一种基于石墨烯的半透明太阳能电池的制作方法

本发明属于石墨烯制备和应用技术领域，具体为一种基于石墨烯的半透明太阳能电池。

背景技术：

随着工业社会的不断发展，人类对能源的需求量与日俱增，特别是近些年来，国际原油价格的不断上升，进一步引起了人们对能源问题的重视。以太阳能电池为核心的光伏产业直接将太阳能转化成电能，是目前人类可以利用的最清洁的能源之一，是公认的“绿色能源”。近年来一种基于钙钛矿结构的abx3(x代表卤族元素)材料在最近几年引起了光伏研究领域的极大关注，并且广泛应用于高效太阳电池的技术研究。经过短短6年的发展，到目前为止，钙钛矿太阳电池的最高认证效率已达到了21％。因其突飞猛进的光电转换效率和极为丰富的材料来源，被《science》评选为2013年十大科学突破之一。

传统的钙钛矿太阳能电池使用氧化铟锡ito作为透明电极，但是ito电极存在一系列问题，主要表现在：1、铟资源是稀有资源且不可再生，价格高昂。2、ito的脆性，高温条件下的差的导电性限制了ito在包括柔性器件等诸多特殊领域的应用。近来，碳纳米管、石墨烯、导电高分子聚合物等材料在透明电极方面展现出良好的应用前景，具有良好的柔性，但是上述材料在导电性和透光率两方面不能兼得。

半透明太阳能电池在发电的同时，可以保证屋内采光要求，适用于大厦窗户、外墙、天窗和屋顶等建筑结构。传统半透明钙钛矿太阳能电池多采用mg、al、ag或者它们的合金作为透明电极，由于需要电极需要透明，所以金属电极的厚度很薄，一般在十几或者数十纳米之间。但是由于ch3nh3pbi3钙钛矿层在水氧作用下碘的析出，极易造成薄的金属电极的腐蚀，从而对器件性能造成毁灭性的破坏，降低电池的寿命。

所以，提供一种新的半透明太阳能电池成为我们要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的半透明太阳能电池，以解决上述背景技术中提出的氧化铟锡ito作为透明电极，价格高昂，以及传统的半透明太阳能电池透明金属电极易于被腐蚀导致器件寿命低下的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

作为本发明的一个方面，提供了一种基于石墨烯的半透明太阳能电池，自下而上包括：衬底、石墨烯阳极、阳极修饰层、钙钛矿光活性层、阴极修饰层、石墨烯阴极，其特征在于：所述石墨烯阳极为三层薄膜结构，包括石墨烯第一阳极层、petdot:pss第二阳极层和石墨烯第三阳极层，所述的石墨烯第一阳极层、petdot:pss第二阳极层和石墨烯第三阳极层成的三明治结构，所述的石墨烯第一阳极层的厚度为5-15nm，petdot:pss第二阳极层厚度20-50nm，石墨烯第三阳极层的厚度为15-30nm；所述石墨烯阴极为三层薄膜结构，包括石墨烯第一阴极层、ag纳米线第二阴极层和石墨烯第三阴极层，所述的石墨烯第一阴极层、ag纳米线第二阴极层和石墨烯第三阴极层成的三明治结构，所述的石墨烯第一阴极层的厚度为5-15nm，ag纳米线第二阴极层厚度2-5nm，石墨烯第三阴极层的厚度为15-30nm。

优选的，所述的衬底包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及pet、pen、pi、pc及pdms等聚合物柔性衬底，所述衬底在可见光波段的平均透光率高于90％。

优选的，所述阳极修饰层为cupc、pbpc、petdot:pss、cuscn、cui、niox、pbi、moo3、wo3和v2o5中的一种或者多种，所述阳极修饰层厚度为20nm。

优选的，所述钙钛矿光活性层为ch3nh3pbi3，所述的钙钛矿光活性层的厚度为200-1000nm。

优选的，所述阴极修饰层包括但不限于zno氧化锌、tio2二氧化钛、c60、c70、pcbm，所述阴极修饰层的厚度为30nm。

作为本发明的第二个方面，提供了一种基于石墨烯的半透明太阳能电池的制备方法，其特征在于：器件的制备包括如下步骤，

s1、清洗衬底：将在衬底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗10min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干，烘干后在254nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；

s2、制备石墨烯阳极：在衬底上依次制备石墨烯第一阳极层、petdot:pss第二阳极层和石墨烯第三阳极层；

s3、制备阳极修饰层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在有机光活性层上制备一层厚度20nm的阳极修饰层；

s4、制备钙钛矿光活性层：在阳极修饰层上旋涂pbi2的二甲基甲酰胺溶液，并在70℃下退火15min，以蒸发有机溶剂，旋涂时的转速为2000-3500r/min，旋涂的时间为30-60s；将上述基片浸泡在ch3nh3i的异丙醇溶液中，在60℃温度下保持5-20min，以保证pbi2与ch3nh3i这两种材料充分反应；所得基片用异丙醇冲洗后，放在100℃加热板上退火30-100min；

s5、制备阴极修饰层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在钙钛矿光活性层上制备一层厚度30nm的阴极修饰层；

s6、制备石墨烯阴极：在衬底上依次制备石墨烯第一阴极层、ag纳米线第二阴极层和石墨烯第三阴极层。

进一步的，所述石墨烯阳极的制备包括步骤：在衬底上转移石墨烯第一阳极层，石墨烯第一阳极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至衬底上，其厚度为5-15nm；在上述石墨烯薄膜上通过旋转涂覆的方法生长petdot:pss第二阳极层；涂覆过程中，控制匀胶机设备的转速为低速500r/min，5s，高速200-5000r/min，30-50s，旋转涂覆完毕后，置于120℃加热板上退火20分钟；petdot:pss第二阳极层制备完毕后，在上述petdot:pss第二阳极层上转移石墨烯第三阳极层，石墨烯第三阳极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至petdot:pss第二阳极层上，其厚度为15-30nm。

进一步的，所述石墨烯阴极的制备包括步骤：在衬底上转移石墨烯第一阴极层，石墨烯第一阴极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至阴极修饰层上，其厚度为5-15nm；在上述石墨烯薄膜上通过旋转涂覆的方法生长ag纳米线第二阴极层；涂覆过程中，控制匀胶机设备的转速为低速500rpm，3s，高速3000-3500rpm，30-50s；ag纳米线第二阴极层，在上述ag纳米线第二阴极层上转移石墨烯第三阴极层，石墨烯第三阴极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至ag纳米线第二阴极层上，其厚度为15-30nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用石墨烯作为半透明太阳能电池的透明阳极和透明阴极，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，有利于更多的光子进入有机太阳能电池的光活性层，也有利于电子的收集，并最终有利于提高电池的效率和半透明电池的透明度。石墨烯具备极强的稳定性，抗腐蚀性强，与溶液工艺兼容，不但有利于后续太阳能电池的各种溶液工艺的进行，更有利于提高电池的寿命。(2)本发明的基于石墨烯复合透明电极的半透明太阳能电池不仅具有良好的透光率、导电性、柔性及稳定性；而且具有生产成本低、光电转化效率高，易于柔性集成、适合于透明太阳能电池大规模工业生产的应用。

附图说明

图1为本发明的基于石墨烯的半透明太阳能电池结构示意图；

图2为本发明的石墨烯阳极结构示意图；

图3为本发明的石墨烯阴极结构示意图；

图4为本发明的基于石墨烯的半透明太阳能电池制作流程示意图。

图中：1-衬底，2-石墨烯阳极，3-阳极修饰层，4-钙钛矿光活性层，5、阴极修饰层，6-反射阴极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于石墨烯的半透明太阳能电池，自下而上包括：衬底1、石墨烯阳极2、阳极修饰层3、钙钛矿光活性层4、阴极修饰层5、石墨烯阴极(6)，所述石墨烯阳极2为三层薄膜结构，包括石墨烯第一阳极层201、petdot:pss第二阳极层202和石墨烯第三阳极层203，所述的石墨烯第一阳极层201、petdot:pss第二阳极层202和石墨烯第三阳极层203成的三明治结构，所述的石墨烯第一阳极层201的厚度为5-15nm，petdot:pss第二阳极层202厚度20-50nm，石墨烯第三阳极层203的厚度为15-30nm；所述石墨烯阴极6为三层薄膜结构，包括石墨烯第一阴极层601、ag纳米线第二阴极层602和石墨烯第三阴极层603，所述的石墨烯第一阴极层601、ag纳米线第二阴极层602和石墨烯第三阴极层603成的三明治结构，所述的石墨烯第一阴极层601的厚度为5-15nm，ag纳米线第二阴极层602厚度2-5nm，石墨烯第三阴极层603的厚度为15-30nm。所述的衬底1包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及pet、pen、pi、pc及pdms等聚合物柔性衬底，所述衬底在可见光波段的平均透光率高于90％。所述阳极修饰层3为cupc、pbpc、petdot:pss、cuscn、cui、niox、pbi、moo3、wo3和v2o5中的一种或者多种，所述阳极修饰层3厚度为20nm。所述钙钛矿光活性层4为ch3nh3pbi3，所述的钙钛矿光活性层4的厚度为200-1000nm。所述阴极修饰层5包括但不限于zno氧化锌、tio2二氧化钛、c60、c70、pcbm，所述阴极修饰层5的厚度为30nm。

一种基于石墨烯的半透明太阳能电池的制备方法，器件的制备包括如下步骤，

s1、清洗衬底：将在衬底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗10min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干，烘干后在254nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；

s2、制备石墨烯阳极：在衬底上依次制备石墨烯第一阳极层、petdot:pss第二阳极层和石墨烯第三阳极层；

s3、制备阳极修饰层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在有机光活性层上制备一层厚度20nm的阳极修饰层；

s4、制备钙钛矿光活性层：在阳极修饰层上旋涂pbi2的二甲基甲酰胺溶液，并在70℃下退火15min，以蒸发有机溶剂，旋涂时的转速为2000-3500r/min，旋涂的时间为30-60s；将上述基片浸泡在ch3nh3i的异丙醇溶液中，在60℃温度下保持5-20min，以保证pbi2与ch3nh3i这两种材料充分反应；所得基片用异丙醇冲洗后，放在100℃加热板上退火30-100min；

s5、制备阴极修饰层：采用热蒸镀法或者旋转涂覆法，在钙钛矿光活性层上制备一层厚度30nm的阴极修饰层；

s6、制备石墨烯阴极：在衬底上依次制备石墨烯第一阴极层、ag纳米线第二阴极层和石墨烯第三阴极层。

进一步的，所述石墨烯阳极的制备包括步骤：在衬底上转移石墨烯第一阳极层，石墨烯第一阳极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至衬底上，其厚度为5-15nm；在上述石墨烯薄膜上通过旋转涂覆的方法生长petdot:pss第二阳极层；涂覆过程中，控制匀胶机设备的转速为低速500r/min，5s，高速200-5000r/min，30-50s，旋转涂覆完毕后，置于120℃加热板上退火20分钟；petdot:pss第二阳极层制备完毕后，在上述petdot:pss第二阳极层上转移石墨烯第三阳极层，石墨烯第三阳极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至petdot:pss第二阳极层上，其厚度为15-30nm。

进一步的，所述石墨烯阴极的制备包括步骤：在衬底上转移石墨烯第一阴极层，石墨烯第一阴极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至阴极修饰层上，其厚度为5-15nm；在上述石墨烯薄膜上通过旋转涂覆的方法生长ag纳米线第二阴极层；涂覆过程中，控制匀胶机设备的转速为低速500rpm，3s，高速3000-3500rpm，30-50s；ag纳米线第二阴极层，在上述ag纳米线第二阴极层上转移石墨烯第三阴极层，石墨烯第三阴极层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至ag纳米线第二阴极层上，其厚度为15-30nm。

本发明采用石墨烯的复合结构作为半透明太阳能电池的透明阳极和透明阴极，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，有利于更多的光子进入有机太阳能电池的光活性层，也有利于电子的收集，并最终有利于提高电池的效率和半透明电池的透光性。石墨烯具备极强的稳定性，抗腐蚀性强，与溶液工艺兼容，不但有利于后续有机太阳能电池的各种溶液工艺的进行，更有利于提高电池的寿命。本发明的基于石墨烯复合透明电极的半透明太阳能电池不仅具有良好的透光率、导电性、柔性及稳定性；而且具有生产成本低、光电转化效率高，易于柔性集成、适合于透明太阳能电池大规模工业生产的应用。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。