一种用石墨烯作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池的制作方法

本发明涉及以石墨烯用作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池，属于新能源技术领域。

背景技术：

钙钛矿型太阳能电池(perovskitesolarcells)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。钙钛矿晶体为abx3结构，一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中，a离子位于立方晶胞的中心，被12个x离子包围成配位立方八面体，配位数为12；b离子位于立方晶胞的角顶，被6个x离子包围成配位八面体，配位数为6，如图所示，其中，a离子和x离子半径相近，共同构成立方密堆积。

石墨烯是目前已知最薄(单原子层厚度约0.34nm)、最坚硬的纳米材料(杨氏模量1tpa，固有强度130gpa)几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，导热系数高达5300w/mk，室温电子迁移率大于15000cm2/v·s，电阻率仅为10-6ω·cm，为目前电阻率最小的材料。同时，石墨烯拥有极高的气密性，任何气体均不能完全透过。且由于它的电阻率极低，电子迁移速度极快，非常适合用来做太阳能电池。根据石墨烯的原子结构，其碳原子所形成的六边形间隙只允许半径为0.032nm大小的原子通过，该尺寸比半径最小的原子(氢:0.079nm)还小，因此石墨烯薄膜具有独特的抗渗性。由于贵金属纳米复合粒子在光学、电学及生物学等领域都存在着潜在的应用前景，所以对金属纳米复合粒子的研究成为目前一个非常引人注目的研究领域。纳米银复合材料的高导热性和导电性，以及较高的表面活性和催化性能，使纳米银复合材料近年来受到广泛的关注。随着近几年来国内外相关研究的不断深入，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率不断提高。尽管钙钛矿太阳能电池发展现状良好，但仍有若干关键因素制约了钙钛矿太阳能电池的发展，其中最关键的因素就是电池的稳定性问题，钙钛矿太阳能电池在大气中极易因为水氧的进入而导致钙钛矿层分解，致使其光电转换效率严重衰减，寻求性能稳定的钙钛矿太阳能电池一直是科研工作者追求目标。为此，需要设计相应的技术方案给予解决。

技术实现要素：

本发明是针对现有技术存在的不足，提供一种以石墨烯用作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，延长钙钛矿太阳能电池使用寿命，增大光电转换效率，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种用石墨烯作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池结构从下往上依次为：透明导电衬底、局部重掺杂区、复合导电薄膜层及金属电极，所述局部重掺杂区与所述复合导电薄膜层及金属电极直接接触，所述复合导电薄膜层将局部重掺杂区及金属电极连接成一体化的高稳定性钙钛矿太阳能电池组合体结构；

所述复合导电薄膜层包括：n型钙钛矿薄膜、p型石墨烯薄膜及p型银纳米复合薄膜。

作为上述技术方案的改进，所述透明导电衬底为fto导电玻璃或ito导电玻璃或有机柔性透明导电塑料或氧化石墨烯。

作为上述技术方案的改进，所述金属电极为pnp结构，即所述金属电极为含有石墨烯和银纳米复合材料的金属电极。

作为上述技术方案的改进，所述局部重掺杂区为采用阵列图案排布，其图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合或金刚石结构；一维几何图形选自：线段、虚线段、弧线或栅线状；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形。

作为上述技术方案的改进，所述一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm。

作为上述技术方案的改进，所述二维几何图形的尺寸均为30～200um，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。

作为上述技术方案的改进，所述金刚石结构括一体成型的台面、冠部、腰围、亭部及底面，所述金刚石结构为四面体结构，每个四面体有四个角、四个面，且每个面均为三角形。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本方案利用石墨烯薄膜独特的抗渗性和银纳米复合材料独特的导向性，将其和钙钛矿薄膜构成太阳能电池的pnp结构，既可以有效阻挡高温下金属电极向钙钛矿层的有害扩散，又能有效阻止空气中的水氧进入钙钛矿层使其分解，从而大大提高了钙钛矿太阳能电池的水氧稳定性和热稳定性，延长了其使用寿命；此外，且石墨烯和银纳米复合材料具有成本低，高电导性，高透光率及良好的光照热稳定性等优势，极大提高了钙钛矿太阳能电池的输出功率和光电转换效率。

附图说明

图1为本发明所述的用石墨烯作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池结构示意图；

图2是为点状局部重掺杂分布示意图；

图3是为线段状局部重掺杂分布示意图；

图4是为金刚石结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1至图4所示：为本发明所述的用石墨烯作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池结构示意图。

本发明所述的用石墨烯作为导电电极的高稳定性钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池结构从下往上依次为：透明导电衬底1、局部重掺杂区2、复合导电薄膜层及金属电极4，局部重掺杂区2与复合导电薄膜层及金属电极4直接接触，复合导电薄膜层将局部重掺杂区2及金属电极4连接成一体化的高稳定性钙钛矿太阳能电池组合体结构；所述复合导电薄膜层包括：n型钙钛矿薄膜31、p型石墨烯薄膜32及p型银纳米复合薄膜33。其制备方法如下：首先，取一块干净的fto导电玻璃衬底，将fto导电玻璃衬底采用超声波化学清洗，利用液相一步法局部重掺杂区上沉积p型石墨烯薄膜32；然后，利用化学气相沉积法在p型石墨烯薄膜32上沉积n型钙钛矿薄膜31，再在n型钙钛矿薄膜31上沉积p型银纳米复合薄膜33；最后，采用丝网印刷法在复合导电薄膜和层fto导电玻璃衬底上沉积金属电极，即制得所需要的钙钛矿薄膜太阳能电池。本方案利用石墨烯薄膜独特的抗渗性和银纳米复合材料独特的导向性，将其和钙钛矿薄膜构成太阳能电池的pnp结构，既可以有效阻挡高温下金属电极向钙钛矿层的有害扩散，又能有效阻止空气中的水氧进入钙钛矿层使其分解，从而大大提高了钙钛矿太阳能电池的水氧稳定性和热稳定性，延长了其使用寿命；此外，且石墨烯和银纳米复合材料具有成本低，高电导性，高透光率及良好的光照热稳定性等优势，极大提高了钙钛矿太阳能电池的输出功率和光电转换效率。

进一步改进地，所述透明导电衬底1为fto导电玻璃或ito导电玻璃或有机柔性透明导电塑料或氧化石墨烯；所述金属电极4为pnp结构，即金属电极4为含有石墨烯和银纳米复合材料的金属电极。

具体地，如图2和图3所示：局部重掺杂区2为采用阵列图案排布，图案为一维、二维几何图形或一维与二维几何图形的组合或金刚石结构5；一维几何图形选自：线段、虚线段、弧线或栅线状；二维几何图形选自：圆形、椭圆形、纺锤形、环形、多边形、多角形或扇形；一维几何图形的线宽为30～100um，长度为0.05～1.5mm；同一行中相邻两个线形的间距为0.5～2mm，同一列中相邻两个线形的间距为0.5～2mm；所述二维几何图形的尺寸均为30～200um，相邻两个图形中心距为0.8～2mm。

其中，局部重掺杂区的操作如下：

(1)采用离子注入的方法，在经过表面织构化处理的n型单晶硅片正面与背面分别形成90ω/□与50ω/□的均匀扩散层；

(2)化学清洗硅片的正面与背面；

(3)在硅片正面先后沉积25nm左右的氧化铝和80nm左右的氮化硅；

(4)在硅片背面先后沉积25nm左右的氧化硅和80nm左右的氮化硅；

(5)在正面与背面分别喷涂含硼掺杂剂与含磷掺杂剂，喷涂图形为点状阵列，单个点的直径为100um，点与点之间的间距为1.5mm；

(6)采用激光按步骤(5)中所述的图形对掺杂剂进行脉冲加热，使正面的硼原子与背面的磷原子穿透减反射膜及钝化膜向硅基体扩散，在硅片的正面与背面形成点状阵列的局部重掺杂区域；

(7)采用溅射法在正面与背面分别制备150nm的ito透明导电膜，该透明导电膜与重掺区的硅基体直接接触，并将点状阵列分布的局部重掺杂区域连接成为钙钛矿太阳能电池正面与背面电极的导电组合体。

更具体地，如图4所示：金刚石结构5包括一体成型的台面51、冠部52、腰围53、亭部54及底面55，金刚石结构5为四面体结构，每个四面体有四个角、四个面，且每个面均为三角形，其结构强度大，且该结构使得导电层的稳定性非常好。

本方案所保护的产品目前已经投入实际生产和应用，尤其是在新能源技术领域上的应用取得了一定的成功，很显然印证了该产品的技术方案是有益的，是符合社会需要的，也适宜批量生产及推广使用。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。