一种有机钙钛矿光伏电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种有机钙钛矿光伏电池及其制备方法。

背景技术：

随着互联网时代的到来进而推进科技的飞速发展，人们对能源的需求持续增加，能源问题已经成为目前需要解决的重要问题。然而，传统的化石能源(石油、煤炭、天然气等)日益枯竭，且传统的化石能源的使用过程中也带来了环境污染的问题。寻找新型的清洁能源是人们广泛关注的问题。其中，风能、地热能、潮汐能、太阳能等新型能源的研究越来越受重视。太阳能电池可以直接将光能转换成电能，因而具有十分广阔的发展前景。目前工艺技术成熟的硅基太阳能电池的转换效率高且性能稳定，但是硅基太阳能电池生产工艺复杂，需要大型设备导致其造价高，该些缺点制约了其进一步的发展。近年来，基于钙钛矿材料的太阳能电池引起了人们的广泛关注，但是目前的钙钛矿太阳能电池的稳定性有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种有机钙钛矿光伏电池及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种有机钙钛矿光伏电池的制备方法，包括以下步骤：1)提供一透明基底，在所述透明基底的上表面形成一凹槽，并在所述透明基底上形成多个第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，其中，所述凹槽具备一个底面和四个侧面，相对设置的第一、第三侧面与所述底面的夹角均为120°-150°，相对设置的第二、第四侧面与所述底面的夹角为90°；2)接着在所述第一贯穿孔和第二贯穿孔中沉积导电材料以分别形成第一导电通孔和第二导电通孔，接着在所述透明基底的上表面形成一完全覆盖所述凹槽的底面的透明导电层，并在所述第一、第三侧面上形成多个金属条，每个金属条均与所述透明导电层电连接，且延伸穿过所述第一侧面或所述第三侧面而到达所述透明基底的上表面，以使得所述金属条与所述第一导电通孔接触，且在所述第二、第四侧面上不存在透明导电材料和金属材料；3)利用掩膜在所述第一侧面和所述第三侧面上形成第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层进一步延伸到所述透明基底的上表面，以确保所述第一绝缘介质层完全覆盖所述金属条。

4)接着在所述凹槽的底面制备二氧化钛致密层；5)接着在所述二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层；6)接着在所述二氧化钛介孔层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，接着进行退火处理，以形成钙钛矿功能层；7)接着在所述钙钛矿功能层上旋涂spiro-ometad溶液，以形成第一空穴传输层；8)接着在所述第一空穴传输层上旋涂pedot:pss溶液，并进行退火处理，以形成第二空穴传输层；9)接着在所述第二空穴传输层上制备金属电极；10)接着利用掩膜在所述透明基底的上表面形成第二绝缘介质层；11)接着利用蚀刻工艺刻蚀所述第二绝缘介质层，以暴露所述金属电极以及所述第二导电通孔；12)接着利用蒸镀金属导电层以电连接所述金属电极与所述第二导电通孔。13)接着在所述透明基底的上表面制备钝化层，接着在所述钝化层上制备反射层。

作为优选，在所述步骤2)中，所述导电材料为铜、铝、银、铁中的一种或多种，所述透明导电层的材料为ito或fto，所述透明导电层的厚度为100-300纳米，所述金属条的材质为银、铜以及铝中的一种或多种，所述金属条的厚度为80-150纳米，在所述第一侧面以及所述第三侧面上的金属条的个数均为3-6个，且多个所述金属条平行排列。

作为优选，在所述步骤3)中，所述第一绝缘介质层的材质为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或多种。

作为优选，在所述步骤6)中，形成钙钛矿功能层的具体步骤为：首先配置钙钛矿前驱体溶液，将碘甲胺和氯化铅以摩尔比为3：1的条件混合，并按30-45％的质量浓度溶于dmf中，在70℃下搅拌12小时，过滤后配置成钙钛矿前驱体溶液，旋涂钙钛矿前驱体混合溶液的转速为2500-3500转/分钟，旋涂钙钛矿前驱体溶液的时间为50-100秒，接着在100℃的温度下退火20-30分钟，以得到所述钙钛矿功能层。

作为优选，在所述步骤7)中，所述spiro-ometad溶液中spiro-ometad的浓度为5-10mg/ml，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟。

作为优选，在所述步骤8)中，旋涂的转速为4000-5500转/分钟，旋涂的时间为30-60秒，所述退火处理的温度为135-145℃，所述退火处理的时间为25-35分钟。

作为优选，在所述步骤9)中所述金属电极材料为铜或银，所述金属电极的厚度为150-250纳米。

作为优选，在所述步骤10)中，所述第二绝缘介质层的材质为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或多种，所述第二绝缘介质层的一部分嵌入到所述凹槽中，在所述步骤13)中，所述钝化层的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述反射层为材质为铝、铜、银、铁中的一种或多种。

本发明还提出一种有机钙钛矿光伏电池，其采用上述方法制备形成的。

本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过在透明基底的上表面形成一凹槽，进而将透明导电层、二氧化钛致密层、二氧化钛介孔层、钙钛矿功能层、空穴传输层以及金属电极形成在凹槽中，并使用第二绝缘介质层的一部分嵌入到所述凹槽中，并在所述凹槽的两侧形成多个第一导电通孔和多个第二导电通孔，进而使得本申请的上下电极分别与第一导电通孔和第二导电通孔电连接，并在所述金属电极上制备钝化层，接着在所述钝化层上制备反射层，一方面，本发明的有机钙钛矿光伏电池的正电极和负电极均从透明基底的下表面电性引出，该结构的设置方便对其进行电性测试，且便于其与外部设备的电连接，另一方面，通过将钙钛矿光伏电池的各功能层设置在凹槽中，且在凹槽上覆盖有第二绝缘介质层、钝化层以及反射层，可以有效避免潮湿空气入侵钙钛矿电池的功能层，进而可以防止钙钛矿功能层被破坏，使得本发明的太阳能电池的稳定性得到大大的提高，且反射层的存在有效提高了本发明的钙钛矿光伏电池对太阳能的利用率，进一步提高其光电转换效率。同时设置所述凹槽的相对设置的第一、第三侧面与所述底面的夹角均为120°-150°，方便金属条的制备，进而方便电性引出。

此外，本发明的太阳能电池的制备方法中，通过设置两层空穴传输层，有效提高了空穴的传输能力，通过优化钙钛矿功能层的制备工艺，形成了高质量的钙钛矿功能层，进而提高了相应光伏电池的光电转换效率。本发明的有机钙钛矿光伏电池的制备方法简单易行，与现有的有机钙钛矿光伏电池的制备方法相兼容，且有效提高了有机钙钛矿光伏电池的稳定性。

附图说明

图1为本发明的有机钙钛矿光伏电池的结构示意图。

具体实施方式

一种有机钙钛矿光伏电池的制备方法，包括以下步骤：1)提供一透明基底，在所述透明基底的上表面形成一凹槽，并在所述透明基底上形成多个第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，其中，所述凹槽具备一个底面和四个侧面，相对设置的第一、第三侧面与所述底面的夹角均为120°-150°，相对设置的第二、第四侧面与所述底面的夹角为90°；2)接着在所述第一贯穿孔和第二贯穿孔中沉积导电材料以分别形成第一导电通孔和第二导电通孔，接着在所述透明基底的上表面形成一完全覆盖所述凹槽的底面的透明导电层，并在所述第一、第三侧面上形成多个金属条，每个金属条均与所述透明导电层电连接，且延伸穿过所述第一侧面或所述第三侧面而到达所述透明基底的上表面，以使得所述金属条与所述第一导电通孔接触，且在所述第二、第四侧面上不存在透明导电材料和金属材料；3)利用掩膜在所述第一侧面和所述第三侧面上形成第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层进一步延伸到所述透明基底的上表面，以确保所述第一绝缘介质层完全覆盖所述金属条。

4)接着在所述凹槽的底面制备二氧化钛致密层；5)接着在所述二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层；6)接着在所述二氧化钛介孔层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，接着进行退火处理，以形成钙钛矿功能层；7)接着在所述钙钛矿功能层上旋涂spiro-ometad溶液，以形成第一空穴传输层；8)接着在所述第一空穴传输层上旋涂pedot:pss溶液，并进行退火处理，以形成第二空穴传输层；9)接着在所述第二空穴传输层上制备金属电极；10)接着利用掩膜在所述透明基底的上表面形成第二绝缘介质层；11)接着利用蚀刻工艺刻蚀所述第二绝缘介质层，以暴露所述金属电极以及所述第二导电通孔；12)接着利用蒸镀金属导电层以电连接所述金属电极与所述第二导电通孔。13)接着在所述透明基底的上表面制备钝化层，接着在所述钝化层上制备反射层。

其中，在所述步骤2)中，所述导电材料为铜、铝、银、铁中的一种或多种，所述透明导电层的材料为ito或fto，所述透明导电层的厚度为100-300纳米，所述金属条的材质为银、铜以及铝中的一种或多种，所述金属条的厚度为80-150纳米，在所述第一侧面以及所述第三侧面上的金属条的个数均为3-6个，且多个所述金属条平行排列。在所述步骤3)中，所述第一绝缘介质层的材质为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或多种。

其中在所述步骤6)中，形成钙钛矿功能层的具体步骤为：首先配置钙钛矿前驱体溶液，将碘甲胺和氯化铅以摩尔比为3：1的条件混合，并按30-45％的质量浓度溶于dmf中，在70℃下搅拌12小时，过滤后配置成钙钛矿前驱体溶液，旋涂钙钛矿前驱体混合溶液的转速为2500-3500转/分钟，旋涂钙钛矿前驱体溶液的时间为50-100秒，接着在100℃的温度下退火20-30分钟，以得到所述钙钛矿功能层。在所述步骤7)中，所述spiro-ometad溶液中spiro-ometad的浓度为5-10mg/ml，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟。在所述步骤8)中，旋涂的转速为4000-5500转/分钟，旋涂的时间为30-60秒，所述退火处理的温度为135-145℃，所述退火处理的时间为25-35分钟。在所述步骤9)中所述金属电极材料为铜或银，所述金属电极的厚度为150-250纳米。在所述步骤10)中，所述第二绝缘介质层的材质为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或多种，所述第二绝缘介质层的一部分嵌入到所述凹槽中，在所述步骤13)中，所述钝化层的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述反射层为材质为铝、铜、银、铁中的一种或多种。

如图1所示，本发明提出一种有机钙钛矿光伏电池，包括：透明基底1，在所述透明基底1的上表面形成一凹槽，并在所述透明基底上形成多个第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，其中，所述凹槽具备一个底面和四个侧面，相对设置的第一、第三侧面与所述底面的夹角均为120°-150°，相对设置的第二、第四侧面与所述底面的夹角为90°，在所述第一贯穿孔和第二贯穿孔中沉积导电材料以分别形成有第一导电通孔2和第二导电通孔3，接着在所述透明基底1的上表面形成一完全覆盖所述凹槽的底面的透明导电层4，并在所述第一、第三侧面上形成多个金属条5，每个金属条5均与所述透明导电层4电连接，且延伸穿过所述第一侧面或所述第三侧面而到达所述透明基底1的上表面，以使得所述金属条5与所述第一导电通孔2接触，且在所述第二、第四侧面上不存在透明导电材料和金属材料；利用掩膜在所述第一侧面和所述第三侧面上形成第一绝缘介质层6，所述第一绝缘介质层6进一步延伸到所述透明基底1的上表面，以确保所述第一绝缘介质层6完全覆盖所述金属条5。接着在所述凹槽的底面上层叠有二氧化钛致密层7、二氧化钛介孔层8、钙钛矿功能层9、第一空穴传输层10、第二空穴传输层11以及金属电极12；接着利用掩膜在所述透明基底1的上表面形成第二绝缘介质层13；利用蚀刻工艺刻蚀所述第二绝缘介质层，以暴露所述金属电极12以及所述第二导电通孔3；利用金属导电层14电连接所述金属电极12与所述第二导电通孔3。在所述透明基底1的上表面制备有钝化层15，接着在所述钝化层上制备有反射层16。

实施例1：

一种有机钙钛矿光伏电池的制备方法，包括以下步骤：1)提供一透明基底，在所述透明基底的上表面形成一凹槽，并在所述透明基底上形成多个第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，其中，所述凹槽具备一个底面和四个侧面，相对设置的第一、第三侧面与所述底面的夹角均为150°，相对设置的第二、第四侧面与所述底面的夹角为90°；2)接着在所述第一贯穿孔和第二贯穿孔中沉积导电材料以分别形成第一导电通孔和第二导电通孔，接着在所述透明基底的上表面形成一完全覆盖所述凹槽的底面的透明导电层，并在所述第一、第三侧面上形成多个金属条，每个金属条均与所述透明导电层电连接，且延伸穿过所述第一侧面或所述第三侧面而到达所述透明基底的上表面，以使得所述金属条与所述第一导电通孔接触，且在所述第二、第四侧面上不存在透明导电材料和金属材料；3)利用掩膜在所述第一侧面和所述第三侧面上形成第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层进一步延伸到所述透明基底的上表面，以确保所述第一绝缘介质层完全覆盖所述金属条。

4)接着在所述凹槽的底面制备二氧化钛致密层；5)接着在所述二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层；6)接着在所述二氧化钛介孔层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，接着进行退火处理，以形成钙钛矿功能层；7)接着在所述钙钛矿功能层上旋涂spiro-ometad溶液，以形成第一空穴传输层；8)接着在所述第一空穴传输层上旋涂pedot:pss溶液，并进行退火处理，以形成第二空穴传输层；9)接着在所述第二空穴传输层上制备金属电极；10)接着利用掩膜在所述透明基底的上表面形成第二绝缘介质层；11)接着利用蚀刻工艺刻蚀所述第二绝缘介质层，以暴露所述金属电极以及所述第二导电通孔；12)接着利用蒸镀金属导电层以电连接所述金属电极与所述第二导电通孔。13)接着在所述透明基底的上表面制备钝化层，接着在所述钝化层上制备反射层。

其中，在所述步骤2)中，所述导电材料为铜，所述透明导电层的材料为fto，所述透明导电层的厚度为150纳米，所述金属条的材质为铝中，所述金属条的厚度为100纳米，在所述第一侧面以及所述第三侧面上的金属条的个数均为3个，且在所述第一侧面上的三个金属条平行排列，在所述第三侧面上的三个金属条平行排列。在所述步骤3)中，所述第一绝缘介质层的材质为氮化硅。在所述步骤4)中，制备二氧化钛致密层的具体工艺为：旋涂浓度为0.25mol/l的钛酸异丙酯的乙醇溶液，旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂的时间为1分钟，然后在500℃下退火30分钟。在所述步骤5)中，制备二氧化钛介孔层的具体工艺为：将钛浆按质量比为1:6稀释于乙醇溶液中，搅拌12小时，然后将稀释后的溶液旋涂在二氧化钛致密层上，在150℃下烘烤10分钟，然后在500℃下热处理30分钟。

其中在所述步骤6)中，形成钙钛矿功能层的具体步骤为：首先配置钙钛矿前驱体溶液，将碘甲胺和氯化铅以摩尔比为3：1的条件混合，并按45％的质量浓度溶于dmf中，在70℃下搅拌12小时，过滤后配置成钙钛矿前驱体溶液，旋涂钙钛矿前驱体混合溶液的转速为3500转/分钟，旋涂钙钛矿前驱体溶液的时间为60秒，接着在100℃的温度下退火25分钟，以得到所述钙钛矿功能层。在所述步骤7)中，所述spiro-ometad溶液中spiro-ometad的浓度为10mg/ml，旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂的时间为1分钟。在所述步骤8)中，旋涂的转速为4000转/分钟，旋涂的时间为60秒，所述退火处理的温度为140℃，所述退火处理的时间为30分钟。在所述步骤9)中所述金属电极材料为铜，所述金属电极的厚度为200纳米。在所述步骤10)中，所述第二绝缘介质层的材质为氮化硅，所述第二绝缘介质层的一部分嵌入到所述凹槽中，在所述步骤12)中，金属导电层的材质铜，在所述步骤13)中，所述钝化层的材质为氮化硅，所述反射层为材质为铝。

上述方法制备的有机钙钛矿光伏电池的开路电压为1.04v，短路电流为23.2ma/cm²，填充因子为0.75，光电转换效率为18.02％。将该有机钙钛矿光伏电池在室外放置一个月后，该有机钙钛矿光伏电池的开路电压为1.02v，短路电流为23.1ma/cm²，填充因子为0.74，光电转换效率为17.44％，再将其在室外放置两个月后，该有机钙钛矿光伏电池的开路电压为1.01v，短路电流为23.1ma/cm²，填充因子为0.74，光电转换效率为17.26％，上述结果表明该有机钙钛矿光伏电池具有优异的光电转换效率，且在长期使用过程中，其光电转换效率衰减少，稳定性优异。

实施例2

一种有机钙钛矿光伏电池的制备方法，包括以下步骤：1)提供一透明基底，在所述透明基底的上表面形成一凹槽，并在所述透明基底上形成多个第一贯穿孔和多个第二贯穿孔，其中，所述凹槽具备一个底面和四个侧面，相对设置的第一、第三侧面与所述底面的夹角均为120°，相对设置的第二、第四侧面与所述底面的夹角为90°；2)接着在所述第一贯穿孔和第二贯穿孔中沉积导电材料以分别形成第一导电通孔和第二导电通孔，接着在所述透明基底的上表面形成一完全覆盖所述凹槽的底面的透明导电层，并在所述第一、第三侧面上形成多个金属条，每个金属条均与所述透明导电层电连接，且延伸穿过所述第一侧面或所述第三侧面而到达所述透明基底的上表面，以使得所述金属条与所述第一导电通孔接触，且在所述第二、第四侧面上不存在透明导电材料和金属材料；3)利用掩膜在所述第一侧面和所述第三侧面上形成第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层进一步延伸到所述透明基底的上表面，以确保所述第一绝缘介质层完全覆盖所述金属条。

4)接着在所述凹槽的底面制备二氧化钛致密层；5)接着在所述二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层；6)接着在所述二氧化钛介孔层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，接着进行退火处理，以形成钙钛矿功能层；7)接着在所述钙钛矿功能层上旋涂spiro-ometad溶液，以形成第一空穴传输层；8)接着在所述第一空穴传输层上旋涂pedot:pss溶液，并进行退火处理，以形成第二空穴传输层；9)接着在所述第二空穴传输层上制备金属电极；10)接着利用掩膜在所述透明基底的上表面形成第二绝缘介质层；11)接着利用蚀刻工艺刻蚀所述第二绝缘介质层，以暴露所述金属电极以及所述第二导电通孔；12)接着利用蒸镀金属导电层以电连接所述金属电极与所述第二导电通孔。13)接着在所述透明基底的上表面制备钝化层，接着在所述钝化层上制备反射层。

其中，在所述步骤2)中，所述导电材料为铝，所述透明导电层的材料为fto，所述透明导电层的厚度为200纳米，所述金属条的材质为银，所述金属条的厚度为80纳米，在所述第一侧面以及所述第三侧面上的金属条的个数均为6个，且在所述第一侧面上的六个金属条平行排列，在所述第三侧面上的六个金属条平行排列。在所述步骤3)中，所述第一绝缘介质层的材质为氧化硅。在所述步骤4)中，制备二氧化钛致密层的具体工艺为：旋涂浓度为0.25mol/l的钛酸异丙酯的乙醇溶液，旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂的时间为1分钟，然后在500℃下退火30分钟。在所述步骤5)中，制备二氧化钛介孔层的具体工艺为：将钛浆按质量比为1:6稀释于乙醇溶液中，搅拌12小时，然后将稀释后的溶液旋涂在二氧化钛致密层上，在150℃下烘烤10分钟，然后在500℃下热处理30分钟。

其中在所述步骤6)中，形成钙钛矿功能层的具体步骤为：首先配置钙钛矿前驱体溶液，将碘甲胺和氯化铅以摩尔比为3：1的条件混合，并按35％的质量浓度溶于dmf中，在70℃下搅拌12小时，过滤后配置成钙钛矿前驱体溶液，旋涂钙钛矿前驱体混合溶液的转速为2500转/分钟，旋涂钙钛矿前驱体溶液的时间为100秒，接着在100℃的温度下退火30分钟，以得到所述钙钛矿功能层。在所述步骤7)中，所述spiro-ometad溶液中spiro-ometad的浓度为5mg/ml，旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂的时间为1分钟。在所述步骤8)中，旋涂的转速为5000转/分钟，旋涂的时间为45秒，所述退火处理的温度为145℃，所述退火处理的时间为35分钟。在所述步骤9)中所述金属电极材料为银，所述金属电极的厚度为150纳米。在所述步骤10)中，所述第二绝缘介质层的材质为氧化硅，所述第二绝缘介质层的一部分嵌入到所述凹槽中，在所述步骤12)中，金属导电层的材质铝，在所述步骤13)中，所述钝化层的材质为氧化硅，所述反射层为材质为银。

上述方法制备的有机钙钛矿光伏电池的开路电压为1.05v，短路电流为23ma/cm²，填充因子为0.745，光电转换效率为17.99％。将该有机钙钛矿光伏电池在室外放置一个月后，该有机钙钛矿光伏电池的开路电压为1.04v，短路电流为22.8ma/cm²，填充因子为0.74，光电转换效率为17.54％，再将其在室外放置两个月后，该有机钙钛矿光伏电池的开路电压为1.03v，短路电流为22.9ma/cm²，填充因子为0.735，光电转换效率为17.34％，上述结果表明该有机钙钛矿光伏电池具有优异的光电转换效率，且在长期使用过程中，其光电转换效率衰减少，稳定性优异。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。