本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体的是涉及一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池及制备方法。
背景技术：
国家光伏电站“领跑者计划”的推出，从国家层面对组件单位功率输出提出了更高的技术研发要求，也对电池的单片转换效率提出新的高要求，光伏产业各电池制造商都在加大电池研究开发和设计制造力度以期达到效率提升要求，从而提高自身产品竞争力。perc电池已经逐步成为单晶电池的标准制造工艺技术路线，主流的电池厂商都有基于perc的电池工艺，目前一线电池厂的perc电池转换效率已经超过22％，而新出现的钙钛矿-晶体硅叠层电池是近几年新型太阳电池的一个热门研究方向。从理论上讲，这种电池的转换效率可以达到30％以上，而perc电池是目前晶体硅电池中性价比最优的产品，晶体硅电池与钙钛矿电池的叠层电池将会带来更高的转换效率。叠层电池一般由顶电池和底电池构成，在顶底电池之间添加一层透明导电氧化物，可以激发顶电池内部的折射率引导的导模共振陷光，有效阻隔顶层电池导波光耦合到底层电池，例如用ito作为隧穿结，可以分离空穴电子对，另外在钙钛矿电池中的一个重要结构是电子传输层，可以允许电子通过，有效阻挡空穴通过，例如tio2可以作为电子传输层。
南京大学申请的专利(cn201510382778.8)，电子传输层可以采用zno、tio2、pcbm，武汉大学申请的专利(cn201520035816.8)，用sno2作为电子传输层，主要是因为sno2对钙钛矿吸光层的分解作用比tio2弱，中国科学院广州能源研究所申请的专利(cn201410281030.4)，用tio2纳米管阵列作为电子传输层，主要用于光催化领域。用传统的金属氧化物作为电子传输层，制备方法是磁控溅射或旋涂，使得钙钛矿叠层电池总制备工艺步骤繁多复杂，且钙钛矿电池的水稳定性差，因此研发出本发明一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池及制备方法，基于石墨炔作为电子传输层，可以提高钙钛矿叠层电池的能量转换效率，提高钙钛矿电池的水稳定性，简化电池制备工艺步骤，中国科学院物理研究所申请的专利(cn201410610637.2)，将石墨炔材料作为钙钛矿电池的空穴传输层，但没有将其用于钙钛矿-晶体硅perc叠层电池的电子传输层。
故如何解决上述技术问题，对于本领域技术人员来说很有现实意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于：为了解决现有perc叠层电池用传统的金属氧化物作为电子传输层，制备工艺步骤繁多复杂，且电池的水稳定性差的技术问题，本发明提供一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池及制备方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池，包括自下而上依次连接的氮化硅减反射膜、第一氧化铝钝化膜、磷扩散层、p型晶体硅、第二氧化铝钝化膜、氮化硅钝化保护膜、tco复合层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、空穴缓冲层和tco减反射层，电子传输层的材料为石墨炔或石墨炔-tio2复合物或石墨炔-pcbm复合物。
进一步地，tco复合层和tco减反射层均为ito薄膜、iwo薄膜、fto薄膜、azo薄膜中的任一种。
进一步地，钙钛矿层材料的分子通式为abx3，a为有机阳离子，b为金属阳离子，x为卤族阴离子，有机阳离子为ch3nh3+、nh2ch＝nh2+、ch3ch2nh3+中的任一种，金属阳离子为pb2+，卤族阴离子为i-、cl-、br-中的任一种。
进一步地，空穴传输层的材质为聚-3已基噻吩、小分子空穴传输材料、无机空穴传输材料中的任一种。
进一步地，空穴缓冲层的材质为moox、zno、tio2中的任一种。
一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池的制备方法，包括以下步骤：
s1：p型晶体硅经过制绒、扩散、刻蚀、退火后，p型晶体硅一面形成磷扩散层，然后在其双面镀3nm-20nm氧化铝钝化膜，分别得到第一氧化铝钝化膜和第二氧化铝钝化膜，第一氧化铝钝化膜镀在磷扩散层上；
s2：然后在第一氧化铝钝化膜上镀80nm-150nm的氮化硅减反射膜，并在第二氧化铝钝化膜上镀80nm-150nm的氮化硅钝化保护膜；
s3：再在氮化硅钝化保护膜处做激光刻槽形成perc底电池，用rpd设备在perc底电池背面沉积一层tco复合层；
s4：然后将粒径80-140nm的石墨炔溶解到有机溶剂中，搅拌后将浆料旋涂到tco复合层上作为电子传输层，或者将石墨炔溶解到有机溶剂中并搅拌后加入pcbm或tio2，石墨炔占溶液比重为3％-10％，pcbm或tio2占溶液比重为3％-10％，搅拌后将混合浆料旋涂到tco复合层上作为电子传输层：
s5：再将制备好的abx3型钙钛矿材料旋涂在电子传输层上，作为钙钛矿层；
s6：再将聚-3已基噻吩或小分子空穴传输材料或无机空穴传输材料旋涂到钙钛矿层上，作为空穴传输层；
s7：再用溅射法制备一层moox薄膜或zno薄膜或tio2薄膜镀在空穴传输层上，作为空穴缓冲层：
s8：在空穴缓冲层外用rpd设备沉积一层ito薄膜或iwo薄膜或fto薄膜或azo薄膜作为tco减反射层，最后在电池的两端制备电极，形成叠层电池。
本发明的有益效果如下：
1、新材料石墨炔是由1，3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构的全碳分子，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能。理论计算结果表明：石墨烯的最低未占据分子轨道lumo带宽大于其最高占据分子轨道homo的带宽，而homo与lumo之间的能量差称为“能带隙”，表明它应该是n-型材料，对比于带隙能为零的石墨烯，石墨炔具有天然的带隙能，这种直接存在的带隙能使石墨炔能够直接实际应用于光电器件，将石墨炔或石墨炔-tio2复合物或石墨炔-pcbm复合物作为电子传输层，可以提高钙钛矿叠层电池的能量转换效率，提高电池的水稳定性，简化电池制备工艺步骤，性价比高，有很大的市场运用前景。其中石墨炔-tio2复合物有利于电子在界面间的转移，并减低电子-空穴的复合率.通过对电子结构的分析发现，在石墨炔-tio2复合物的带隙中引入了多条杂质能级，杂质能级能够为光激发时电子的跃迁提供辅助平台作用，同时石墨炔-tio2复合物的价带位置比石墨烯-tio2复合物更低，说明其氧化能力更强，有利于其光催化性能的提高。
附图说明
图1是本发明一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池及制备方法的结构示意图。
附图标记：1-氮化硅减反射膜，2-第一氧化铝钝化膜，3-磷扩散层，4-p型晶体硅，5-第二氧化铝钝化膜，6-氮化硅钝化保护膜，7-tco复合层，8-电子传输层，9-钙钛矿层，10-空穴传输层，11-空穴缓冲层，12-tco减反射层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池及制备方法，一种基于石墨炔电子传输层8的太阳能叠层电池，包括自下而上依次连接的氮化硅减反射膜1、第一氧化铝钝化膜2、磷扩散层3、p型晶体硅4、第二氧化铝钝化膜5、氮化硅钝化保护膜6、tco复合层7、电子传输层8、钙钛矿层9、空穴传输层10、空穴缓冲层11和tco减反射层12，电子传输层8的材料为石墨炔或石墨炔-tio2复合物或石墨炔-pcbm复合物。
新材料石墨炔是由1，3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构的全碳分子，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能。理论计算结果表明：石墨烯的最低未占据分子轨道lumo带宽大于其最高占据分子轨道homo的带宽，而homo与lumo之间的能量差称为“能带隙”，表明它应该是n-型材料，对比于带隙能为零的石墨烯，石墨炔具有天然的带隙能，这种直接存在的带隙能使石墨炔能够直接实际应用于光电器件，将石墨炔或石墨炔-tio2复合物或石墨炔-pcbm复合物作为电子传输层，可以提高钙钛矿叠层电池的能量转换效率，提高电池的水稳定性，简化电池制备工艺步骤，性价比高，有很大的市场运用前景。
当电子传输层材料为石墨炔时，可以设置1-3层石墨炔，当电子传输层材料为石墨炔-tio2复合物时，石墨炔-tio2复合物有利于电子在界面间的转移，并减低电子-空穴的复合率.通过对电子结构的分析发现，在石墨炔-tio2复合物的带隙中引入了多条杂质能级，杂质能级能够为光激发时电子的跃迁提供辅助平台作用，同时石墨炔-tio2复合物的价带位置比石墨烯-tio2复合物更低，说明其氧化能力更强，有利于其光催化性能的提高。
进一步地，tco复合层7和tco减反射层12均为ito薄膜、iwo薄膜、fto薄膜、azo薄膜中的任一种，这里的tco复合层起到分离空穴电子对的作用，ito薄膜、iwo薄膜、fto薄膜、azo薄膜均具有一定的导电率，满足使用要求。
进一步地，钙钛矿层9材料的分子通式为abx3，a为有机阳离子，b为金属阳离子，x为卤族阴离子，有机阳离子为ch3nh3+、nh2ch＝nh2+、ch3ch2nh3+中的任一种，金属阳离子为pb2+，卤族阴离子为i-、cl-、br-中的任一种。
进一步地，空穴传输层10的材质为聚-3已基噻吩、小分子空穴传输材料、无机空穴传输材料中的任一种。
进一步地，空穴缓冲层11的材质为moox、zno、tio2中的任一种。
实施例2
一种基于石墨炔电子传输层的太阳能叠层电池的制备方法，包括以下步骤：
s1：p型晶体硅经过制绒、扩散、刻蚀、退火后，p型晶体硅一面形成磷扩散层，然后在其双面镀3nm-20nm氧化铝钝化膜，分别得到第一氧化铝钝化膜和第二氧化铝钝化膜，第一氧化铝钝化膜镀在磷扩散层上；
s2：然后在第一氧化铝钝化膜上镀80nm-150nm的氮化硅减反射膜，并在第二氧化铝钝化膜上镀80nm-150nm的氮化硅钝化保护膜；
s3：再在氮化硅钝化保护膜处做激光刻槽形成perc底电池，用rpd设备在perc底电池背面沉积一层tco复合层；
s4：然后将粒径80-140nm的石墨炔溶解到有机溶剂中，搅拌后将浆料旋涂到tco复合层上作为电子传输层，或者将石墨炔溶解到有机溶剂中并搅拌后加入pcbm或tio2，石墨炔占溶液比重为3％-10％，pcbm或tio2占溶液比重为3％-10％，搅拌后将混合浆料旋涂到tco复合层上作为电子传输层：
s5：再将制备好的abx3型钙钛矿材料旋涂在电子传输层上，作为钙钛矿层；
s6：再将聚-3已基噻吩或小分子空穴传输材料或无机空穴传输材料旋涂到钙钛矿层上，作为空穴传输层；
s7：再用溅射法制备一层moox薄膜或zno薄膜或tio2薄膜镀在空穴传输层上，作为空穴缓冲层：
s8：在空穴缓冲层外用rpd设备沉积一层ito薄膜或iwo薄膜或fto薄膜或azo薄膜作为tco减反射层，最后在电池的两端制备电极，形成叠层电池。
其中在步骤s4中电子传输层的制备是关键，当电子传输层仅涂覆石墨炔有机溶剂时，可以涂覆1-3层，当石墨炔溶解到有机溶剂中并搅拌后加入pcbm或tio2时，需要合理控制各成分配比，经过试验证明，石墨炔占溶液比重为3％-10％，pcbm或tio2占溶液比重为3％-10％，制得的石墨炔-tio2复合物或石墨炔-pcbm复合物的材料性能更加优异。制备工艺比较简化，操作难度低。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。