CN217933843U - 一种三明治结构金属电极及钙钛矿太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极及钙钛矿太阳能电池，包括：金属层、位于金属层下方的第一金属氧化物层以及位于金属层上方的第二金属氧化物层。基于本实用新型的用于钙钛矿电池的三明治结构金属电极，在金属层和电荷传输层之间设置第一金属氧化物层，可以阻止金属扩散对下层钙钛矿材料掺杂，以及防止钙钛矿中离子和分子的扩散和挥发，从而影响钙钛矿材料的稳定性；且在金属层上设置第二金属氧化物层可保护电极免受外界氧气和水分的侵蚀，可进一步保护钙钛矿层和其他功能层免受外部有害因素的影响，从而增强整个钙钛矿太阳能电池器件的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极及钙钛矿太阳能电池。
背景技术
随着人类社会的发展，人们对能源的需求越来越大，然而传统的化石能源是不可再生的，而且传统化石能源的过度使用也造成了环境污染、温室效应、能源危机等一系列问题。因此寻找一种清洁可再生能源对人类未来发展至关重要。为此，研究者对可再生能源特别是太阳能电池的研究日益关注。而钙钛矿太阳能电池(钙钛矿太阳能电池)以光电转化效率高、成本更加低廉的优点，而具有广泛产业化的巨大优势。并且，近期钙钛矿太阳能电池的效率已经突破了25.7％，更加凸显的了其作为新型能源的优势。相对于钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的不断提升，其稳定性提高的有关研究却相对滞后。钙钛矿材料对空气中的水和氧比较敏感，极易受水、氧侵袭而发生变性甚至降解，此外还会受到温度的影响。稳定性问题成为制约钙钛矿太阳能电池应用的关键，是钙钛矿太阳能电池长期发展需要解决的重要问题，已发现，除了加强钙钛矿层本身和开发器件外封装技术外，将阻隔势垒集成到钙钛矿太阳能电池中对于提高整器件的长期稳定性同样具有重要的意义，目前，为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，所设计的阻隔势垒大多是在钙钛矿太阳能电池的金属电极和电荷传输层之间插入一层较薄的金属或有机绝缘材料，如若过薄则起不到阻隔势垒的作用，因此需要严格控制其厚度，这大大增加了器件制备的难度，如若过厚，器件的串联电阻过大，器件性能下降。因此，开发兼具稳定性和良好电池性能的钙钛矿电池仍是钙钛矿太阳能电池具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题为：提供一种用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极及钙钛矿太阳能电池，用以现有技术中解决钙钛矿太阳能电池稳定性低的问题。
本实用新型提供的具体解决方案如下：
本实用新型提供了一种用于钙钛矿电池的三明治结构金属电极，包括：金属层、位于所述金属层下方的第一金属氧化物层以及位于所述金属层上方的第二金属氧化物层。
基于本实用新型的用于钙钛矿电池的三明治结构金属电极，在金属层和电荷传输层之间设置第一金属氧化物层，可以阻止金属扩散对下层钙钛矿材料掺杂，以及防止钙钛矿中离子和分子的扩散和挥发，从而影响钙钛矿材料的稳定性；且在金属层上设置第二金属氧化物层可保护电极免受外界氧气和水分的侵蚀，可进一步保护钙钛矿层和其他功能层免受外部有害因素(如热、H2O和O2)的影响。
在上述方案的基础上，本实用新型还可以进行如下改进：
进一步，所述金属层选自Ag金属层、Au金属层、Cu金属层、Mo金属层、Bi金属层、Sn金属层、Al金属层、Mg金属层、Zn金属层、Pt金属层、Ti金属层中的一种，或者选自Bi/Sn合金层、Bi/Cu合金层、Ti/Al合金层中的一种。
进一步，所述第一金属氧化物层选自MgO层、Al2O3层、ZnO层、CdO层、ZrO2层、SnO2层、In2O3层、NiO层、Cr2O3层、TiO2层或BaO中的一种；所述第二金属氧化物层选自MgO层、Al2O3层、ZnO层、CdO层、ZrO2层、SnO2层、In2O3层、NiO层、 Cr2O3层、TiO2层或BaO中的一种。
上述氧化物具有良好的均匀性和致密性，可以阻挡金属电极与下层钙钛矿吸收层发生化学反应。
优选地，所述第一金属氧化物层选自氧化铝或氧化锡中的一种，所述第二金属氧化层选自氧化铝或氧化锡中的一种。
进一步，所述金属层的厚度为80-300nm。
进一步，所述第一金属氧化物层的厚度为1-20nm，第二金属氧化物层的厚度为 1-100nm。
本实用新型还提供了一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层以及如上所述的三明治结构金属电极，所述第一载流子传输层为空穴传输层且所述第二电荷传输层为电子传输层，或者所述第二载流子传输层为电子传输层且所述第二电荷传输层为空穴传输层。
基于本实用新型的钙钛矿太阳能电池中，三明治结构电极整体是致密的，可以防止外界空气和水分对下层结构的第一载流子传输层、钙钛矿吸收层和第二载流子传输层的侵蚀，从而增强整个钙钛矿太阳能电池器件的稳定性。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
图1为基于本实用新型实施例的钙钛矿太阳能电池结构示意图；
图2为实施例1以及对比例1中制备的钙钛矿太阳能电池的效率统计图；
图3为实施例1中的钙钛矿太阳能能电池热老化前(左图)后(右图)的示意图；
图4为对比例2中的钙钛矿太阳能电池热老化前(左图)后(右图)的示意图；
图5为对比例3中的钙钛矿太阳能电池热老化前(左图)后(右图)的示意图；
图6为对比例1中的钙钛矿太阳能电池热老化前(左图)后(右图)的示意图；
图7为实施例1中的钙钛矿太阳能电池泡水前(左图)后(右图)的示意图；
图8为对比例1中的钙钛矿太阳能电池泡水前(左图)后(右图)的示意图；
图9为实施例1中的钙钛矿太阳能电池和对比例1、2、3中的钙钛矿太阳能电池长期稳定性效率变化示意图。
附图1中，各标号所代表的部件如下：
100、透明导电玻璃衬底；200、第一载流子传输层；300、钙钛矿吸收层；400、第二载流子传输层；500、三明治结构金属电极；510、第一金属氧化物层；520、金属层； 530、第二金属氧化物层。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
基于本实用新型的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，包括：金属层520、位于所述金属层下方的第一金属氧化物层510以及位于所述金属层上方的第二金属氧化物层530。
基于本实用新型实施例的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，所述金属层选自Ag金属层、Au金属层、Cu金属层、Mo金属层、Bi金属层、Sn金属层、Al金属层、Mg金属层、Zn金属层、Pt金属层、Ti金属层中的一种，或者选自Bi/Sn合金层、 Bi/Cu合金层、Ti/Al合金层中的一种。
基于本实用新型实施例的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，所述第一金属氧化物层选自MgO层、Al2O3层、ZnO层、CdO层、ZrO2层、SnO2层、In2O3层、NiO 层、Cr2O3层、TiO2层或BaO中的一种；所述第二金属氧化物层选自MgO层、Al2O3层、 ZnO层、CdO层、ZrO2层、SnO2层、In2O3层、NiO层、Cr2O3层、TiO2层或BaO中的一种。
基于本实用新型实施例的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，所述第一金属氧化物层选自氧化铝或氧化锡中的一种，所述第二金属氧化层选自氧化铝或氧化锡中的一种。第一金属氧化层和第二金属氧化物层采用结构致密的氧化铝层或氧化锡层，能够更加有效得防止金属电极向下层的钙钛矿吸收层扩散，防止金属电极对钙钛矿吸收层的腐蚀以及阻挡卤素离子和金属电极的反应腐蚀金属电极，以及阻碍钙钛矿吸收层中易挥发的有机离子向外挥发，增加钙钛矿吸收层分解反应的势垒，从而抑制钙钛矿吸收层的分解过程；致密结构也能够更加有效的抵抗环境中水和氧气对金属电极的氧化和腐蚀；且三明治结构电极整体是致密的，可以防止外界空气和水分对下层结构的第一载流子传输层、钙钛矿吸收层和第二载流子传输层的侵蚀，从而增强整个钙钛矿太阳能电池器件的稳定性。
基于本实用新型实施例的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，所述金属层的厚度为80-300nm。
基于本实用新型实施例的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，所述第一金属氧化物层510的厚度为1-20nm，第二金属氧化物层520的厚度为1-100nm。
优选地，所述第一层金属氧化物为不导电的金属氧化物时，比如Al2O3，厚度优选为1～5nm，所述第一层金属氧化物为导电性良好的金属氧化物时，比如SnO2时，厚度优选为10～20nm，从而可以保持较佳的电池性能。
基于本实用新型实施例的钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底100、第一载流子传输层200、钙钛矿吸收层300、第二载流子传输层400以及如上所述的三明治结构金属电极500，所述第一载流子传输层200为空穴传输层且所述第二载流子传输层400为电子传输层，或者所述第一载流子传输层200为电子传输层且所述第二载流子传输层400为空穴传输层。
具体的，上述各层的制备均可采用现有的常规方式制作。
具体的，所述第一载流子传输层、钙钛矿吸收层或第二载流子传输层、第一金属氧化层、第二金属氧化层可分别通过旋涂、刮刀涂布或狭缝涂布任意一种镀膜方式制备得到，采用热蒸镀方法制备金属层。
优选地，基于本实用新型实施例的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，所述透明导电玻璃衬底为ITO透明导电玻璃衬底或者FTO透明导电玻璃衬底。
实施例1
一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层以及三明治结构金属电极，所述三明治结构金属电极包括金属层、位于所述金属层下方的第一金属氧化物层以及位于所述金属层上方的第二金属氧化物层，所述透明导电玻璃衬底为FTO透明导电玻璃衬底，所述第一载流子传输层为NiMgLiO空穴传输层，厚度为20nm，所述钙钛矿吸收层为 FACsPb(IBr)3钙钛矿层，厚度为450nm，所述第二载流子传输层为PCBM电子传输层，厚度为25nm，所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层分别为氧化铝层，所述第一金属氧化物层的厚度为4nm，所述第二金属氧化物层的厚度为50nm，所述金属层为银金属层，厚度为80nm。
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO透明导电玻璃衬底用去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声清洗10min，并用高纯氮气吹干备用；
(2)采用喷雾热解法在FTO透明导电玻璃衬底上制备空穴传输层NiMgLiO；
(3)在NiMgLiO空穴传输层上采用旋涂法制备FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层，并以乙酸乙酯作为反溶剂进行萃取，所制备钙钛矿吸收层于105℃下退火15min，得到 FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层；
(4)在FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层上采用旋涂法制备电子传输层PCBM，于70℃下退火10min；
(5)在电子传输层PCBM上设置三明治结构金属电极。将旋涂完PCBM的样品放到原子层沉积设备的沉积腔室中，向沉积腔室内通入三甲基铝反应物，通入所述三甲基铝反应物的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为 8s；其中所述沉积腔室的温度控制在70℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化铝的沉积速率为0.5nm/cycle，所述循环次数为8，用以制备第一金属氧化物层；在所制备的第一金属氧化物上，采用热蒸发法制备Ag金属层，在Ag金属层上，采用原子层沉积法制备所述第二金属氧化物层，其过程包括：向沉积腔室内通入三甲基铝反应物，通入所述三甲基铝反应物的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；其中所述沉积腔室的温度控制在70℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化铝的沉积速率为0.5nm/cycle，所述循环次数为100。
实施例2
一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层以及三明治结构金属电极，所述三明治结构金属电极包括金属层、位于所述金属层下方的第一金属氧化物层以及位于所述金属层上方的第二金属氧化物层，所述透明导电玻璃衬底为ITO透明导电玻璃衬底，所述第一载流子传输层为SnO2电子传输层，厚度为20nm，所述钙钛矿吸收层为FAMAPb(IBr)3钙钛矿层，厚度为570nm，所述第二载流子传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基) 氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)空穴传输层，厚度为200nm，所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层分别为氧化铝层，所述第一金属氧化物层的厚度为4nm，所述第二金属氧化物层的厚度为50nm所述金属层为银金属层，厚度为120nm。
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将ITO透明导电玻璃衬底用去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声清洗10min，并用高纯氮气吹干备用；
(2)采用旋涂法制备SnO2电子传输层：将氧化锡胶体溶液稀释到一定溶度，于ITO上旋涂制备，然后于空气中150℃退火30min。
(3)在SnO2上旋涂PbI2薄膜，然后在PbI2上旋涂含FAI和少量MABr的有机溶液，于干燥空气中150℃退火15min，制备FAMAPb(IBr)3吸收层。
(4)在FAMAPb(IBr)3吸收层上旋涂苯乙胺碘盐(PEAI)进行表面钝化。
(5)于PEAI上旋涂制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)作为空穴传输层。
(6)在空穴传输层Spiro-OMeTAD上制备三明治结构金属电极。将旋涂完 Spiro-OMeTAD的样品放到原子层沉积设备的沉积腔室中，向沉积腔室内通入三甲基铝反应物，通入所述三甲基铝反应物的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；其中所述沉积腔室的温度控制在70℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化铝的沉积速率为0.5nm/cycle，所述循环次数为8，用以制备第一金属氧化物层；在第一金属氧化物层上，采用热蒸发法制备Ag电极层。在Ag金属层上，采用原子层沉积法制备所述第二金属氧化物层，其过程包括：向沉积腔室内通入三甲基铝反应物，通入所述三甲基铝反应物的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；其中所述沉积腔室的温度控制在70℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化铝的沉积速率为0.5nm/cycle，所述循环次数为100。
实施例3
一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层以及三明治结构金属电极，所述三明治结构金属电极包括金属层、位于所述金属层下方的第一金属氧化物层以及位于所述金属层上方的第二金属氧化物层，所述透明导电玻璃衬底为FTO透明导电玻璃衬底，所述第一载流子传输层为NiMgLiO空穴传输层，厚度为20nm，所述钙钛矿吸收层为 FACsPb(IBr)3钙钛矿层，厚度为450nm，所述第二载流子传输层为PCBM电子传输层，厚度为25nm，所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层分别为氧化锡层，所述第一金属氧化物层的厚度为20nm，所述第二金属氧化物层的厚度为60nm，所述金属层为银金属层，厚度为300nm。
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO透明导电玻璃衬底用去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声清洗10min，并用高纯氮气吹干备用；
(2)采用喷雾热解法在FTO透明导电玻璃衬底上制备空穴传输层NiMgLiO；
(3)在NiMgLiO空穴传输层上采用旋涂法制备FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层，并以乙酸乙酯作为反溶剂进行萃取，所制备钙钛矿吸收层于105℃下退火15min，得到 FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层；
(4)在FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层上采用旋涂法制备电子传输层PCBM，于70℃下退火10min；
(5)在电子传输层PCBM上设置三明治结构金属电极。将旋涂完PCBM的样品放到原子层沉积设备的沉积腔室中，向沉积腔室内通入四(二甲胺)锡反应物，通入所述四(二甲胺)锡反应物的脉冲时间为40ms，反应时间为6s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为12s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为20ms，反应时间为6s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为12s；其中所述沉积腔室的温度控制在100℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化锡的沉积速率为0.2nm/cycle，所述循环次数为100，用以制备第一金属氧化物层；在所制备的第一金属氧化物上，采用热蒸发法制备Ag金属层，在Ag金属层上，采用原子层沉积法制备所述第二金属氧化物，其过程包括：向沉积腔室内通入四(二甲胺)锡反应物，通入所述四(二甲胺)锡反应物的脉冲时间为40ms，反应时间为6s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为12s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为20ms，反应时间为6s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为12s；其中所述沉积腔室的温度控制在100℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化锡的沉积速率为0.2nm/cycle，所述循环次数为300。
对比例1
一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层以及Ag金属电极，所述透明导电玻璃衬底为FTO透明导电玻璃衬底，所述第一载流子传输层为NiMgLiO空穴传输层，厚度为 20nm，所述钙钛矿吸收层为FACsPb(IBr)3钙钛矿层，厚度为450nm，所述第二载流子传输层为PCBM电子传输层，厚度为25nm，所述Ag金属电极的厚度为80nm。
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO透明导电玻璃衬底用去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声清洗10min，并用高纯氮气吹干备用；
(2)采用喷雾热解法在FTO透明导电玻璃衬底上制备空穴传输层NiMgLiO；
(3)在NiMgLiO空穴传输层上采用旋涂法制备FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层，并以乙酸乙酯作为反溶剂进行萃取，所制备钙钛矿吸收层于105℃下退火15min，得到 FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层；
(4)在FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层上采用旋涂法制备电子传输层PCBM，于70℃下退火10min；
(5)在电子传输层PCBM上采用热蒸发法制备Ag金属层。
对比例2
一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层、第一金属氧化物层以及金属层，所述透明导电玻璃衬底为FTO透明导电玻璃衬底，所述第一载流子传输层为NiMgLiO空穴传输层，厚度为20nm，所述钙钛矿吸收层为FACsPb(IBr)3钙钛矿层，厚度为450nm，所述第二载流子传输层为PCBM电子传输层，厚度为25nm，所述第一金属氧化物层为氧化铝层，所述第一金属氧化物层的厚度为4nm，所述金属层为银金属层，厚度为80nm。
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO透明导电玻璃衬底用去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声清洗10min，并用高纯氮气吹干备用；
(2)采用喷雾热解法在FTO透明导电玻璃衬底上制备空穴传输层NiMgLiO；
(3)在NiMgLiO空穴传输层上采用旋涂法制备FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层，并以乙酸乙酯作为反溶剂进行萃取，所制备钙钛矿吸收层于105℃下退火15min，得到 FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层；
(4)在FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层上采用旋涂法制备电子传输层PCBM，于70℃下退火10min；
(5)在电子传输层PCBM上设置三明治结构金属电极。将旋涂完PCBM的样品放到原子层沉积设备的沉积腔室中，向沉积腔室内通入三甲基铝反应物，通入所述三甲基铝反应物的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为 20ms，反应时间为4s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为 8s；其中所述沉积腔室的温度控制在70℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化铝的沉积速率为0.5nm/cycle，所述循环次数为8，用以制备第一金属氧化物层；在所制备的第一金属氧化物上，采用热蒸发法制备Ag金属层。
对比例3
一种钙钛矿太阳能电池，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底、第一载流子传输层、钙钛矿吸收层、第二载流子传输层、金属层以及第二金属氧化物层，所述透明导电玻璃衬底为FTO透明导电玻璃衬底，所述第一载流子传输层为NiMgLiO空穴传输层，厚度为20nm，所述钙钛矿吸收层为FACsPb(IBr)3钙钛矿层，厚度为450nm，所述第二载流子传输层为PCBM电子传输层，厚度为25nm，所述第二金属氧化物层分别为氧化铝层，所述第二金属氧化物层的厚度为50nm，所述金属层为银金属层，厚度为 80nm。
钙钛矿太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
(1)将FTO透明导电玻璃衬底用去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇各超声清洗10min，并用高纯氮气吹干备用；
(2)采用喷雾热解法在FTO透明导电玻璃衬底上制备空穴传输层NiMgLiO；
(3)在NiMgLiO空穴传输层上采用旋涂法制备FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层，并以乙酸乙酯作为反溶剂进行萃取，所制备钙钛矿吸收层于105℃下退火15min，得到 FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层；
(4)在FACsPb(IBr)3钙钛矿吸收层上采用旋涂法制备电子传输层PCBM，于70℃下退火10min；
(5)采用热蒸发法制备Ag金属层，在Ag金属层上，采用原子层沉积法制备所述第二金属氧化物层，其过程包括：向沉积腔室内通入三甲基铝反应物，通入所述三甲基铝反应物的脉冲时间为20ms，反应时间为4s；然后向所述沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为8s；再向所述沉积腔室内通入水，通入所述水的脉冲时间为 20ms，反应时间为4s；再次向沉积腔室内通入所述高纯氮气进行吹扫，所述吹扫时间为 8s；其中所述沉积腔室的温度控制在70℃，真空度控制在不高于10-3Pa，所述氧化铝的沉积速率为0.5nm/cycle，所述循环次数为100。
电池性能测试
(1)对实施例1-3以及对比例1-3中的钙钛矿太阳能电池的性能进行测试，结果如表1所示。
表1钙钛矿太阳能电池性能参数
图2为实施例1中具有三明治结构金属电极的钙钛矿太阳能电池以及对比例1中具有传统金属银电极结构的钙钛矿太阳能电池效率统计图，可知，基于实用新型实施例的具有三明治结构电极钙钛矿太阳能电池与具有传统银金属电极的钙钛矿太阳能电池，电池效率基本相当，且重现性更好。
(2)对实施例1中钙钛矿太阳能电池以及对比例1、2、3中的钙钛矿太阳能电池的热老化性能进行测试，测试条件：温度为180℃、相对湿度50％，热老化时间为30分钟。图3为实施例1中的具有三明治结构金属银电极的钙钛矿太阳能电池热老化前后电极面的示意图；图4为对比例2中只具有第一金属氧化物层和金属银电极的钙钛矿太阳能电池热老化前后电极面的示意图；图5为对比例3中只具有金属银电极和第二金属氧化物层的钙钛矿太阳能电池热老化前后电极面的示意图；图6为对比例1中具有传统金属银电极的钙钛矿太阳能电池老化前后的示意图。由图3、图4、图5、图6可知，传统Ag 金属电极在温度为180℃、相对湿度50％条件下热老化时，Ag金属与下层钙钛矿吸收层剧烈反应，反应后钙钛矿太阳能电池器件被完全破坏；只具有第一金属氧化物层和金属银电极的钙钛矿太阳能电池以及只具有金属银电极和第二金属氧化物层的钙钛矿太阳能电池在老化后也受到了很严重的破坏；而本实用新型的三明治结构电极与钙钛矿吸收层几乎没有反应，器件外观仍然良好，基于本实用新型的三明治结构电极中的金属氧化物层，既可以阻挡金属电极与下层钙钛矿吸收层发生化学反应，又可以阻挡外界水分和氧气对钙钛矿层和金属电极的侵蚀，显著提高了钙钛矿太阳能电池的热稳定性。
(3)对实施例1中的钙钛矿电池和对比例1中的钙钛矿太阳能电池进行泡水实验，结果如图7和图8所示，图7为实施例1中的具有三明治结构电极的钙钛矿太阳能电池在泡水试验30分钟前后电极面的示意图；图8为对比例1中具有金属银电极结构的钙钛矿太阳能电池在泡水试验30分钟前后电极面的示意图。结果发现，传统金属电极在泡水试验后，钙钛矿吸收层已经被完全溶解，变为黄色，钙钛矿太阳能电池器件被完全破坏；而本实用新型所制备的三明治结构电极可以保护钙钛矿不被水侵蚀，器件外观仍然良好，这说明三明治结构电极致密性良好，可以阻挡水分溶解钙钛矿吸收层，显著提高了钙钛矿太阳能电池的湿稳定性。
(4)对实施例1中的钙钛矿电池和对比例1、2、3中的钙钛矿太阳能电池的长期稳定性进行测试，测试条件：温度为55℃、相对湿度为40％，光照强度为100mW/cm2持续光照下测定其长期电池效率，图9为对比例1、2、3和实施例1中的钙钛矿太阳能电池的电池效率变化示意图。可知，传统金属银电极的电池器件在800个小时左右已经完全损坏；只具有第一金属氧化物层和金属银的电池器件在2000个小时后，只保持了初始效率的50％左右；只具有金属银和第二金属氧化物层的电池器件在2000个小时后，只保持了初始效率的60％左右；而基于本实用新型的具有三明治结构电极的电池器件经过 2000个小时后仍能保持初始效率的95％以上，显著提高了钙钛矿的光、热和湿度稳定性。
尽管上面已经详细描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，其特征在于，包括：金属层(520)、位于所述金属层下方的第一金属氧化物层(510)以及位于所述金属层上方的第二金属氧化物层(530)。
2.根据权利要求1所述的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，其特征在于，所述金属层(520)选自Ag金属层、Au金属层、Cu金属层、Mo金属层、Bi金属层、Sn金属层、Al金属层、Mg金属层、Zn金属层、Pt金属层、Ti金属层中的一种，或者选自Bi/Sn合金层、Bi/Cu合金层、Ti/Al合金层中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，其特征在于，所述第一金属氧化物层(510)选自MgO层、Al2O3层、ZnO层、CdO层、ZrO2层、SnO2层、In2O3层、NiO层、Cr2O3层、TiO2层或BaO中的一种；所述第二金属氧化物层(530)选自MgO层、Al2O3层、ZnO层、CdO层、ZrO2层、SnO2层、In2O3层、NiO层、Cr2O3层、TiO2层或BaO中的一种。
4.根据权利要求3所述的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，其特征在于，所述第一金属氧化物层选自氧化铝或氧化锡中的一种，所述第二金属氧化层选自氧化铝或氧化锡中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，其特征在于，所述金属层的厚度为80-300nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极，其特征在于，所述第一金属氧化物层(510)的厚度为1-20nm，第二金属氧化物层(530)的厚度为1-100nm。
7.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括由下至上依次层叠设置的透明导电玻璃衬底(100)、第一载流子传输层(200)、钙钛矿吸收层(300)、第二载流子传输层(400)以及如权利要求1-6任一项所述的用于钙钛矿太阳电池的三明治结构金属电极(500)，所述第一载流子传输层(200)为空穴传输层且所述第二载流子传输层(400)为电子传输层，或者所述第一载流子传输层(200)为电子传输层且所述第二载流子传输层(400)为空穴传输层。
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|---|---|---|---|---|
| CN116669440A (zh) * | 2023-07-31 | 2023-08-29 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 太阳能电池及其制备方法、光伏组件和光伏装置 |
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| CN116669440B (zh) * | 2023-07-31 | 2024-05-10 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 太阳能电池及其制备方法、光伏组件和光伏装置 |
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