一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池的制作方法

文档序号:10554383阅读:840来源:国知局
一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,包括第一电极、第二电极以及设置第一电极和第二电极之间的钙钛矿活性层,其中第一电极为碳纳米管透明电极,本发明用碳纳米管透明电极替代原结构中的透明电极,碳纳米管透明电极主要结构为具有高透光性的单壁及多壁碳纳米管网状导电薄膜,其导电性、透光率、产品柔性均优于现有材料;采用卷对卷技术的一系列工艺,可以实现柔性钙钛矿电池的大规模生产,碳纳米管透明电极的生产技术,也可以用于其他形式的太阳能电池如有机太阳能电池、CIGS电池、晶硅及非晶硅薄膜电池等,以及一切可以使用该电极的领域,如LED,OLED等,不但提升了性能,而且适应于大规模的生产。
【专利说明】
一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池
技术领域
[0001]本发明属于薄膜太阳能电池器件设计制备技术领域,特别涉及一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的日益枯竭和其使用所带来的高昂的环境成本,可再生清洁能源的开发和利用受到广泛的关注。太阳能光伏发电技术和产品在全球范围内得到了高速增长,成为最具潜力的清洁能源。近年来发现的钙钛矿型太阳能电池由于高转换效率、低成本、环境友善、可挠式产品化等优点备受关注。
[0003]透明电极是钙钛矿型太阳能电池结构中的关键部分之一,起到将太阳电池产生的光电流传导到外电路的作用。透明电极需要具有以下特性:高导电性、高透光率以及产业化需要的柔性(可挠性);此外,在大规模生产的要求下,还需要具有低成本、易合成、适合大规模制备等特点。目前常用的透明电极为FTO(掺氟氧化锡)、ΙΤ0(氧化铟锡)、ΑΖ0(掺铝氧化锌)等,这类金属氧化物半导体类的透明电极除了具备90%左右较高透光率的优势之外,其导电性、可挠性均较差;此外其生产大多需要使用磁控溅射、原子沉积、激光沉积、化学气相沉积、分子束外延等高耗能的制备方法和相应设备,成本高,制备条件苛刻。因此亟需一种可以代替其的新型透明电极材料。

【发明内容】

[0004]为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,将碳纳米管网状结构薄膜在钙钛矿型太阳电池结构中作为透明电极层,所述的碳纳米管透明电极为具有高透光性的单壁碳纳米管及多壁碳纳米管网状导电薄膜,其导电性、透光率及可挠性大大优于前述的半导体金属氧化物;该薄膜可以采用化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等方法进行制备;特别地,采用溶液聚合方法制备的单壁及多壁碳纳米管特别易于大规模、低成本地进行合成,同时利用卷对卷制备技术,如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等进行大规模生产。
[0005]为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
[0006]—种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,包括第一电极102、第二电极112以及设置在第一电极102和第二电极112之间的钙钛矿活性层108,所述第一电极102为碳纳米管透明电极。
[0007]所述碳纳米管透明电极为由单壁碳纳米管或由多壁碳纳米管或由单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混合组成的网状导电薄膜。
[0008]所述单壁及多壁碳纳米管的直径为Ι-lOOnm,具有1000:1以上的长径比。
[0009]所述单壁及多壁碳纳米管具有10000:1以上的长径比。
[0010]所述第一电极102和第二电极112之间还设置有半导体致密层104、多孔支架层或电子传输层106和空穴传输层110,其中,半导体致密层104位于第一电极102上,多孔支架层或电子传输层106位于半导体致密层104与钙钛矿活性层108之间,空穴传输层110位于钙钛矿活性层108与第二电极112之间。
[0011]所述碳纳米管透明电极厚度为5-100nm;所述半导体致密层104成分为二氧化钛或氧化锌,厚度为20-150nm;所述多孔支架层或电子传输层106成分为介孔二氧化钛,使用溶胶凝胶法制备介观粒子溶胶后,退火烧结制备,或者成分为富勒烯类电子传输层材料,厚度为100-200011111;所述钙钛矿活性层108结构为1?順34乂1^3—11,1?=烃基4 = ?13,311山¥ = (:1,8『,I;n为0-3的实数,采用旋涂法、气相沉积法或磁控溅射方形成,或采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备,厚度为100-3000nm;所述空穴传输层110成分为与|丐钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料,厚度为10-1OOOnm;所述第二电极112为金属对电极,采用磁控溅射法、热蒸发法、原子沉积法或激光沉积法制备,或使用卷对卷工艺进行制备,厚度为 10-200nm。
[0012]所述第一电极102和第二电极112之间还设置有电子传输层106和空穴传输层110,其中,空穴传输层110位于第一电极102和钙钛矿活性层108之间,电子传输层106位于钙钛矿活性层108和第二电极112之间。
[0013]先通过化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及溶液聚合反应合成法制成浆料,利用卷对卷制备工艺制成厚度5-100nm的碳纳米管透明电极。
[0014]在所述第一电极102与基底之间还设置有树脂粘结层101,或者直接在第一电极102下方设置树脂粘结层101作为基底。
[0015]所述树脂粘结层101是将聚丙烯酸类树脂单体与质量浓度1%的光引发剂DMPA混合后涂覆于基底表面,在紫外光照射下,室温条件下引发聚合反应形成。
[0016]与现有技术相比,本发明用碳纳米管透明电极替代原结构中的透明电极,碳纳米管透明电极主要结构为具有高透光性的单壁及多壁碳纳米管网状导电薄膜,其导电性、透光率、产品柔性均优于现有材料;采用卷对卷技术的一系列工艺,可以实现柔性钙钛矿电池的大规模生产,碳纳米管透明电极的生产技术,也可以用于其他形式的太阳能电池如有机太阳能电池、CIGS电池、晶硅及非晶硅薄膜电池等,以及一切可以使用该电极的领域,如LED,OLED等,不但提升了性能,而且适应于大规模的生产。
【附图说明】
[0017]图1为本发明使用碳纳米管透明电极的钙钛矿型太阳电池的一种结构示意图。
[0018]图2为本发明使用碳纳米管透明电极的钙钛矿型太阳电池的另一种结构示意图。
[0019]图3为本发明碳纳米管透明电极的微观结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]在描述本发明的实施方案时,为了清楚起见,使用了特定的术语。然而,本发明无意局限于所选择的特定术语。应了解每个特定元件包括类似的方法运行以实现类似目的的所有技术等同物。
[0021 ]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0022]图1为使用碳纳米管透明电极的钙钛矿型太阳电池结构示意图,其电池结构由以下部分组成:
[0023 ] 0.树脂粘结层11:可以将聚丙烯酸类树脂的单体与质量浓度I %的光引发剂DMPA混合后涂覆于玻璃或者PET基底表面,在紫外光照射下,室温条件下引发聚合反应,形成粘结层,用于增强碳纳米管透明电极与玻璃或PET基底之间的粘合性,或者也可以直接将该树脂粘结层101作为基底进行使用。
[0024]1.第一电极102,即碳纳米管透明电极层,为本发明的核心部分,可以采用化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等方法进行制备。特别的,采用溶液聚合方法制备或其他方法制备的单壁及多壁碳纳米管溶液浆料特别易于大规模、低成本地进行合成,同时利用卷对卷制备技术,如狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等进行大规模生产。厚度可以为5-lOOnm,层结构如图3所示。
[0025]本层的另一特点为柔性,大大改善了传统半导体金属氧化物透明电极的易碎性。
[0026]2.在第一电极102上形成的与钙钛矿活性层材料能级匹配的半导体致密层104(通常为二氧化钛或氧化锌)。厚度为20-150nm。
[0027]3.在致密导电层上形成的多孔支架层或电子传输层106,通常为介孔二氧化钛,使用溶胶凝胶法制备介观粒子溶胶后,退火烧结制备。也可以使用富勒烯类电子传输层材料代替。厚度为100-2000nmo
[0028]4.在多孔支架层上形成的活性钙钛矿层108,结构为(RNH3)AXnY3-n(R =烃基;A =Pb,Sn;X,Y = Cl,Br,I; n为0_3的实数),通常采用旋涂法、气相沉积、磁控溅射等方法形成,也可以采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备,即将活性材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。厚度为100-3000nm。
[0029]5.在活性钙钛矿层108上形成的空穴传输层110,其特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料,如碘化亚铜、PEDOT: PSS、聚对苯撑乙烯类、聚噻吩类、聚硅烷类、三苯甲烷类、三芳胺类、腙类、啦唑啉类、嚼唑类、味唑类、丁二烯类等,厚度为100-1000nm。
[0030]6.在空穴传输层上形成的第二电极112,即金属对电极层,材料为金、银、铝、铂等金属,可采用磁控溅射、热蒸发、原子沉积、激光沉积等方法制备,在柔性制备过程中,还可以使用卷对卷工艺进行制备,即将导电金属电极材料的浆料通过狭缝涂布、刮刀涂布、丝网印刷、凹版印刷、喷墨涂布、喷墨印刷等方法形成。厚度为10-200nm。
[0031]在上述各层中,半导体致密层104与空穴传输层110可以不用,以简化工艺,降低成本,但得到的电池效率相对较低。
[0032]图2为另一种结构的钙钛矿型太阳能电池,将正负极倒置,结构中包括树脂粘结层101,第一电极102,空穴传输层110,活性钙钛矿层108,电子传输层106,第二电极112。
[0033]图3为碳纳米管透明电极的微观结构示意图,其中每一条黑线代表一根直径为1-1OOnm的单壁或多壁碳纳米管。如果采用溶液方法或其他方法制备的碳纳米管进行溶液相分散,则可以将得到的碳纳米管溶液制成浆料进行卷对卷工艺制备,得到无规的网状结构。
[0034]该结构的透光性取决于碳纳米管的疏密程度,一般情况下可以达到95%以上,优于现有方案使用的金属氧化物半导体类材料。
[0035]同时,本发明之碳纳米管电极对比传统ITO半导体氧化物的“致密无孔”电极,是一种“多孔”电极结构,透光率和导电率可以通过调节原料浓度和制备工艺进行改变,例如:
[0036]1.化学气相沉积法:以Co、Fe、N1、Cu、Co-Mo、Co-Fe、Fe-Ni等金属及合金纳米粒子作为催化剂,以甲烷、高压一氧化碳、乙醇等为碳源气体的氛围下,直接在透明基底上700-8500C下进行化学气相沉积方法生长单壁碳纳米管,单管直径在0.5-2.5nm之间,可以直接生长出厚度在20-100nm的碳纳米管导电透明薄膜电极材料,透光率为70%-85%,方块电阻约为75-300 Ω。
[0037]2.溶液提拉法:将高纯单壁碳纳米管分散在十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液中,作为提拉液备用;在透明玻璃基底上先涂覆一层APTS作为助黏剂,浸入提拉液中,然后用提拉机以l-5mm/min的速度进行提拉操作,直至将基底完全拉出;依次使用硝酸及去离子水进行清洗,洗去附着在碳纳米管表面的表面活性剂以增强导电性和透光性,按照需求可进行多次提拉,随着提拉次数的增加,电极薄膜的厚度增加。该法制备的透明电极透光度可以达85%-92%,方块电阻稍高,在200-lkQ。
【主权项】
1.一种使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,包括第一电极(102)、第二电极(112)以及设置在第一电极(102)和第二电极(112)之间的钙钛矿活性层(108),其特征在于,所述第一电极(102)为碳纳米管透明电极。2.根据权利要求1所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述碳纳米管透明电极为由单壁碳纳米管或由多壁碳纳米管或由单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混合组成的网状导电薄膜。3.根据权利要求2所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述单壁及多壁碳纳米管的直径为1-1 OOnm,具有1000:1以上的长径比。4.根据权利要求2所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述单壁及多壁碳纳米管具有10000:1以上的长径比。5.根据权利要求1所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述第一电极(102)和第二电极(112)之间还设置有半导体致密层(104)、多孔支架层或电子传输层(106)和空穴传输层(110),其中,半导体致密层(104)位于第一电极(102)上,多孔支架层或电子传输层(106)位于半导体致密层(104)与钙钛矿活性层(108)之间,空穴传输层(110)位于钙钛矿活性层(108)与第二电极(112)之间。6.根据权利要求5所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述碳纳米管透明电极厚度为5-100nm;所述半导体致密层(104)成分为二氧化钛或氧化锌,厚度为20-150nm;所述多孔支架层或电子传输层(106)成分为介孔二氧化钛,使用溶胶凝胶法制备介观粒子溶胶后,退火烧结制备,或者成分为富勒烯类电子传输层材料,厚度为100-2000nm;所述钙钛矿活性层(108)结构为(RNH3)AXnYs-n,R =烃基;A = Pb,Sn; X,Y = Cl,Br,I; η为0_3的实数,采用旋涂法、气相沉积法或磁控溅射方形成,或采用适用于柔性及大规模制备的卷对卷工艺进行制备,厚度为100-3000nm;所述空穴传输层(110)成分为与|丐钛矿活性材料能级相匹配的有机、无机材料,厚度为10-1OOOnm;所述第二电极(112)为金属对电极,采用磁控溅射法、热蒸发法、原子沉积法或激光沉积法制备,或使用卷对卷工艺进行制备,厚度为10-200nmo7.根据权利要求1所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述第一电极(102)和第二电极(112)之间还设置有电子传输层(106)和空穴传输层(110),其中,空穴传输层(110)位于第一电极(102)和钙钛矿活性层(108)之间,电子传输层(106)位于钙钛矿活性层(108)和第二电极(112)之间。8.根据权利要求1所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,先通过化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及溶液聚合反应合成法制成楽料,利用卷对卷制备工艺制成厚度5-1 OOnm的碳纳米管透明电极。9.根据权利要求1所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,在所述第一电极(102)与基底之间还设置有树脂粘结层(101),或者直接在第一电极(102)下方设置树脂粘结层(101)作为基底。10.根据权利要求1所述使用碳纳米管透明电极的太阳能电池,其特征在于,所述树脂粘结层(101)是将聚丙烯酸类树脂单体与质量浓度1%的光引发剂DMPA混合后涂覆于基底表面,在紫外光照射下,室温条件下引发聚合反应形成。
【文档编号】H01L31/18GK105914240SQ201610429348
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】秦校军, 赵志国, 王丹, 王一丹, 邬俊波
【申请人】中国华能集团公司, 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
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