一种柔性钙钛矿太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种柔性钙钛矿太阳能电池，该柔性钙钛矿太阳能电池结构从下至上依次为：柔性衬底、光电极、载流子传输层一、钙钛矿吸光层、载流子传输层二和背电极，其中，光电极为多层石墨烯或者导电高分子材料。该太阳能电池结构具有高柔性、轻薄、低成本、高效率等优点，利用其柔性特点可开发出多样性的产品，其应用将更加广泛多元，与此同时为大批量大面积卷对卷工艺的采用开辟了道路，为钙钛矿的最终商业化提供了新的思路。
【专利说明】
一种柔性钙钛矿太阳能电池
技术领域
[0001]本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种柔性、轻薄、高效率、低成本的平面异质结钙钛矿太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着煤炭、石油和天然气等非可再生资源日益枯竭，新能源特别是太阳能电池成为国内外研究关注的一个热点。传统的硅电池相对来说成本过高，染料敏化电池在制备技术上有很多限制，而有机太阳能电池虽然电池结构简单但是稳定性极差，所以它们在工业化上还存在很多问题。钙钛矿太阳能电池自2009年第一次报道以来，以其超低成本溶液法制备工艺而受到研究人员的青睐，能量转换效率由最初的3.8%提升到了20.2%，随着研究的不断深入，电池的效率极有可能超过目前发展成熟的单晶硅太阳能电池。钙钛矿太阳能电池从最初的需要一层多孔层支架再到后来可以直接做成薄膜电池，在工业化生产上也具有非常大的应用前景。同时，采用的旋转涂布溶液法工艺与卷对卷大批量制备方法兼容，也为产业化做了极好的铺垫。
[0003]目前，刚性钙钛矿太阳能电池厚重、体积大、不能与卷对卷工艺兼容。而且，在某些特殊应用中，需要对太阳能电池进行弯曲甚至折叠。因此，对柔性钙钛矿太阳能电池的研究开发变得异常重要，受到柔性透明导电基底的限制，柔性钙钛矿电池制备过程中的温度不能超过150°C，所以需要高温烧结的介孔结构并不适合柔性钙钛矿太阳能电池的开发，只能采用平面异质结结构。当前柔性钙钛矿太阳能电池多使用易碎、铟资源稀缺的ITO电极。
【发明内容】
[0004]为了解决上述【背景技术】中的不足和一些特殊应用及为卷对卷批量化生产做准备，本发明的目的在于提供一种平面异质结柔性钙钛矿太阳能电池，利用柔韧性好、透光率高、方阻低的多层石墨烯以及导电高分子材料来制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了一种柔性钙钛矿太阳能电池，该电池结构从下至上依次为柔性衬底、光电极、载流子传输层一、钙钛矿吸光层、载流子传输层二、背电极；
[0006]所述柔性衬底为PET或PEN;
[0007]所述光电极位于柔性衬底之上，为多层石墨烯或导电高分子材料PEDOT: PSSPH1000；
[0008]所述载流子传输层一为空穴传输层，载流子传输层二为电子传输层;或者载流子传输层一为电子传输层，载流子传输层二为空穴传输层；所述空穴传输层材料可以为PEDOT:PSS AI4083、PTAA或Spiro-OMeTAD;所述电子传输层材料可以为PCBM、ZnO或Ti02，厚度为40-50纳米；
[0009]所述钙钛矿吸光层位于载流子传输层一和载流子传输层二之间，材料为CH3NH3PbI3 或 CH3NH3PbI3—xClx，厚度为 260-400 纳米；
[0010]所述背电极位于载流子传输层二之上，为电子提取层/导电层复合结构或金属导电层结构，其中导电层材料为Al、Ag或Au，厚度为60-150纳米。
[0011]进一步，所述光电极中的多层石墨烯为两层、三层或四层石墨烯薄膜。
[0012]本发明提供了一种平面异质结柔性钙钛矿太阳能电池，利用柔韧性好、透光率高、方阻低的多层石墨烯以及导电高分子材料来制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池，克服了目前刚性钙钛矿太阳能电池厚重、体积大等问题。
【附图说明】
[0013]图1为本发明所提供的一种柔性钙钛矿太阳能电池的结构示意图；其中，101为柔性衬底、102为光电极、103为载流子传输层一、104为妈钛矿吸光层、105为载流子传输层二、106为背电极。
[0014]图2为实施例1中基于导电高分子材料PH1000的柔性钙钛矿太阳能电池结构示意图；其中，201为柔性衬底PET; 202为光电极;203为空穴传输层;204为钙钛矿吸光层；205为电子传输层;206为RhodaminelOl; 207为LiF; 208为金属Al;其中，背电极为电子提取层/导电层复合结构，包括206、207、208。
[0015]图3为实施例2中基于三层石墨烯的柔性钙钛矿太阳能电池结构示意图；其中，301为柔性衬底;302为三层石墨烯;303为空穴传输层;304为钙钛矿吸光层;305为电子传输层；306为RhodaminelOl; 307为LiF; 308为金属Al;其中，背电极为电子提取层/导电层复合结构，包括306、307、308。
[0016]图4为实施例3中基于双层石墨烯的柔性钙钛矿太阳能电池结构示意图；其中，401为柔性衬底;402为双层石墨烯;403为电子传输层;404为钙钛矿吸光层;405为空穴传输层；406为背电极。
[0017]图5为实施例4中基于四层石墨烯的柔性钙钛矿太阳能电池结构示意图；其中，501为柔性衬底;502为四层石墨烯;503为电子传输层;504为钙钛矿吸光层;505为空穴传输层；506为背电极。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供的太阳能电池器件工作原理为:当太阳光照射到电池上，吸光层吸收太阳光产生激子，激子运动到吸光层/传输层界面，在自建电场的作用下，电子和空穴分离，经传输材料分别到达阴极和阳极，形成光电流。本发明所提供的一种柔性钙钛矿太阳能电池的结构如附图1所示；其中，101为柔性衬底、102为光电极、103为载流子传输层一、104为钙钛矿吸光层、105为载流子传输层二、106为背电极。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0019]实施例1
[0020]本实施例提供一种基于PH1000透明导电阳极的柔性钙钛矿太阳能电池，该电池结构如图2所示;其中，201为柔性衬底PET ； 202为光电极，材料为PEDOT: PSS PH1000，作为电池阳极；203载流子传输层一为空穴传输层，材料为PEDOT: PSS AI4083; 204为钙钛矿吸光层CH3NH3PbI3; 205载流子传输层二为电子传输层，材料为PCBM; 206为RhodaminelOl，207为LiF，208为金属Al，206、207和208共同组成背电极，作为电池的阴极。
[0021]该太阳能电池的制作方法为:在洁净环境中，于PET柔性衬底上旋涂制备PH1000阳极，厚度为lOOnm。接着旋转涂布空穴传输层AI4083，转速5000RPM，时间60秒，在热板上130度加热20分钟，将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布013順3?1313、？081、1^0(1&1^1^101，将1:1摩尔比的]\^1/^12溶在01^中形成40￥七％的013冊疋1313前驱体溶液，在60度下加热30分钟，之后加入10ul ΗΙ/lml钙钛矿溶液，将钙钛矿前驱体70度加热，在3000RPM的转速下旋转涂布200秒，100度下退火2分钟，形成厚度为300纳米的吸光层。将PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的转速下制得厚度为50纳米的电子传输层。在2000RPM转速下，制备I纳米RhodaminelOl(0.05wt%，IPA)。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀I纳米LiF和100纳米Al电极，完成器件的制备。经测试，电池平均效率为14.6%。
[0022]实施例2
[0023]本实施例提供一种基于三层石墨烯透明导电阳极的柔性钙钛矿太阳能电池，结构如附图3所示;其中，301为柔性衬底PET;302光电极为三层石墨烯，作为电池阳极;303载流子传输层一为空穴传输层，材料为PED0T:PSS AI4083; 304为钙钛矿吸光层CH3NH3PbI3-XClX;305载流子传输层二为电子传输层PCBM; 306为RhodaminelOl，307为LiF，308为金属Al，306、307和308共同组成背电极，作为电池的阴极。
[0024]该电池的制备方法为:在Cu衬底上，采用CVD方法制备单层石墨烯薄膜，通过PMMA将石墨烯转移至PET上，通过三次转移形成三层石墨烯薄膜，其方阻为65 Ω/□，透光率为91 %。在洁净环境中旋转涂布AI4083，形成约70纳米的薄膜。将基片转移至手套箱中，依次旋转涂布CH3NH3PbI3-xClx、PCBM、Rhodaminel01，CH3NH3Pbl3-xClx由0.08M PbCl2、0.97M PbI2和IMMAI溶在体积比为3: 7的DMS0/GBL混合有机溶剂中，将钙钛矿前驱体70度加热，旋涂条件为第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的时候用160ul无水甲苯萃取，得到表面光滑的钙钛矿薄膜，在100度下退火20分钟，形成厚度约为260纳米的吸光层。将PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的转速下制得厚度约为40纳米的电子传输层。在2000RPM转速下，制备I纳米Rhodaminel01(0.05wt%，IPA)。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀I纳米LiF和100纳米Al电极，完成器件的制备。经测试，电池平均效率为13.8%。
[0025]实施例3
[0026]本实施例提供一种基于双层石墨烯透明导电阴极的柔性钙钛矿太阳能电池，电池结构如图4所示；其中，401为柔性衬底PEN; 402光电极为双层石墨烯，作为电池阴极;403载流子传输层一为电子传输层，材料为ZnO; 404为钙钛矿吸光层CH3NH3PbI3; 405载流子传输层二为空穴传输层，材料为PTAA; 406背电极为Au，作为电池阳极。
[0027]该太阳能电池的制作方法为:在Cu衬底上，采用CVD方法制备单层石墨烯薄膜，通过PMMA将石墨烯转移至PEN上，通过两次转移形成双层石墨烯薄膜，其方阻为106 Ω/□，透光率为94%。在超净环境中，配制5.3%Zn0纳米溶胶，在2000rpm转速下旋涂制备ZnO电子传输层，在150度下干燥1min，得到40nm厚的纳米薄膜。将基片转移至手套箱中，旋涂制得吸光层CH3NH3PbI3和空穴传输层PTAA，将1:1摩尔比的]\^1/?1312溶在01^中形成40￥七％的CH3NH3PbI3前驱体溶液，在60度下加热30分钟，在Iml钙钛矿溶液中加入10ul HI，将钙钛矿前驱体70度加热，在3000RPM的转速下旋转涂布200秒，100度下退火2分钟，形成厚度约为300nm的吸光层。在3000rpm转速下旋转涂布加有L1-TFSI and t_BP的PTAA溶液，形成50nm厚的空穴传输层。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀60nm Au电极，完成器件的制备。经测试，电池平均效率为13.1 %。
[0028]实施例4
[0029]本实施例提供一种基于四层石墨烯透明导电阴极的柔性钙钛矿太阳能电池，结构如图5所示;其中，501为柔性衬底PEN; 502光电极为四层石墨烯，作为电池阴极;503载流子传输层一为电子传输层，材料为Ti02;504为I丐钛矿吸光层CH3NH3Pbl3-xClx;505载流子传输层二为空穴传输层，材料为spiro-0MeTAD;506背电极为Ag，作为电池阳极。
[0030]该电池的制备方法为:在Cu衬底上，采用CVD方法制备单层石墨烯薄膜，通过PMMA将石墨烯转移至PEN上，通过四次转移形成四层石墨烯薄膜，其方阻为47 Ω/□，透光率为88%。在超净环境中，使用喷雾高温分解法制备30nm Ti02电子传输层。将基片转移至手套箱中，旋涂制得吸光层CH3NH3PbI3—xClx和空穴传输层spiro-OMeTAD，CH3NH3PbI3—xClx由0.08MPbCl2、0.97M PbI2和IM MAI溶在体积比为3:7的DMS0/GBL混合有机溶剂中，将钙钛矿前驱体70度加热，旋涂条件为第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的时候用160ul无水甲苯萃取，得到表面光滑的钙钛矿薄膜，在100度下退火20分钟，形成厚度约为260nm的吸光层。旋涂制备加有L1-TFSI and t_BP的spiro-OMeTAD溶液，形成180nm厚的空穴传输层。将基片转移至热阻蒸发镀膜机腔室，蒸镀70nm Ag电极，完成器件的制备。经测试，电池平均效率为14.5 %。
[0031]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种柔性钙钛矿太阳能电池，该电池结构从下至上依次为柔性衬底、光电极、载流子传输层一、钙钛矿吸光层、载流子传输层二、背电极，其特征在于: 所述柔性衬底为PET或PEN; 所述光电极位于柔性衬底之上，为多层石墨烯或导电高分子材料PEDOT: PSS PH1000; 所述载流子传输层一为空穴传输层，载流子传输层二为电子传输层;或者载流子传输层一为电子传输层，载流子传输层二为空穴传输层;所述空穴传输层材料可以为PEDOT: PSSAI4083、PTAA或Spiro-OMeTAD;所述电子传输层材料可以为PCBM、ZnO或T12; 所述钙钛矿吸光层位于载流子传输层一和载流子传输层二之间，材料为CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI3-XClx; 所述背电极位于载流子传输层二之上，为电子提取层/导电层复合结构或金属导电层结构，其中导电层材料为Al、Ag或Au。2.根据权利要求1所述的一种柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述光电极中的多层石墨烯为双层、三层或四层石墨烯薄膜。
【文档编号】H01L51/42GK106058057SQ201610664241
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月12日 公开号201610664241.5, CN 106058057 A, CN 106058057A, CN 201610664241, CN-A-106058057, CN106058057 A, CN106058057A, CN201610664241, CN201610664241.5
【发明人】冷重钱, 陆仕荣, 杨俊 , 汤林龙, 罗伟, 姬乙雄, 麻超燕, 魏兴战, 史浩飞
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院