CN204792920U - 一种使用金属透明电极的太阳能电池 - Google Patents

Abstract

一种使用金属透明电极的太阳能电池，包括金属对电极层、金属透明电极层以及位于金属对电极层和金属透明电极层之间的活性钙钛矿层，可在金属对电极层与活性钙钛矿层之间设置电子传输层或空穴传输层，金属透明电极层与活性钙钛矿层之间设置空穴传输层或电子传输层，还可在电子传输层与金属透明电极层之间设置半导体致密层，本实用新型采用具有高透光性的金属纳米线网状导电薄膜作为金属透明电极层，其导电性、透光率及可挠性大大优于前述的半导体金属氧化物。

Description

一种使用金属透明电极的太阳能电池

技术领域

本实用新型属于薄膜太阳能电池器件的设计和制备技术领域，特别涉及一种使用金属透明电极的太阳能电池。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和其使用所带来的高昂的环境成本，可再生清洁能源的开发和利用受到广泛的关注。太阳能光伏发电技术和产品在全球范围内得到了高速增长，成为最具潜力的清洁能源。近年来发现的钙钛矿型太阳能电池由于高转换效率、低成本、环境友善、可挠式产品化等优点备受关注。

透明电极是钙钛矿型太阳能电池结构中的关键部分之一，起到将太阳电池产生的光电流传导到外电路的作用。透明电极需要具有以下特性：高导电性、高透光率以及产业化需要的柔性(可挠性)；此外，在大规模生产的要求下，还需要具有低成本、易合成、适合大规模制备等特点。目前常用的透明电极为FTO(掺氟氧化锡)、ITO(氧化铟锡)、AZO(掺铝氧化锌)等，这类金属氧化物半导体类的透明电极除了具备90％左右较高透光率的优势之外，其导电性、可挠性均较差；此外其生产大多需要使用磁控溅射、原子沉积、激光沉积、化学气相沉积、分子束外延等高耗能的制备方法和相应设备，成本高，制备条件苛刻。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种使用金属透明电极的太阳能电池，采用具有高透光性的金属纳米线网状导电薄膜作为金属透明电极层，其导电性、透光率及可挠性大大优于前述的半导体金属氧化物。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种使用金属透明电极的太阳能电池，包括：

金属对电极层112；

金属透明电极层102；

以及，位于金属对电极层112和金属透明电极层102之间的活性钙钛矿层108。

所述金属对电极层112的厚度为10-200nm，所述金属透明电极层102厚度为10-1000nm，所述活性钙钛矿层108厚度为100-3000nm。

所述金属对电极层112与活性钙钛矿层108之间设置有电子传输层106，所述金属透明电极层102与活性钙钛矿层108之间设置有空穴传输层110。

所述金属对电极层112与活性钙钛矿层108之间设置有空穴传输层110，所述金属透明电极层102与活性钙钛矿层108之间设置有电子传输层106或多孔支架层。

所述电子传输层106厚度为100-2000nm，所述空穴传输层110厚度为100-1000nm。

所述电子传输层106或多孔支架层与金属透明电极层102之间设置有半导体致密层104。所述半导体致密层104厚度为20-150nm。

所述金属透明电极层102为金属纳米线网状导电薄膜，金属为Cu、Fe、Ni、Ag、Au或Pt，纳米线直径为10-100nm，纳米线长径比为1000:1以上。进一步地可具有10000:1等更高的长径比以确保其具备较好的透光性能和一定的导电性能。

所述金属纳米线呈无规则网状结构。

与现有技术相比，本实用新型采用具有高透光性的金属纳米线网状导电薄膜作为金属透明电极层，其导电性、透光率及可挠性大大优于前述的半导体金属氧化物。该薄膜可以采用光刻、纳米刻蚀、原子沉积、气相沉积、磁控溅射、热蒸发、溶液合成等方法进行制备。特别的，采用溶液方法制备的直径为10-100nm的金属纳米线特别易于大规模、低成本地进行合成，同时利用卷对卷制备技术，如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等进行大规模生产。

附图说明

图1是本实用新型实施例二的结构示意图。

图2是本实用新型实施例三的结构示意图。

图3是本实用新型金属透明电极的微观结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

实施例一

一种使用金属透明电极的太阳能电池，包括：金属对电极层112、金属透明电极层102以及位于金属对电极层112和金属透明电极层102之间的活性钙钛矿层108。

金属透明电极层102为金属纳米线网状导电薄膜，金属为Cu、Fe、Ni、Ag、Au或Pt等，纳米线直径为10-100nm，纳米线长径比为1000:1以上。进一步地可具有10000:1等更高的长径比以确保其具备较好的透光性能和一定的导电性能。其中的金属纳米线呈无规则网状结构，如图3所示，其中每一条黑线代表一根直径为10-100nm的金属纳米线。如果采用光刻、纳米刻蚀、原子沉积、气相沉积、磁控溅射、热蒸发等方式，可以制备相应模板进行图案化的控制，但是成本及耗能较高；如果采用溶液方法制备，则可以将得到的金属纳米线溶液制成浆料进行卷对卷工艺制备(如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等)，得到无规的网状结构。该层的透光性取决于金属纳米线的疏密程度，一般情况下可以达到95％以上，优于现有方案使用的金属氧化物半导体类材料。金属透明电极层102厚度为10-1000nm，其另一特点为柔性，大大改善了传统半导体金属氧化物透明电极的易碎性。

金属对电极层112的材料可以为金、银、铝、钙、铂等金属，可采用磁控溅射、热蒸发、原子沉积、激光沉积等方法制备，在柔性制备过程中，还可以使用卷对卷工艺进行制备，即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。本层厚度为10-200nm。

活性钙钛矿层108结构为(RNH₃)AX_nY_3-n(R＝烃基；A＝Pb，Sn；X，Y＝Cl，Br，I；n为0-3的实数)，通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成，也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备，即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。本层厚度为100-3000nm。

本实施例的原理：

1.金属透明电极层102：将活性钙钛矿层108产生的光激发的电子(或空穴)收集起来并导通，传导电子(或空穴)至外电路。

2.活性钙钛矿层108：主要工作原理是能够高效率地吸收太阳光中与其能级匹配的光子，激发形成电子-空穴对，其中激发产生的电子和空穴分别被金属透明电极层102和金属对电极层112收集并导通至外电路；从而形成光电流。

3.金属对电极层112：将活性钙钛矿层108产生的光激发的空穴(或电子)收集起来并导通，传导空穴(或电子)至外电路。

实施例二

如图1所示，在实施例一的基础上，在金属对电极层112与活性钙钛矿层108之间设置电子传输层106，金属透明电极层102与活性钙钛矿层108之间设置空穴传输层110。

电子传输层106通常为介孔二氧化钛，使用溶胶凝胶法制备介观粒子溶胶后，退火烧结制备。也可以使用富勒烯类电子传输层材料代替。本层厚度为100-2000nm。

空穴传输层110，其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料，如碘化亚铜、PEDOT：PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类等，本层厚度为100-1000nm。

本实施例的原理：

1.金属透明电极层102：将空穴传输层110传导的空穴收集起来并导通，传导空穴至外电路。

2.空穴传输层110：由于其能级与钙钛矿活性层108材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的空穴收集并传输给金属透明电极层102。

3.活性钙钛矿层108：主要工作原理是能够高效率地吸收太阳光中与其能级匹配的光子，激发形成电子-空穴对，其中激发产生的电子被电子传输层106收集并导出。而激发产生的空穴被空穴传输层110收集并导出。从而形成光电流。

4.电子传输层106：由于其能级与钙钛矿活性层108材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的电子收集并传输给金属对电极层112。

5.金属对电极层112：将电子传输层106传导的电子收集起来并导通，传导电子至外电路。最终与负载形成回路。

实施例三

如图2所示，在实施例一的基础上，金属对电极层112与活性钙钛矿层108之间设置空穴传输层110，金属透明电极层102与活性钙钛矿层108之间设置电子传输层106或多孔支架层，电子传输层106或多孔支架层与金属透明电极层102之间设置有半导体致密层104。

半导体致密层104通常为二氧化钛或氧化锌，其厚度为20-150nm。

如果不设置半导体致密层104和空穴传输层110，可简化工艺，降低成本，但得到的电池效率相对较低。

本实施例的原理：

1.金属透明电极层102：将半导体致密层104(若使用)或电子传输层106(若不使用材料层104)传导的电子收集起来并导通，传导电子至外电路。

2.半导体致密层104：在电池结构中并不一定需要。其主要作用及工作原理是有效地将电子从电子传输层106中传导至金属透明电极层102，其能级应恰好处于钙钛矿活性层108与金属透明电极层102的材料之间，起到媒介作用。

3.电子传输层106：由于其能级与钙钛矿活性层108材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的电子收集并传输给材料层104或金属透明电极层102，并且由于其往往可使用多孔二氧化钛等支架材料层，具有纳微米尺寸的孔穴，可以充分地使钙钛矿材料与其相界面相接触，从而提高了电子传输的效率。

4.活性钙钛矿层108：为该电池结构的关键活性材料，主要工作原理是能够高效率地吸收太阳光中与其能级匹配的光子，激发形成电子-空穴对，其中激发产生的电子被电子传输层106收集并导出。而激发产生的空穴被空穴传输层110收集并导出。从而形成光电流。

5.空穴传输层110：由于其能级与钙钛矿活性层108材料相匹配，可以有效率地将钙钛矿材料在光子激发下产生的空穴收集并传输给金属对电极层112。

6.金属对电极层112：将空穴传输层110传导的空穴收集起来并导通，传导空穴至外电路。最终与负载形成回路。

实施例二与实施例三中采用了相反的正负极电池结构，由于这两种设计结构不同，因此选用的钙钛矿活性材料、电子传输层材料、空穴传输层材料以及电极材料均略有区别，但均可在上述的各层列举的材料之间选取合适的材料进行制备，到达基本相似的目的。

本实用新型金属透明电极，可由采用各种方法得到的金属纳米线组成，导电性、透光率、产品柔性均优于现有材料；采用卷对卷技术的一系列工艺，可以实现柔性钙钛矿电池的大规模生产，对于单独的金属纳米线网状薄膜透明电极的生产技术，也可以用于其他形式的太阳能电池如有机太阳能电池、CIGS电池、晶硅及非晶硅薄膜电池等，以及一切可以使用该电极的领域，如LED，OLED等。

Claims (10)

1.一种使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，包括：

金属对电极层(112)；

金属透明电极层(102)；

以及，位于金属对电极层(112)和金属透明电极层(102)之间的活性钙钛矿层(108)。

2.根据权利要求1所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述金属对电极层(112)的厚度为10-200nm，所述金属透明电极层(102)厚度为10-1000nm，所述活性钙钛矿层(108)厚度为100-3000nm。

3.根据权利要求1或2所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述金属对电极层(112)与活性钙钛矿层(108)之间设置有电子传输层(106)，所述金属透明电极层(102)与活性钙钛矿层(108)之间设置有空穴传输层(110)。

4.根据权利要求3所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层(106)厚度为100-2000nm，所述空穴传输层(110)厚度为100-1000nm。

5.根据权利要求1或2所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述金属对电极层(112)与活性钙钛矿层(108)之间设置有空穴传输层(110)，所述金属透明电极层(102)与活性钙钛矿层(108)之间设置有电子传输层(106)或多孔支架层。

6.根据权利要求5所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层(106)或多孔支架层与金属透明电极层(102)之间设置有半导体致密层(104)。

7.根据权利要求6所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述半导体致密层(104)厚度为20-150nm。

8.根据权利要求1所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述金属透明电极层(102)为金属纳米线网状导电薄膜，金属为Cu、Fe、Ni、Ag、Au或Pt，纳米线直径为10-100nm。

9.根据权利要求5所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述纳米线长径比为1000:1以上。

10.根据权利要求5所述使用金属透明电极的太阳能电池，其特征在于，所述金属纳米线呈无规则网状结构。