CN206148472U - 一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为透明衬底、超薄金属透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和背电极，或者为透明衬底、超薄金属透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极；超薄金属透明电极包括成核籽晶层和超薄金属两层薄膜。超薄金属透明电极的厚度为9～65nm，透光率为80％～92％，方块电阻为5～100Ω/sq；钙钛矿太阳能电池的效率为8％～25％。本实用新型的这种转换率高、有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池具有较低的成本，制备方法工艺简单，能够进行规模化生产。

Description

一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，属于太阳能电池领域。
背景技术
随着传统燃料的消耗以及引起的环境问题，可再生清洁能源的发展与利用已经受到全世界的广泛关注。太阳能作为一种绿色、清洁、可再生能源，有潜力成为未来能源供给中的重要组成部分。因此太阳能电池的开发和应用具有重要的战略意义。传统的硅电池已经得到了商业化，但相对成本过高。染料敏化电池需要电解质来传输载流子，在制备上有许多限制。有机小分子或者聚合物电池，虽然电池结构简单，但稳定性还需要进一步提高。
近年来兴起的钙钛矿型太阳能电池具有效率高、成本低、质量轻，制作工艺简单、可制备成大面积柔性器件等突出优点而备受关注。其中，透明电极是制约钙钛矿电池发展的关键。
目前，氧化铟锡ITO是太阳能电池中应用最广的透明电极。但随着铟元素的大量开采，其价格也逐步上升，同时铟本身也有毒性，且机械柔性不好，很难与柔性衬底兼容。新型的透明电极，诸如金属网格、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯以及导电聚合物等，在导电性、透光率、柔性、粗糙度以及功函数匹配等方面存在各种问题。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，这种透明电极具有方阻低、透光率高、柔性好、成本低以及工艺兼容等优点，基于其制备的钙钛矿太阳能电池具有较高的能量转化效率，并具有较低的成本，制备方法工艺简单，能够进行规模化生产。
本实用新型所涉及的一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，自下而上依次为透明衬底、超薄金属透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和背电极，或者为透明衬底、超薄金属透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极；超薄金属透明电极自下而上依次为成核籽晶层和超薄金属两层薄膜，超薄金属透明电极的厚度为7～65nm；透光率为80％～92％，方块电阻为5～100Ω/sq；
成核籽晶层为ZnO、CuSCN、GO、MoO3、NiO、TiO2中的一种，其厚度为3～50nm；
超薄金属为Ag、Al、Cu、Au中的一种，其厚度为4～15nm；
空穴传输层厚度为10～200nm；
电子传输层厚度为10～200nm；
钙钛矿吸光层厚度为50～500nm；
背电极厚度为10～300nm。
进一步，所述透明衬底为透明玻璃、石英、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN中的任一种。
进一步，所述钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbICl2、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnI2Br或CH3NH3SnICl2中的一种。
进一步，所述空穴传输层为PEDOT:PSS、CuSCN、CuI、NiOx中的至少一种。
进一步，所述电子传输层为富勒烯衍生物PCBM、TiO2或ZnO。
进一步，所述背电极为金、银、铝电极、银纳米线或导电高分子薄膜。
进一步，所述的钙钛矿太阳能电池的效率为12％～25％。
本发明的这种转换率高、有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池具有较低的成本，柔性轻质，制备方法工艺简单，能够进行规模化生产。
附图说明
图1为一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池的器件结构图，其中1为透明衬底；2为超薄金属透明电极；3为空穴传输层；4为钙钛矿吸光层；5为电子传输层；6为背电极。
具体实施方式
以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池其结构如图1所示，自下而上包括透明衬底1、超薄金属透明电极2、空穴传输层3、钙钛矿吸光层4、电子传输层5和背电极6。透明衬底1为PET薄片；超薄金属透明电极2自下而上依次为成核籽晶层和超薄金属两层薄膜，成核籽晶层为ZnO，厚度为3nm，超薄金属为Ag，厚度为4nm；空穴传输层3为10nm厚的PEDOT:PSS薄膜；钙钛矿吸光层4为厚度为50nm的CH3NH3PbI3；电子传输层5为10nm的PCBM薄膜；背电极6为10nm厚的银电极。
制备PET/ZnO/超薄Ag层/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI3/PCBM/Ag钙钛矿太阳能电池的步骤为：
(1)将PET薄片在乙醇溶液中超声10min，用氮气吹干后，立即放入磁控溅射装载室中，开始抽真空。
(2)等待反应室背底真空度优于1×10-6Torr,将样品装入反应室腔体并旋转样品架，转速为18rpm。以纯度优于99.99％的Ar作为沉积气氛，采用磁控溅射法射频溅射生长金属层，制备过程中衬底温度为室温，Ar压力为0.8Pa。ZnO靶材离基底垂直距离为55mm。采用RF磁控溅射，最后生长的ZnO厚度为3nm。调停ZnO靶材上的功率。在Ag靶材上加上DC功率，生长4nm的Ag层后停止，调停功率。即制得ZnO/Ag超薄金属透明电极。
(4)将PEDOT:PSS(CleviosTMP VP AI4083)以5000rpm转速旋涂于刚制备的透明电极表面，在空气中100℃加热50min，得到10nm厚的PEDOT:PSS薄膜的空穴传输层。
(5)配制浓度为1mol/L的PbI2溶液，溶剂为二甲基甲酰胺；配制浓度为10mg/mL的CH3NH3I溶液，溶于异丙醇中。在沉积有空穴传输层的衬底上旋涂PbI2溶液，在70℃的上烘干后，放入CH3NH3I溶液中浸泡约40秒，衬底颜色迅速变为棕黑色，取出后放到干净的异丙醇中，洗去多余的CH3NH3I，最后放置在70℃的加热台上烘10min，得到厚度为50nm的CH3NH3PbI3钙钛矿材料的吸光层。
(6)称量10mg PCBM溶入1ml邻二氯苯中形成PCBM邻二氯苯溶液，磁力搅拌24小时，取PCBM邻二氯苯溶液以5000rpm转速旋涂于CH3NH3PbI3薄膜上，得到10nm PCBM薄膜的电子传输层。
(7)在高真空(<10-4Pa)下，蒸镀10nm银电极，完成电池制备。经测试，电池效率为15％。
在以上实施例中成核籽晶层可以用MoO3、NiO中的任一种代替上述材料；超薄金属可以用Al代替上述材料；透明衬底可以用石英、聚酰亚胺PI中的任一种代替上述材料；空穴传输层可以用CuI、NiOx中的任一种代替上述材料；钙钛矿吸光层可以用CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbICl2、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnI2Br或CH3NH3SnICl2中的任一种代替上述材料；背电极可以用金、导电高分子薄膜中的任一种代替上述材料。
实施例2
一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池其结构如图1所示，自下而上包括透明衬底1、超薄金属透明电极2、空穴传输层3、钙钛矿吸光层4、电子传输层5和背电极6。透明衬底1为透明玻璃；超薄金属透明电极2自下而上依次为成核籽晶层和超薄金属两层薄膜，成核籽晶层为CuSCN，厚度为15nm，超薄金属为Cu，厚度为9nm；空穴传输层3为50nm厚的CuSCN薄膜；钙钛矿吸光层4为厚度为200nm厚的CH3NH3PbI3；电子传输层5为50nm厚的TiO2薄膜；背电极6为150nm厚的银纳米线电极。
制备PET/CuSCN/Ag/CuSCN/CH3NH3PbI3/ZnO/AgNW钙钛矿太阳能电池的步骤为：
(1)将透明玻璃片在乙醇、丙酮等溶液中超声10min，用氮气吹干；
(2)在玻璃基底上旋涂15nm厚的CuSCN，作为成核籽晶层；
(3)将上述样品置于磁控溅射样品室，等待反应室背底真空度优于1×10-6Torr,将样品装入反应室腔体并旋转样品架，转速为18rpm。以纯度优于99.99％的Ar作为沉积气氛，采用磁控溅射法射频溅射生长金属层，制备过程中衬底温度为室温，Ar压力为0.8Pa。在Cu靶材上加上DC功率，生长9nm的Cu层后停止，调停功率。即制得CuSCN/Ag透明电极。
(4)将CuSCN以3000rpm转速旋涂于刚制备的透明电极表面，在空气中100℃加热30min，得到50nm厚的CuSCN薄膜的空穴传输层。
(5)配制浓度为1mol/L的PbI2溶液，溶剂为二甲基甲酰胺；配制浓度为10mg/mL的CH3NH3I溶液，溶于异丙醇中。在沉积有空穴传输层的衬底上旋涂PbI2溶液，在70℃的上烘干后，放入CH3NH3I溶液中浸泡约40秒，衬底颜色迅速变为棕黑色，取出后放到干净的异丙醇中，洗去多余的CH3NH3I，最后放置在70℃的加热台上烘10min，得到厚度为200nm的CH3NH3PbI3钙钛矿材料的吸光层。
(6)将TiO2溶于氯苯或其它溶剂得到浓度为10mg/mL的溶液，以800rpm转速旋涂于CH3NH3PbI3薄膜上，得到50nmTiO2薄膜的电子传输层。
(7)在高真空(<10-4Pa)下，蒸镀150nm银纳米线电极，完成电池制备，经测试，柔性电池效率为14.5％。
在以上实施例中成核籽晶层可以用MoO3、NiO中的任一种代替上述材料；超薄金属可以用Al代替上述材料；透明衬底可以用石英、聚酰亚胺PI中的任一种代替上述材料；空穴传输层可以用CuI、NiOx中的任一种代替上述材料；钙钛矿吸光层可以用CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbICl2、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnI2Br或CH3NH3SnICl2中的任一种代替上述材料；背电极可以用金、导电高分子薄膜中的任一种代替上述材料。
实施例3
一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池其结构如图1所示，自下而上包括透明衬底1、超薄金属透明电极2、空穴传输层3、钙钛矿吸光层4、电子传输层5和背电极6。透明衬底1为透明玻璃；超薄金属透明电极2自下而上依次为成核籽晶层和超薄金属两层薄膜，成核籽晶层为GO，厚度为5nm，超薄金属为Ag，厚度为9nm；空穴传输层3为40nm厚的CuSCN薄膜；钙钛矿吸光层4为厚度为300nm厚的CH3NH3PbI3；电子传输层5为50nm厚的ZnO薄膜；背电极6为200nm厚的银电极。
制备玻璃/GO/Ag/CuSCN/CH3NH3PbI3/ZnO/Ag钙钛矿太阳能电池的步骤为：
(1)将透明玻璃片在乙醇、丙酮等溶液中超声10min，用氮气吹干；
(2)在玻璃基底上旋涂5nm厚的GO，作为成核籽晶层；
(3)将上述样品置于磁控溅射样品室，等待反应室背底真空度优于1×10-6Torr,将样品装入反应室腔体并旋转样品架，转速为18rpm。以纯度优于99.99％的Ar作为沉积气氛，采用磁控溅射法射频溅射生长金属层，制备过程中衬底温度为室温，Ar压力为0.8Pa。在Ag靶材上加上DC功率，生长9nm的Ag层后停止，调停功率。即制得CuSCN/Ag透明电极。
(4)将CuSCN以3000rpm转速旋涂于刚制备的透明电极表面，在空气中100℃加热30min，得到40nm厚的CuSCN薄膜的空穴传输层。
(5)配制浓度为1mol/L的PbI2溶液，溶剂为二甲基甲酰胺；配制浓度为10mg/mL的CH3NH3I溶液，溶于异丙醇中。在沉积有空穴传输层的衬底上旋涂PbI2溶液，在70℃的上烘干后，放入CH3NH3I溶液中浸泡约40秒，衬底颜色迅速变为棕黑色，取出后放到干净的异丙醇中，洗去多余的CH3NH3I，最后放置在70℃的加热台上烘10min，得到厚度为300nm的CH3NH3PbI3钙钛矿材料的吸光层。
(6)将ZnO溶于甲醇或其它溶剂得到浓度为10mg/mL的溶液，以800rpm转速旋涂于CH3NH3PbI3薄膜上，得到30nmZnO薄膜的电子传输层。
(7)在高真空(<10-4Pa)下，蒸镀200nm银电极，完成电池制备，经测试，电池效率为18.5％。
在以上实施例中成核籽晶层可以用MoO3、NiO中的任一种代替上述材料；超薄金属可以用Al代替上述材料；透明衬底可以用石英、聚酰亚胺PI中的任一种代替上述材料；空穴传输层可以用CuI、NiOx中的任一种代替上述材料；钙钛矿吸光层可以用CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbICl2、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnI2Br或CH3NH3SnICl2中的任一种代替上述材料；背电极可以用金、导电高分子薄膜中的任一种代替上述材料。
实施例4
一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，自下而上包括透明衬底、超薄金属透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极。透明衬底为PEN薄片；超薄金属透明电极自下而上依次为成核籽晶层和超薄金属两层薄膜，成核籽晶层为TiO2，厚度为50nm，超薄金属为15nm厚的Au；电子传输层为200nm厚的ZnO；钙钛矿吸光层为厚度为500nm的CH3NH3PbI3；空穴传输层为200nm的CuSCN薄膜；背电极为300nm厚的铝电极。
制备PEN/TiO2/Au/ZnO/CH3NH3PbI3/CuSCN/Al钙钛矿太阳能电池的步骤为：
(1)将PEN薄片在乙醇溶液中超声10min，用氮气吹干后，立即放入磁控溅射装载室中，开始抽真空。
(2)将样品装入反应室腔体并旋转样品架，转速为18rpm。以纯度优于99.99％的Ar作为沉积气氛，采用磁控溅射法射频溅射生长金属层，制备过程中衬底温度为室温，Ar压力为0.8Pa。TiO2靶材离基底垂直距离为55mm。采用RF磁控溅射，最后生长的TiO2厚度为50nm。调停TiO2靶材上的功率。在Au靶材上加上DC功率，生长15nm的Au层后停止，调停功率。即制得TiO2/Au超薄金属透明电极。
(3)调停Au靶材上的功率。在TiO2靶材上加上射频功率，生长200nm的ZnO层后停止，调停功率。
(4)配制浓度为1mol/L的PbI2溶液，溶剂为二甲基甲酰胺；配制浓度为10mg/mL的CH3NH3I溶液，溶于异丙醇中。在沉积有空穴传输层的衬底上旋涂PbI2溶液，在70℃的上烘干后，放入CH3NH3I溶液中浸泡约40秒，衬底颜色迅速变为棕黑色，取出后放到干净的异丙醇中，洗去多余的CH3NH3I，最后放置在70℃的加热台上烘10min，得到厚度为500nm的CH3NH3PbI3钙钛矿材料的吸光层。
(5)在钙钛矿薄膜上面旋涂200nm的CuSCN薄膜，作为空穴传输层。
(6)在高真空(＜10-4Pa)下，蒸镀300nm铝电极，完成电池制备,经测试，柔性电池效率为16.5％。
在以上实施例中成核籽晶层可以用MoO3、NiO中的任一种代替上述材料；超薄金属可以用Al代替上述材料；透明衬底可以用石英、聚酰亚胺PI中的任一种代替上述材料；空穴传输层可以用CuI、NiOx中的任一种代替上述材料；钙钛矿吸光层可以用CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbICl2、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnI2Br或CH3NH3SnICl2中的任一种代替上述材料；背电极可以用金、导电高分子薄膜中的任一种代替上述材料。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，自下而上依次为透明衬底、超薄金属透明电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和背电极，或者为透明衬底、超薄金属透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极；超薄金属透明电极自下而上依次为成核籽晶层和超薄金属两层薄膜，超薄金属透明电极的厚度为7～65nm；
成核籽晶层为ZnO、CuSCN、GO、MoO3、NiO、TiO2中的一种，其厚度为3～50nm；
超薄金属为Ag、Al、Cu、Au中的一种，其厚度为4～15nm；
空穴传输层厚度为10～200nm；
电子传输层厚度为10～200nm；
钙钛矿吸光层厚度为50～500nm；
背电极厚度为10～300nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明衬底为透明玻璃、石英、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层材料为CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbIBr2、CH3NH3PbI2Br、CH3NH3PbI2Cl、CH3NH3PbICl2、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnIBr2、CH3NH3SnI2Br或CH3NH3SnICl2中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为PEDOT:PSS、CuSCN、CuI、NiOx中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为富勒烯衍生物PCBM、TiO2或ZnO。
6.根据权利要求1所述的一种基于超薄金属透明电极的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述背电极为金、银、铝电极、银纳米线或导电高分子薄膜。
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