钙钛矿太阳能电池及其制备方法、钙钛矿太阳能电池组及其制备方法与流程

本发明涉及光伏器件领域，特别涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法、以及一种钙钛矿太阳能电池组及其制备方法。

背景技术：

钙钛矿太阳能电池是目前快速发展的一类太阳能电池，具有效率高、成本低、制备简单等特点。钙钛矿太阳能电池按照结构划分为平面结构和介孔结构，主要包括透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光材料、空穴传输层、对电极等。钙钛矿材料吸光后产生光生电子和空穴，分别传到电子传输层和空穴传输层，与外电路相连形成回路，输出电能。

对于钙钛矿太阳能电池的制备方法，通常应用诸如印刷、喷涂、狭缝涂布和喷墨的工艺。但是，现有的钙钛矿太阳能电池制备方法中，每次工艺流程只能处理单个电池，工艺成本高且效率低。而对于卷对卷印刷和狭缝涂布等大规模生产工艺，虽然效率有所提升，但存在难以管控的问题。另外，钙钛矿太阳能电池普遍存在因面积过大而效率下降的问题，即使

因而，现有的制备钙钛矿太阳能电池的方法仍有待改进。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法、以及一种钙钛矿太阳能电池组及其制备方法。该方法通过将多个基底重叠，利用基底自身作为掩膜，可同时在多个上基底上形成薄膜层，显著提高钙钛矿太阳能电池的生产效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，本发明提出了制备钙钛矿太阳能电池的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供多个预先形成有透明导电氧化物层的基底，将各个所述基底依次重叠放置，以便将所述基底作为掩膜覆盖在所述透明导电氧化物层上，并在所述透明导电氧化物层上形成重叠区域；(2)在未被所述基底覆盖的所述透明导电氧化物层上依次形成电子传输层、光活性层和空穴传输层。

相对于现有技术，本发明上述实施例的钙钛矿太阳能电池具有以下优势：

根据本发明实施例的制备钙钛矿太阳能电池的方法所采用的基底上预先形成有透明导电氧化物层，通过将多个基底依次重叠放置，利用一个基底叠放在另一个基底的透明导电氧化物层上作为掩膜，避免了现有技术中掩膜的使用，同时省去了后续处理中移除掩膜的工序。进而，在依次叠放好的多个基底上同时依次形成电子传输层、光活性层和空穴传输层。本发明以基底间重叠部分作为掩膜的“自掩膜工艺”通过避免传统掩膜的使用，不仅能够降低工艺成本、提高生产效率，还可以有效解决设置、移除掩膜工序可能对电池本身造成的缺陷，从而提高电池性能。

进一步的，所基底的长度为1～20cm，所述基底的宽度为1～5cm。

进一步的，所述重叠区域的长度为1～5mm。

进一步的，所述制备钙钛矿太阳能电池的方法还可以进一步包括：(3)在所述重叠区域上设置电极。

进一步的，步骤(1)中，所述透明导电氧化物层上可以预先形成有第一电极，将各个所述基底依次重叠放置，以便将所述基底作为掩膜覆盖在所述第一电极上，并在所述第一电极上形成重叠区域；步骤(2)中，在未被所述基底覆盖的所述第一电极上依次形成电子传输层、光活性层和空穴传输层。

进一步的，所述第一电极包括栅线电极，所述栅线电极中栅线的宽度为5～100μm。

进一步的，所述第一电极的纵横比为0.1～1.5。

进一步的，所述制备钙钛矿太阳能电池的方法还可以进一步包括：在所述空穴传输层上形成第二电极。

根据本发明的另一方面，本发明提出了一种钙钛矿太阳能电池。根据本发明的实施例，该钙钛矿太阳能电池是由上述实施例的制备钙钛矿太阳能电池的方法制备得到的。由此，该钙钛矿太阳能电池的生产效率高，相应地具有更低的生产成本。

根据本发明的再一方面，本发明提出了一种制备钙钛矿太阳能电池组的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供多个上述实施例的钙钛矿太阳能电池；(2)通过连接任意两个所述钙钛矿太阳能电池的第一电极和第二电极，将多个所述钙钛矿太阳能电池连接，得到所述钙钛矿太阳能电池组。

根据本发明实施例的制备钙钛矿太阳能电池组的方法，通过将多个小面积的子电池连接形成电池组，可以有效解决钙钛矿太阳能电池因面积过大而效率降低的问题。此外，该方法中所采用的子电池由前面实施例所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法制备得到，子电池的生产效率高、生产成本低。

根据本发明的又一方面，本发明提出了一种钙钛矿太阳能电池组。根据本发明的实施例，该钙钛矿太阳能电池组是由上述实施例的制备钙钛矿太阳能电池组的方法制备得到的。由此，该钙钛矿太阳能电池的生产效率高，相应地具有更低的生产成本，且电池组效率高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的多个基底重叠放置的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图3是根据本发明再一个实施例的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的钙钛矿太阳能电池组的结构示意图；

图5是根据本发明再一个实施例的钙钛矿太阳能电池组的结构示意图；

图6是根据本发明又一个实施例的钙钛矿太阳能电池组的结构示意图。

附图标记：

100：基底；200：透明导电氧化物层；300：电子传输层；400：光活性层；

500：空穴传输层；610：第一电极；620：第二电极；700：连接结构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

根据本发明的一个方面，本发明提出了制备钙钛矿太阳能电池的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供多个预先形成有透明导电氧化物层的基底，将各个基底依次重叠放置，以便将基底作为掩膜覆盖在所述透明导电氧化物层上，并在透明导电氧化物层上形成重叠区域；(2)在未被基底覆盖的透明导电氧化物层上依次形成电子传输层、光活性层和空穴传输层。

根据本发明的实施例，多个基底的重叠放置方式可参考图1具体的，多个基底中的第一个基底(图1中最左侧基底)由于没有设置掩膜，所以可以在形成薄膜层(即电子传输层、光活性层和空穴传输层)的工艺中循环使用，而不必进一步地制备得到电池产品；为了保证多个基底中的最后一个基底(图1中最右侧基底)的倾斜角度与其他基底相同，可在最后一个基底下设置垫板或垫块等辅助机构。另外，需要说明的是，图1中的各个基底表面预先形成有透明导电氧化物层和/或第一电极，图1中未示出透明导电氧化物层和/或第一电极。

根据本发明的实施例，基底的具体种类并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。例如可采用本领域常见的玻璃基底、聚合物基底、不锈钢基底或透明薄膜基底。

根据本发明的实施例，上述基底可预先切割为长方体形，切割得到的长方体形基底的厚度不受特别限制，长度优选为1～20cm，宽度优选为1～5cm。由此，可更便于后续工序中薄膜层的形成。

根据本发明的优选实施例，相邻两个基底重叠区域的长度为1～5mm。需要说明的是，上述重叠区域的长度是指如图1所示的长度d。通过将重叠区域的长度控制在1～5mm，既可以保证基底之间重叠结构的稳定，从而保证后续薄膜层形成工序的顺行，还可以为薄膜层的形成留出足够的空间。在一些实施例中，将重叠区域的长度控制在1～5mm可以同时保证该区域具有足够的空间来在后续工序中设置电极。

进一步地，在未被基底覆盖的透明导电氧化物层上形成包括电子传输层、光活性层和空穴传输层的薄膜层。形成薄膜层的方法并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以采用本领域常规的热沉积法、化学气相沉积法、喷涂法、狭缝涂布法、卷对卷印刷法。本发明重叠基底的“自掩膜工艺”对薄膜层的形成方式没有严格要求，如前所述的常规方法均可以与自掩膜工艺相适配。

根据本发明的具体示例，透明导电氧化物层可以由掺铝氧化锌(azo)、掺硼氧化锌(bzo)、掺镓氧化锌(gzo)、掺镓铝氧化锌(gazo)、掺氟氧化锡(fto)、掺锡氧化铟(ito)、掺钨氧化铟(iwo)和掺钛氧化铟(itio)中的至少之一形成；电子传输层可以由富勒烯衍生物pcbm或自组装钛氧化物等形成；空穴传输层可以由聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸形成(pedot:pss)或聚三芳胺空穴传输材料(ptaa)等形成；电极可以采用金属电极(如ag电极、cu电极、au电极等)、氧化物电极、碳材料电极或复合电极。

进一步地，根据本发明的实施例，在未被基底覆盖的透明导电氧化物层上形成薄膜层后，可将各基底彼此移开，暴露原重叠区域，并在重叠区域上设置电极。

根据本发明的实施例，也可以在上述基底上设置第一电极后，在将多个基底重叠来形成薄膜层。换言之，在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，透明导电氧化物层上可以预先形成有第一电极，也即是说，在将多个基底重叠之前，基底上预先依次形成了透明导电氧化物层和第一电极，进而，将各个基底依次重叠放置，以便将基底作为掩膜覆盖在第一电极上，并在第一电极上形成重叠区域；步骤(2)中，在未被基底覆盖的第一电极上依次形成电子传输层、光活性层和空穴传输层。发明人在实验中发现，如果电池尺寸较小(如小于10mm)，不设置该第一电极，电池也可工作。对于尺寸较大的电池，由于电池电阻较大，则优选设置该第一电极。

根据本发明的实施例，上述第一电极优选为包括栅线电极，且栅线电极中栅线的宽度为5～100μm，由此，可以进一步提高电池的性能。

根据本发明的实施例，上述第一电极的纵横比(或称长宽比)为0.1～1.5。如果纵横比过大，会不利于进行后续工序。

根据本发明的优选实施例，第一电极采用可提高透明导电氧化物层导电性的材料形成，例如ag、au、al、c(石墨烯、碳纳米管)、cu等。

另外，根据本发明的实施例，光活性层的面积优选为电子传输层面积的1～10％，并优选为线形，由此，可进一步提高电池的性能。

进一步地，根据本发明的实施例，在空穴传输层上形成第二电极。

进一步地，还可以对太阳能电池进行封装或设置背板、绝缘层等常规加工，在此不再一一赘述。

根据本发明的另一方面，本发明提出了一种钙钛矿太阳能电池。根据本发明的实施例，该钙钛矿太阳能电池是由上述实施例的制备钙钛矿太阳能电池的方法制备得到的。由此，该钙钛矿太阳能电池的生产效率高，相应地具有更低的生产成本。

如前所述，该钙钛矿太阳能电池可以采用预先形成透明导电氧化物层的基底或者预先形成透明导电氧化物层和第一电极的基底重叠来制备得到，由此，该钙钛矿太阳能电池可以具有两种结构。具体的，图2显示了采用预先形成透明导电氧化物层的基底重叠制备得到的钙钛矿太阳能电池结构，图3显示了采用预先形成透明导电氧化物层和第一电极的基底重叠制备得到的钙钛矿太阳能电池结构。如图2和3所示，该钙钛矿太阳能电池包括：基底100、透明导电氧化物层200、电子传输层300、光活性层400、空穴传输层500、第一电极610和第二电极620。

根据本发明的再一方面，本发明提出了一种制备钙钛矿太阳能电池组的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供多个上述实施例的钙钛矿太阳能电池；(2)通过连接任意两个所述钙钛矿太阳能电池的第一电极和第二电极，将多个所述钙钛矿太阳能电池连接，得到所述钙钛矿太阳能电池组。

根据本发明实施例的制备钙钛矿太阳能电池组的方法，通过将多个小面积的子电池连接形成电池组，可以有效解决钙钛矿太阳能电池因面积过大而效率降低的问题。此外，该方法中所采用的子电池由前面实施例所述的制备钙钛矿太阳能电池的方法制备得到，子电池的生产效率高、生产成本低。

具体的，参考图4～6，以相邻的两个子电池为例，其中一个子电池的第一电极可以通过常规的焊接工艺或者采用低温导电粘合材料与另一个子电池的第二电极连接在一起。另外，可以根据第一电极和第二电极的形状来选择将二者连接的方式。例如，如果第一电极和第二电极至少之一的待连接面为线状，可以连续地将第一电极和第二电极焊接或用粘合材料连接(如图5所示)；如果第一电极和第二电极的待连接面均为面状，则可以间断地将第一电极和第二电极焊接或用粘合材料连接(如图6所示)。在一些实施例中，相对于高温焊接，利用低温导电粘合材料将多个子电池连接更为适用。图4～6中，700表示焊接形成的焊带或是粘合材料形成的连接结构。

根据本发明的又一方面，本发明提出了一种钙钛矿太阳能电池组。根据本发明的实施例，该钙钛矿太阳能电池组是由上述实施例的制备钙钛矿太阳能电池组的方法制备得到的。由此，该钙钛矿太阳能电池的生产效率高，相应地具有更低的生产成本，且电池组效率高。

需要说明的是，该钙钛矿太阳能电池组具有前文所描述的钙钛矿太阳能电池的全部特征和优点，在此不再一一赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。