上表面制备金属电极层。
可选地，可以利用热蒸发等制备工艺在激光划刻后的第二电荷传输层的上表面制备金属电极层。该金属电极层可以是Au、Ag或Cu电极层。
可以理解的是，在金属电极层制备过程中，金属电极层材料会对第二划槽进行填充，由于金属电极层材料的导电特性，可以认为金属电极层通过第二划槽与柔性透明导电基底的导电层连通。
步骤8：对器件的上表面进行第三次激光划刻，形成多个均匀间隔的第三划槽，其中，在第三划槽内金属电极层、第二电荷传输层、钙钛矿活性层和第一电荷传输层被去除。
可选地，可以采用激光波长为532nm的激光，激光入射方式为垂直于器件的上表面进行第三次激光划刻，去除金属电极层、第二电荷传输层、钙钛矿活性层和第一电荷传输层。
在本实施例中，第三划槽位于第二划槽的一侧，且与第二划槽之间存在间隔，相邻第三划槽之间的间隔为5~7mm，在一个子单元中，第二划槽位于第一划槽和述第三划槽之间，第三划槽与第二划槽的间隔为10~15μm。其中，第三划槽与第二划槽之间的间距可根据设计需要以及激光工艺设备而定。
需要说明的是，相比于现有技术中关于柔性透明导电基底的导电层的激光划刻需要采用1064nm或355nm实现，本发明实施例中三次激光划刻采用532nm的激光，降低了生产成本和工艺复杂程度。
步骤9：分离去除柔性透明导电基底的柔性衬底上的保护膜，得到大面积柔性钙钛矿太阳电池。
在本实施例中，在去除柔性透明导电基底的柔性衬底上的保护膜的同时，一并将与保护膜粘贴的双面胶和刚性基底去除，得到了大面积柔性钙钛矿太阳电池。
可以理解的是，在本实施例中，第一划槽、第二划槽和第三划槽将大面积柔性钙钛矿太阳电池分割为多个串联的子电池单元。
具体而言，一个子电池单元的柔性透明导电基底的导电层即电池正极，通过该子电池单元的第二划槽，与其相邻的后一个子电池单元的金属电极层即电池负极连接；该子电池单元的金属电极层即电池负极，通过与其相邻的前一个子电池单元的第二划槽，与前一个子电池单元的柔性透明导电基底的导电层即电池正极连接，从而形成多个串联的子电池单元的大面积柔性钙钛矿太阳电池。
需要说明的是，对于激光划刻工艺而言，工艺精度为纳米级，如果直接在大面积柔性透明导电基底上制备钙钛矿太阳电池，可能会由于大面积柔性透明导电基底不平整，而导致激光划刻时对柔性透明导电基底造成破坏，因此，在本发明实施例中将柔性透明导电基底贴合在刚性基底，确保了柔性透明导电基底的平整度。另外，在本发明中不直接将柔性透明导电基底的柔性衬底通过双面胶贴在刚性基底上，而是利用具有保护膜的柔性透明导电基底产品，将保护膜与刚性基底通过双面胶粘贴，可以避免大面积柔性钙钛矿太阳电池在制备完成后，分离其与刚性基底时对柔性透明导电基底造成破坏。
进一步地，请结合参见图2~图10，通过具体实施例对本发明的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法的过程进行详细说明。具体包括以下制备过程：
步骤（1）：将双面胶2粘贴在刚性基底1上，如图2所示。
步骤（2）：将带有上层保护膜4和下层保护膜5的柔性透明导电基底3贴在双面胶2上，粘贴方向为柔性透明导电基底3的柔性衬底31侧的下层保护膜5贴在双面胶2上，所使用的粘贴方式为机械压合的方式，如图3所示。
其中，在柔性透明导电基底3中柔性衬底31为PET基底，导电层32为ITO材料。
步骤（3）：将柔性透明导电基底3的导电层32侧的上层保护膜4进行分离去除，如图4所示。
步骤（4）：采用532nm激光对柔性透明导电基底3的导电层32进行第一次激光划刻，形成多个均匀间隔的第一划槽10，第一划槽10内导电层32被去除，如图5所示。
其中，激光入射方向为垂直于器件的上表面，激光划刻线宽即第一划槽10的宽度为40μm，激光划刻线的间距为5mm。
步骤（5）：采用狭缝涂布工艺，在激光划刻后的柔性透明导电基底3的导电层32的上表面制备二氧化锡电子传输层作为第一电荷传输层6，二氧化锡电子传输层的厚度为20nm。
步骤（6）：采用狭缝涂布工艺，在第一电荷传输层6上制备有机无机杂化钙钛矿活性层作为钙钛矿活性层7，有机无机杂化钙钛矿活性层的厚度为700nm。
步骤（7）：采用刮涂工艺，在钙钛矿活性层7上制备空穴传输层Spiro-OMeTAD作为第二电荷传输层8，空穴传输层Spiro-OMeTAD的厚度为20nm，如图6所示。
步骤（8）：采用532nm激光对第二电荷传输层8、钙钛矿活性层7和第一电荷传输层6进行第二次激光划刻，形成多个均匀间隔的第二划槽11，第二划槽11内第二电荷传输层8、钙钛矿活性层7和第一电荷传输层6被去除，如图7所示。
其中，激光入射方式为垂直于器件的上表面进，激光划刻线宽即第二划槽11的宽度为80um，激光划刻线间距5mm，第二划槽11与第一划槽10之间的距离为20μm。
步骤（9）：采用热蒸发工艺，在激光划刻后的第二电荷传输层8的上表面制备金属电极层9，金属电极层9的材料为金，如图8所示。
步骤（10）：采用532nm激光对金属电极层9、第二电荷传输层8、钙钛矿活性层7和第一电荷传输层6进行第三次激光划刻，形成多个均匀间隔的第三划槽12，第三划槽12内金属电极层9、第二电荷传输层8、钙钛矿活性层7和第一电荷传输层6被去除，如图9所示。
其中，激光入射方向为垂直于器件的上表面，激光划刻线宽即第三划槽12的宽度为150μm，激光划刻线的间距为5mm，第三划槽12和第二划槽11位于第一划槽10的同一侧，且第二划槽11位于第三划槽12和第一划槽10之间，第三划槽12第一划槽10之间的距离为20μm。
步骤（11）：将柔性透明导电基底3的柔性衬底31上的下层保护膜5分离去除，得到大面积柔性钙钛矿太阳电池，如图10所示。
在本实施例中，在去除柔性透明导电基底3的柔性衬底31上的下层保护膜5的同时，一并将与下层保护膜5粘贴的双面胶2和刚性基底1去除，得到了大面积柔性钙钛矿太阳电池。
本发明实施例的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，在制备过程中将柔性透明导电基底贴合在刚性基底，有效保证了柔性透明导电基底的平整度，然后通过激光划刻沟槽实现子电池单元之间的串联连接，最后将制备完成的钙钛矿太阳电池从刚性基底上分离，得到大面积柔性钙钛矿太阳电池，该制备方法操作简单，易于产业化，而且3次激光划刻采用相同的激光，降低了生产成本。
第二方面，本发明实施例提供了一种大面积柔性钙钛矿太阳电池，该大面积柔性钙钛矿太阳电池通过第一方面提供的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法制备得到的，该大面积柔性钙钛矿太阳电池包括多个串联的子电池单元，如图11所示的本发明实施例提供的一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的示意图。
关于该大面积柔性钙钛矿太阳电池的具体内容以及相应的有益效果，请参见第一方面提供的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法的相关内容，在此不做赘述。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”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。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取刚性基底和柔性透明导电基底，其中，所述柔性透明导电基底包括层叠设置的柔性衬底和导电层，所述柔性透明导电基底的上下表面均附有保护膜；
步骤2：将所述柔性透明导电基底粘贴在所述刚性基底的上表面，其中，所述柔性透明导电基底的导电层远离所述刚性基底；
步骤2包括：
步骤2.1：在所述刚性基底的上表面粘贴双面胶；
步骤2.2：利用机械压合的方式将所述柔性透明导电基底的柔性衬底一侧的保护膜与所述双面胶粘贴；
所述保护膜与所述柔性衬底之间的粘结力小于所述保护膜与双面胶之间的粘结力；
步骤3：分离去除所述柔性透明导电基底的导电层上的保护膜；
步骤4：对器件的上表面进行第一次激光划刻，形成多个均匀间隔的第一划槽，其中，在所述第一划槽内导电层被去除；
步骤5：在激光划刻后的柔性透明导电基底的上表面自下而上依次制备第一电荷传输层、钙钛矿活性层和第二电荷传输层；
步骤6：对器件的上表面进行第二次激光划刻，形成多个均匀间隔的第二划槽，其中，在所述第二划槽内所述第二电荷传输层、所述钙钛矿活性层和所述第一电荷传输层被去除，所述第二划槽位于所述第一划槽的一侧，且与所述第一划槽之间存在间隔；
步骤7：在激光划刻后的第二电荷传输层的上表面制备金属电极层；
步骤8：对器件的上表面进行第三次激光划刻，形成多个均匀间隔的第三划槽，其中，在所述第三划槽内所述金属电极层、所述第二电荷传输层、所述钙钛矿活性层和所述第一电荷传输层被去除，所述第三划槽位于所述第二划槽的一侧，且与所述第二划槽之间存在间隔，所述第二划槽位于所述第一划槽和所述第三划槽之间；
步骤9：分离去除所述柔性透明导电基底的柔性衬底上的保护膜，得到大面积柔性钙钛矿太阳电池；在去除所述柔性透明导电基底的柔性衬底上的保护膜的同时，一并将与保护膜粘贴的双面胶和刚性基底去除；
其中，所述第一划槽、所述第二划槽和所述第三划槽将所述大面积柔性钙钛矿太阳电池分割为多个串联的子电池单元。
2.根据权利要求1所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述刚性基底包括玻璃基底；所述柔性衬底包括PET衬底、PEN衬底或PI衬底，所述导电层包括FTO、ITO、AZO或GZO层。
3.根据权利要求1所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述第一次激光划刻、所述第二次激光划刻和所述第三次激光划刻均采用波长为532nm的激光，激光入射方式均为垂直于器件的上表面。
4.根据权利要求3所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，相邻所述第一划槽之间的间隔、相邻所述第二划槽之间的间隔和相邻所述第三划槽之间的间隔均为5～7mm。
5.根据权利要求1所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，在所述子电池单元中，所述第二划槽与所述第一划槽之间的间隔为10～15μm，所述第二划槽与所述第三划槽之间的间隔为10～15μm。
6.根据权利要求1所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述第一电荷传输层为电子传输层，所述第二电荷传输层为空穴传输层，或者，所述第一电荷传输层为空穴传输层，所述第二电荷传输层为电子传输层；
其中，所述电子传输层包括：ZnO、TiO2、PCBM或SnO2层；
所述空穴传输层包括：Spiro-OMeTAD层、NiOx层或CuOx层。
7.根据权利要求1所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿活性层包括有机无机杂化钙钛矿活性层或无机钙钛矿活性层。
8.一种大面积柔性钙钛矿太阳电池，其特征在于，利用权利要求1～7任一项所述的大面积柔性钙钛矿太阳电池的制备方法制备得到。
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|---|---|---|---|
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