钙钛矿薄膜太阳能电池的制作方法

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种钙钛矿薄膜太阳能电池。

背景技术：

太阳能电池由于从外部引入的水分和/或气体而导致自身特性恶化。特别地，由有机/无机材料组成的混合钙钛矿材料(即光活性层)具有由水分和气体加速劣化的缺点。在柔性基底的情况下，水可以直接穿透聚合物基底和/或通过边缘密封剂进入钙钛矿材料层。对于使用玻璃基底密封的太阳能电池来讲，可以防止水分和气体穿透玻璃基底，但是它们仍能穿过边缘密封剂进入钙钛矿材料层，导致钙钛矿材料层性能恶化。

现有技术中，有机/无机多层薄膜封装方法对水分和气体具有优异的阻挡功能，但是，仍然需要开发1)仅用于封装的附加工艺，增加成本，2)有机/无机多层薄膜由于其对太阳光的高反射率或高吸收率，导致太阳光透射率降低，而降低光电转化效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种钙钛矿薄膜太阳能电池，以将光活性层与水分、气体隔绝。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括：叠置的多层功能层，多层所述功能层中的其中一层为光活性层，多层所述功能层中除去所述光活性层的其它至少一层功能层构造为包绕层，所述包绕层包括：充当叠置部分的包绕层本体以及从所述包绕层本体的至少部分边缘延伸的外围层，所述包绕层本体和所述外围层包绕在所述光活性层的至少三个侧面。

根据本发明的一些实施例，所述包绕层为一层，且所述包绕层整体包覆所述光活性层。

根据本发明的一些实施例，所述钙钛矿薄膜太阳能电池包括：从第一方向朝第二方向排列的前基板层、透明导电氧化物层、所述光活性层、后金属电极和后基板层，所述包绕层的包绕层本体设置在所述光活性层、所述后金属电极之间，所述包绕层的外围层至少包覆所述光活性层。

进一步地，所述包绕层为第一电荷转移层，所述包绕层还包覆所述前基板层、所述透明导电氧化物层。

进一步地，所述透明导电氧化物层、所述光活性层之间设置有所述第二电荷转移层。

可选地，所述前基板层与所述透明导电氧化物层之间设置有减反射层。

进一步地，所述钙钛矿薄膜太阳能电池还包括封装层，所述封装层设置在所述后金属电极、所述后基板层之间。

根据本发明的一些实施例，所述包绕层为多层，且多层所述包绕层嵌套配合。

具体地，多层所述包绕层的内层包绕层整体包覆所述光活性层，多层所述包绕层的外层包绕层至少部分地包覆所述光活性层。

进一步地，所述钙钛矿薄膜太阳能电池包括：从第一方向朝第二方向排列的前基板层、透明导电氧化物层、所述光活性层、后金属电极和后基板层，所述内层包绕层的包绕层本体设置在所述光活性层、所述透明导电氧化物层之间，所述内层包绕层的外围层至少包覆所述光活性层，所述外层包绕层的包绕层本体设置在所述前基板层、所述透明导电氧化物层之间，所述外层包绕层的外围层至少部分地包覆所述光活性层。

具体地，所述内层包绕层为第一电荷转移层，所述内层包绕层还包覆所述后金属电极、所述后基板层。

进一步地，所述外层包绕层为减反射层，所述外层包绕层还包覆所述透明导电氧化物层、所述内层包绕层。

进一步地，所述光活性层、所述后金属电极之间设置有第二电荷转移层。

具体地，所述钙钛矿薄膜太阳能电池还包括封装层，所述封装层设置在所述前基板层、所述外层包绕层之间。

可选地，所述减反射层为单层减反射层或多层减反射层，且所述减反射层的折射率为1.6～1.9。

可选地，所述减反射层为单层al2o3层或单层sioxny层或al2o3层、sioxny层组成的双层结构。

可选地，所述前基板层和所述后基板层均为玻璃基板。

相对于现有技术，本发明所述的钙钛矿薄膜太阳能电池具有以下优势：

本发明所述的钙钛矿薄膜太阳能电池，通过设置包绕层包覆光活性层，可将光活性层与外部的水分、气体隔绝，从而保证光活性层的性能良好，避免光活性层恶化，这样，光活性层在吸收光能之后，可最大限度地将光能转化为电能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的钙钛矿薄膜太阳能电池的第一实施例示意图；

图2是本发明实施例的钙钛矿薄膜太阳能电池的第二实施例示意图；

图3是sioxny中n的含量与折射率的关系曲线图；

图4是sioxny中n的含量与jph的关系曲线图；

图5是sioxny层的厚度对jph的影响曲线图；

图6是al2o3层的厚度对jph的影响曲线图；

图7是具有双层减反射层的钙钛矿薄膜太阳能电池的光生电流jph与不同al2o3、sioxny厚度组合的关系图。

附图标记说明：

钙钛矿薄膜太阳能电池10、光活性层1、前基板层2、透明导电氧化物层3、后金属电极4、后基板层5、封装层6、包绕层7、内层包绕层(第一电荷转移层)71、外层包绕层(减反射层)72、第二电荷转移层8。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考图1-图7并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1-图2所示，根据本发明实施例的钙钛矿薄膜太阳能电池10包括：叠置的多层功能层，多层功能层中的其中一层为光活性层1，多层功能层中除去光活性层1的其它至少一层功能层构造为包绕层7，包绕层7包括：充当叠置部分的包绕层本体711、721以及从包绕层本体的至少部分边缘延伸的外围层712、722，包绕层本体和外围层包绕在光活性层1的至少三个侧面，以将光活性层1与外界的水分和/或气体隔离。优选地，包绕层本体和外围层包绕在光活性层1的六个侧面，使光活性层1处于完全密闭的环境中，隔离效果更好。

在本发明的实施例中，光活性层1为钙钛矿层，光活性层1可将吸收的太阳光光能转化为电能，以供电器元件使用。钙钛矿材料制成的光活性层1在接触到外界的水分或气体时其性能会加速恶化，因此，使用包绕层7包覆光活性层1之后，可以避免外界的气体或水分进入光活性层1内影响光活性层1性能，从而保证光活性层1可最大限度地将光能转化为电能。

根据本发明实施例的钙钛矿薄膜太阳能电池10，通过设置包绕层7包覆光活性层1，可将光活性层1与外部的水分、气体隔绝，从而保证光活性层1的性能良好，避免光活性层1恶化，这样，光活性层1在吸收光能之后，可最大限度地将光能转化为电能，转化效率高。

参照图1所示的实施例，包绕层7为一层，且包绕层7整体包覆光活性层1，将光活性层1与外部的水分、气体完全隔绝。

具体而言，钙钛矿薄膜太阳能电池10包括：从第一方向朝第二方向排列的前基板层2、透明导电氧化物层3(简称tco)、光活性层1、后金属电极4和后基板层5，包绕层7的包绕层本体711设置在光活性层1、后金属电极4之间，包绕层7的外围层712至少包覆光活性层1。

进一步地，在图1所示的实施例中，包绕层7为第一电荷转移层，也就是说，包绕层7兼具电荷转移功能，由此，第一电荷转移层可实现光活性层1、后金属电极4之间的电荷转移。包绕层7还包覆前基板层2、透明导电氧化物层3，使光活性层1、前基板层2、透明导电氧化物层3均与外部的水分、气体隔绝开。

进一步地，透明导电氧化物层3、光活性层1之间设置有第二电荷转移层8，由此可实现透明导电氧化物层3、光活性层1之间的电荷转移。

可选地，前基板层2与透明导电氧化物层3之间设置有减反射层72。减反射层72用于减少通过前基板层2入射的太阳光的反射率，从而使太阳光更多地进入钙钛矿薄膜太阳能电池10内。太阳光的入射方向如图1中箭头所示。

进一步地，钙钛矿薄膜太阳能电池10还包括：封装层6，封装层6设置在后金属电极4、后基板层5之间。

如图1所示，减反射层72、透明导电氧化物层3、第二电荷转移层8、光活性层1、第一电荷转移层71、后金属电极4、封装层6和后基板层5依次形成在前基板层2上。

参照图2所示的实施例，包绕层7为多层，且多层包绕层7嵌套配合。

具体地，在图2所示的实施例中，多层包绕层7为内、外两层，多层包绕层7的内层包绕层71整体包覆光活性层1，以对光活性层1进行初次包覆，多层包绕层7的外层包绕层72至少部分地包覆光活性层1和内层包绕层71，以对光活性层1进行二次包覆。多层包绕层7共同作用，将光活性层1与外部的水分、气体完全隔绝，且隔绝效果更好。在图2中，外层包绕层72没有包覆光活性层1和内层包绕层71的上端面，仅包覆了其它五个侧面。在一些优选的实施例中，外层包绕层72完全包覆光活性层1和内层包绕层71。

进一步地，图2所示的钙钛矿薄膜太阳能电池10包括：从第一方向朝第二方向排列的前基板层2、透明导电氧化物层3、光活性层1、后金属电极4和后基板层5，内层包绕层71的包绕层本体711设置在光活性层1、透明导电氧化物层3之间，内层包绕层71的外围层712至少包覆光活性层1，外层包绕层72的包绕层本体721设置在前基板层2、透明导电氧化物层3之间，外层包绕层72的外围层722至少部分地包覆光活性层1。

具体地，内层包绕层71为第一电荷转移层71，第一电荷转移层71可实现光活性层1、透明导电氧化物层3之间的电荷转移。内层包绕层71还包覆后金属电极4、后基板层5，使光活性层1、后金属电极4、后基板层5均与外部的水分、气体隔绝开。

进一步地，外层包绕层72为减反射层72，外层包绕层72还包覆透明导电氧化物层3、内层包绕层71。光活性层1被第一电荷转移层71和减反射层72同时覆盖，从而更有效地防止外部的水分和气体渗透到光活性层1的钙钛矿中。

进一步地，光活性层1、后金属电极4之间设置有第二电荷转移层8，由此可实现光活性层1、后金属电极4之间的电荷转移。

具体地，钙钛矿薄膜太阳能电池10还包括：封装层6，封装层6设置在前基板层2、外层包绕层72之间。换言之，减反射层72设置在封装层6与透明导电氧化物层3之间，且减反射层72包覆透明导电氧化物层3至后基板层5之间的所有层，保护这些层(即透明导电氧化物层3、第一电荷转移层71、光活性层1、第二电荷转移层8、后金属电极4、后基板层5)免受外面的水分或气体的影响。透明导电氧化物层3与光活性层1之间的第一电荷转移层71包覆光活性层1至后基板层5之间的所有层，保护这些层(即光活性层1、第二电荷转移层8、后金属电极4、后基板层5)免受外面的水分或气体的影响。光活性层1被第一电荷转移层71、减反射层72二次包覆，隔绝水分或气体的效果更好。

如图2所示，后金属电极4、第二电荷转移层8、光活性层1、第一电荷转移层71、透明导电氧化物层3、减反射层72、封装层6和前基板层2依次形成在后基板层5上。

在图2所示的钙钛矿薄膜太阳能电池10在成型过程中，当在形成光活性层1之后沉积第一电荷转移层71时，通过ald(原子层沉积)工艺形成覆盖光活性层1的膜(即第一电荷转移层71)，此时，tio2可用作第一电荷转移层71的材料。然后，可以使用诸如溅射、蒸发和ald等工艺来沉积透明导电氧化物层3，并且当沉积减反射层72时，使用ito，azo(al掺杂的zno)、fto(f掺杂sno2)作为材料，如上所述，与第一电荷转移层71包围光活性层1的工艺一样，使减反射层72包围光活性层1。减反射层72可以沉积为单层al2o3或单层sioxny或由它们两者组成的双层结构。

参照图1-图2所示，减反射层72设置在透明导电氧化物层3的朝向太阳光的一侧，且减反射层72的带隙较宽，减反射层72具有低反射率、低吸收率和高折射率特性，保证太阳光更多地穿透减反射层72，使透明导电氧化物层3获得更高的光电流。

可选地，减反射层72为单层减反射层或多层减反射层，且减反射层72的折射率范围为1.6～1.9，太阳光的照射方向如图1-图2中的箭头所示，即太阳光的方向为从前基板层2向后基板层5照射的方向。减反射层72的折射率为1.6～1.9，可保证经过减反射层72的太阳光被反射的量很少，绝大部分被折射传递至透明导电氧化物层3，进而到达光活性层1参与光电转化。

在实际实施例中，选择合适的材料用于制作包绕层7，以使包绕层7具有防气体或防水分功能，材料的选择是基于其折射率和水蒸气透过率(wvtr)特性。

表1多种材料的折射率和wvtr

减反射层72的折射率的理论估算公式为：由此得出减反射层72的最佳折射率值，当减反射层72为单层减反射层时，最佳折射率值n＝1.82，当减反射层72为双层减反射层时，第一层的最佳折射率值n1＝1.66，第二层的最佳折射率值n2＝1.86。

可选地，减反射层72为单层al2o3层或单层sioxny层或al2o3层、sioxny层组成的双层结构。减反射层72可改善钙钛矿薄膜太阳能电池10的反射率，即降低对太阳光的反射率，提高对太阳光的折射率，以提升太阳光的利用率，提高钙钛矿薄膜太阳能电池10的光电转化效率。

对于含有sioxny的减反射层72来讲，减反射层72的折射率变化取决于sioxny中n元素的含量，由图3可知，当n元素的含量在0％-80％之间变化时，减反射层72的折射率变化范围为1.48-1.88，且折射率与n元素的含量近似呈正相关。

钙钛矿薄膜太阳能电池10的光生电流为jph，sioxny中n元素的含量还对jph有影响，具体如图4所示。由图4可知，光生电流jph的变化取决于sioxny中n元素的含量，当n元素的含量近似在60％时，jph最高。此时，sioxny层的厚度为100nm。将alox和n元素含量为60％的sioxny层的最佳层厚度模拟为单层减反射层，保证光生电流jph较高。

图5-图6表示，钙钛矿薄膜太阳能电池10的光生电流jph取决于层厚度，图5-图6中的参考结构(ref.)为在前基板层2和透明导电氧化物层3之间没有设置减反射层72，其jph较小。由图5-图6结果表明，在sioxny厚度为80nm和al2o3厚度为100nm的条件下，可以得到最佳的jph值。与参考的jph(没有减反射层72)相比，设置减反射层72之后，jph表现出最高约0.7ma/cm²的增加。在假设其他单元参数(例如voc和ff)相同的情况下，这可以导致效率增加约0.7％，参考效率为18.06％(jsc＝22.05ma/cm²，voc＝1.05v，ff＝78％)，由此，设置减反射层72之后例如sioxny厚度为75nm(jsc＝22.87ma/cm²，voc＝1.05v，ff＝78％)时，效率为18.73％。

图7是具有双层减反射层的钙钛矿薄膜太阳能电池10的光生电流jph与不同al2o3、sioxny厚度组合的关系。

图7中的参考结构(ref.)为在前基板层2和透明导电氧化物层3之间没有设置减反射层72，其jph较小。由图7可知，具有双层减反射层的钙钛矿薄膜太阳能电池10的jph高于参考结构的jph，并且高于单层减反射层的jph。在sioxny厚度为80nm和al2o3厚度为90nm的条件下，最大jph值几乎达到23ma/cm²。

可选地，前基板层2和后基板层5均为玻璃基板，由此，前基板层2和后基板层5可对其它功能层进行更好地支撑。

在本发明实施例中，第一电荷转移层71、第二电荷转移层8可以是空穴传输层或电子传输层。

根据本发明实施例的钙钛矿薄膜太阳能电池10其内部具有减反射层72，保证钙钛矿薄膜太阳能电池10具有较低的光反射率，同时，光活性层1被第一电荷转移层71和/或减反射层72包覆，保证钙钛矿薄膜太阳能电池10具有较高的可靠性。此外，由于包绕层7由第一电荷转移层71和/或减反射层72充当，而不使用额外的材料和工艺，因此有利于节省成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。