一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)從下至上依次為：柔性襯底、光電極、載流子傳輸層一、鈣鈦礦吸光層、載流子傳輸層二和背電極，其中，光電極為多層石墨烯或者導(dǎo)電高分子材料。該太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)具有高柔性、輕薄、低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn)，利用其柔性特點(diǎn)可開(kāi)發(fā)出多樣性的產(chǎn)品，其應(yīng)用將更加廣泛多元，與此同時(shí)為大批量大面積卷對(duì)卷工藝的采用開(kāi)辟了道路，為鈣鈦礦的最終商業(yè)化提供了新的思路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種柔性、輕薄、高效率、低成本的平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著煤炭、石油和天然氣等非可再生資源日益枯竭，新能源特別是太陽(yáng)能電池成為國(guó)內(nèi)外研究關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的硅電池相對(duì)來(lái)說(shuō)成本過(guò)高，染料敏化電池在制備技術(shù)上有很多限制，而有機(jī)太陽(yáng)能電池雖然電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是穩(wěn)定性極差，所以它們?cè)诠I(yè)化上還存在很多問(wèn)題。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池自2009年第一次報(bào)道以來(lái)，以其超低成本溶液法制備工藝而受到研究人員的青睞，能量轉(zhuǎn)換效率由最初的3.8%提升到了20.2%，隨著研究的不斷深入，電池的效率極有可能超過(guò)目前發(fā)展成熟的單晶硅太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從最初的需要一層多孔層支架再到后來(lái)可以直接做成薄膜電池，在工業(yè)化生產(chǎn)上也具有非常大的應(yīng)用前景。同時(shí)，采用的旋轉(zhuǎn)涂布溶液法工藝與卷對(duì)卷大批量制備方法兼容，也為產(chǎn)業(yè)化做了極好的鋪墊。
[0003]目前，剛性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池厚重、體積大、不能與卷對(duì)卷工藝兼容。而且，在某些特殊應(yīng)用中，需要對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行彎曲甚至折疊。因此，對(duì)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究開(kāi)發(fā)變得異常重要，受到柔性透明導(dǎo)電基底的限制，柔性鈣鈦礦電池制備過(guò)程中的溫度不能超過(guò)150°C，所以需要高溫?zé)Y(jié)的介孔結(jié)構(gòu)并不適合柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)，只能采用平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池多使用易碎、銦資源稀缺的ITO電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述【背景技術(shù)】中的不足和一些特殊應(yīng)用及為卷對(duì)卷批量化生產(chǎn)做準(zhǔn)備，本發(fā)明的目的在于提供一種平面異質(zhì)結(jié)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，利用柔韌性好、透光率高、方阻低的多層石墨烯以及導(dǎo)電高分子材料來(lái)制備高性能柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該電池結(jié)構(gòu)從下至上依次為柔性襯底、光電極、載流子傳輸層一、鈣鈦礦吸光層、載流子傳輸層二、背電極；
[0006]所述柔性襯底為PET或PEN;
[0007]所述光電極位于柔性襯底之上，為多層石墨烯或?qū)щ姼叻肿硬牧螾EDOT: PSSPH1000；
[0008]所述載流子傳輸層一為空穴傳輸層，載流子傳輸層二為電子傳輸層;或者載流子傳輸層一為電子傳輸層，載流子傳輸層二為空穴傳輸層；所述空穴傳輸層材料可以為PEDOT:PSS AI4083、PTAA或Spiro-OMeTAD;所述電子傳輸層材料可以為PCBM、ZnO或Ti02，厚度為40-50納米；
[0009]所述鈣鈦礦吸光層位于載流子傳輸層一和載流子傳輸層二之間，材料為CH3NH3PbI3 或 CH3NH3PbI3—xClx，厚度為 260-400 納米；
[0010]所述背電極位于載流子傳輸層二之上，為電子提取層/導(dǎo)電層復(fù)合結(jié)構(gòu)或金屬導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電層材料為Al、Ag或Au，厚度為60-150納米。
[0011]進(jìn)一步，所述光電極中的多層石墨烯為兩層、三層或四層石墨烯薄膜。
[0012]本發(fā)明提供了一種平面異質(zhì)結(jié)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，利用柔韌性好、透光率高、方阻低的多層石墨烯以及導(dǎo)電高分子材料來(lái)制備高性能柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，克服了目前剛性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池厚重、體積大等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明所提供的一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，101為柔性襯底、102為光電極、103為載流子傳輸層一、104為媽鈦礦吸光層、105為載流子傳輸層二、106為背電極。
[0014]圖2為實(shí)施例1中基于導(dǎo)電高分子材料PH1000的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；其中，201為柔性襯底PET; 202為光電極;203為空穴傳輸層;204為鈣鈦礦吸光層；205為電子傳輸層;206為RhodaminelOl; 207為L(zhǎng)iF; 208為金屬Al;其中，背電極為電子提取層/導(dǎo)電層復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括206、207、208。
[0015]圖3為實(shí)施例2中基于三層石墨烯的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；其中，301為柔性襯底;302為三層石墨烯;303為空穴傳輸層;304為鈣鈦礦吸光層;305為電子傳輸層；306為RhodaminelOl; 307為L(zhǎng)iF; 308為金屬Al;其中，背電極為電子提取層/導(dǎo)電層復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括306、307、308。
[0016]圖4為實(shí)施例3中基于雙層石墨烯的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；其中，401為柔性襯底;402為雙層石墨烯;403為電子傳輸層;404為鈣鈦礦吸光層;405為空穴傳輸層；406為背電極。
[0017]圖5為實(shí)施例4中基于四層石墨烯的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；其中，501為柔性襯底;502為四層石墨烯;503為電子傳輸層;504為鈣鈦礦吸光層;505為空穴傳輸層；506為背電極。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明提供的太陽(yáng)能電池器件工作原理為:當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池上，吸光層吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生激子，激子運(yùn)動(dòng)到吸光層/傳輸層界面，在自建電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分離，經(jīng)傳輸材料分別到達(dá)陰極和陽(yáng)極，形成光電流。本發(fā)明所提供的一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如附圖1所示；其中，101為柔性襯底、102為光電極、103為載流子傳輸層一、104為鈣鈦礦吸光層、105為載流子傳輸層二、106為背電極。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1
[0020]本實(shí)施例提供一種基于PH1000透明導(dǎo)電陽(yáng)極的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該電池結(jié)構(gòu)如圖2所示;其中，201為柔性襯底PET ； 202為光電極，材料為PEDOT: PSS PH1000，作為電池陽(yáng)極；203載流子傳輸層一為空穴傳輸層，材料為PEDOT: PSS AI4083; 204為鈣鈦礦吸光層CH3NH3PbI3; 205載流子傳輸層二為電子傳輸層，材料為PCBM; 206為RhodaminelOl，207為L(zhǎng)iF，208為金屬Al，206、207和208共同組成背電極，作為電池的陰極。
[0021]該太陽(yáng)能電池的制作方法為:在潔凈環(huán)境中，于PET柔性襯底上旋涂制備PH1000陽(yáng)極，厚度為lOOnm。接著旋轉(zhuǎn)涂布空穴傳輸層AI4083，轉(zhuǎn)速5000RPM，時(shí)間60秒，在熱板上130度加熱20分鐘，將基片轉(zhuǎn)移至手套箱中，依次旋轉(zhuǎn)涂布013順3?1313、？081、1^0(1&1^1^101，將1:1摩爾比的]\^1/^12溶在01^中形成40￥七％的013冊(cè)疋1313前驅(qū)體溶液，在60度下加熱30分鐘，之后加入10ul ΗΙ/lml鈣鈦礦溶液，將鈣鈦礦前驅(qū)體70度加熱，在3000RPM的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂布200秒，100度下退火2分鐘，形成厚度為300納米的吸光層。將PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的轉(zhuǎn)速下制得厚度為50納米的電子傳輸層。在2000RPM轉(zhuǎn)速下，制備I納米R(shí)hodaminelOl(0.05wt%，IPA)。將基片轉(zhuǎn)移至熱阻蒸發(fā)鍍膜機(jī)腔室，蒸鍍I納米LiF和100納米Al電極，完成器件的制備。經(jīng)測(cè)試，電池平均效率為14.6%。
[0022]實(shí)施例2
[0023]本實(shí)施例提供一種基于三層石墨烯透明導(dǎo)電陽(yáng)極的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)如附圖3所示;其中，301為柔性襯底PET;302光電極為三層石墨烯，作為電池陽(yáng)極;303載流子傳輸層一為空穴傳輸層，材料為PED0T:PSS AI4083; 304為鈣鈦礦吸光層CH3NH3PbI3-XClX;305載流子傳輸層二為電子傳輸層PCBM; 306為RhodaminelOl，307為L(zhǎng)iF，308為金屬Al，306、307和308共同組成背電極，作為電池的陰極。
[0024]該電池的制備方法為:在Cu襯底上，采用CVD方法制備單層石墨烯薄膜，通過(guò)PMMA將石墨烯轉(zhuǎn)移至PET上，通過(guò)三次轉(zhuǎn)移形成三層石墨烯薄膜，其方阻為65 Ω/□，透光率為91 %。在潔凈環(huán)境中旋轉(zhuǎn)涂布AI4083，形成約70納米的薄膜。將基片轉(zhuǎn)移至手套箱中，依次旋轉(zhuǎn)涂布CH3NH3PbI3-xClx、PCBM、Rhodaminel01，CH3NH3Pbl3-xClx由0.08M PbCl2、0.97M PbI2和IMMAI溶在體積比為3: 7的DMS0/GBL混合有機(jī)溶劑中，將鈣鈦礦前驅(qū)體70度加熱，旋涂條件為第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的時(shí)候用160ul無(wú)水甲苯萃取，得到表面光滑的鈣鈦礦薄膜，在100度下退火20分鐘，形成厚度約為260納米的吸光層。將PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的轉(zhuǎn)速下制得厚度約為40納米的電子傳輸層。在2000RPM轉(zhuǎn)速下，制備I納米R(shí)hodaminel01(0.05wt%，IPA)。將基片轉(zhuǎn)移至熱阻蒸發(fā)鍍膜機(jī)腔室，蒸鍍I納米LiF和100納米Al電極，完成器件的制備。經(jīng)測(cè)試，電池平均效率為13.8%。
[0025]實(shí)施例3
[0026]本實(shí)施例提供一種基于雙層石墨烯透明導(dǎo)電陰極的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，電池結(jié)構(gòu)如圖4所示；其中，401為柔性襯底PEN; 402光電極為雙層石墨烯，作為電池陰極;403載流子傳輸層一為電子傳輸層，材料為ZnO; 404為鈣鈦礦吸光層CH3NH3PbI3; 405載流子傳輸層二為空穴傳輸層，材料為PTAA; 406背電極為Au，作為電池陽(yáng)極。
[0027]該太陽(yáng)能電池的制作方法為:在Cu襯底上，采用CVD方法制備單層石墨烯薄膜，通過(guò)PMMA將石墨烯轉(zhuǎn)移至PEN上，通過(guò)兩次轉(zhuǎn)移形成雙層石墨烯薄膜，其方阻為106 Ω/□，透光率為94%。在超凈環(huán)境中，配制5.3%Zn0納米溶膠，在2000rpm轉(zhuǎn)速下旋涂制備ZnO電子傳輸層，在150度下干燥1min，得到40nm厚的納米薄膜。將基片轉(zhuǎn)移至手套箱中，旋涂制得吸光層CH3NH3PbI3和空穴傳輸層PTAA，將1:1摩爾比的]\^1/?1312溶在01^中形成40￥七％的CH3NH3PbI3前驅(qū)體溶液，在60度下加熱30分鐘，在Iml鈣鈦礦溶液中加入10ul HI，將鈣鈦礦前驅(qū)體70度加熱，在3000RPM的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂布200秒，100度下退火2分鐘，形成厚度約為300nm的吸光層。在3000rpm轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)涂布加有L1-TFSI and t_BP的PTAA溶液，形成50nm厚的空穴傳輸層。將基片轉(zhuǎn)移至熱阻蒸發(fā)鍍膜機(jī)腔室，蒸鍍60nm Au電極，完成器件的制備。經(jīng)測(cè)試，電池平均效率為13.1 %。
[0028]實(shí)施例4
[0029]本實(shí)施例提供一種基于四層石墨烯透明導(dǎo)電陰極的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)如圖5所示;其中，501為柔性襯底PEN; 502光電極為四層石墨烯，作為電池陰極;503載流子傳輸層一為電子傳輸層，材料為T(mén)i02;504為I丐鈦礦吸光層CH3NH3Pbl3-xClx;505載流子傳輸層二為空穴傳輸層，材料為spiro-0MeTAD;506背電極為Ag，作為電池陽(yáng)極。
[0030]該電池的制備方法為:在Cu襯底上，采用CVD方法制備單層石墨烯薄膜，通過(guò)PMMA將石墨烯轉(zhuǎn)移至PEN上，通過(guò)四次轉(zhuǎn)移形成四層石墨烯薄膜，其方阻為47 Ω/□，透光率為88%。在超凈環(huán)境中，使用噴霧高溫分解法制備30nm Ti02電子傳輸層。將基片轉(zhuǎn)移至手套箱中，旋涂制得吸光層CH3NH3PbI3—xClx和空穴傳輸層spiro-OMeTAD，CH3NH3PbI3—xClx由0.08MPbCl2、0.97M PbI2和IM MAI溶在體積比為3:7的DMS0/GBL混合有機(jī)溶劑中，將鈣鈦礦前驅(qū)體70度加熱，旋涂條件為第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的時(shí)候用160ul無(wú)水甲苯萃取，得到表面光滑的鈣鈦礦薄膜，在100度下退火20分鐘，形成厚度約為260nm的吸光層。旋涂制備加有L1-TFSI and t_BP的spiro-OMeTAD溶液，形成180nm厚的空穴傳輸層。將基片轉(zhuǎn)移至熱阻蒸發(fā)鍍膜機(jī)腔室，蒸鍍70nm Ag電極，完成器件的制備。經(jīng)測(cè)試，電池平均效率為14.5 %。
[0031]最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，該電池結(jié)構(gòu)從下至上依次為柔性襯底、光電極、載流子傳輸層一、鈣鈦礦吸光層、載流子傳輸層二、背電極，其特征在于: 所述柔性襯底為PET或PEN; 所述光電極位于柔性襯底之上，為多層石墨烯或?qū)щ姼叻肿硬牧螾EDOT: PSS PH1000; 所述載流子傳輸層一為空穴傳輸層，載流子傳輸層二為電子傳輸層;或者載流子傳輸層一為電子傳輸層，載流子傳輸層二為空穴傳輸層;所述空穴傳輸層材料可以為PEDOT: PSSAI4083、PTAA或Spiro-OMeTAD;所述電子傳輸層材料可以為PCBM、ZnO或T12; 所述鈣鈦礦吸光層位于載流子傳輸層一和載流子傳輸層二之間，材料為CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI3-XClx; 所述背電極位于載流子傳輸層二之上，為電子提取層/導(dǎo)電層復(fù)合結(jié)構(gòu)或金屬導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電層材料為Al、Ag或Au。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述光電極中的多層石墨烯為雙層、三層或四層石墨烯薄膜。
【文檔編號(hào)】H01L51/42GK106058057SQ201610664241
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月12日 公開(kāi)號(hào)201610664241.5, CN 106058057 A, CN 106058057A, CN 201610664241, CN-A-106058057, CN106058057 A, CN106058057A, CN201610664241, CN201610664241.5
【發(fā)明人】冷重錢(qián), 陸仕榮, 楊俊 , 湯林龍, 羅偉, 姬乙雄, 麻超燕, 魏興戰(zhàn), 史浩飛
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院