一种钙钛矿太阳能组件及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳能组件及其制备方法。

背景技术：

作为新型光伏技术的一种，钙钛矿太阳能电池凭借其超高的能量转换效率、低廉的制作成本和广泛的原料来源等诸多优势，在短短数年内呈现出指数式发展。越来越多的研究人员认为钙钛矿光伏技术具备进入主流光伏技术如晶硅技术、cigs薄膜技术等领域的潜力，因而，实现钙钛矿光伏技术从实验室制备过渡到规模化和机械化生产的过程变得尤为重要。众所周知，大面积钙钛矿太阳能组件中金属栅线的填埋工艺十分关键，栅线填埋效果的好坏直接决定着组件的光电性能和制作良率，优化改进钙钛矿太阳能组件的栅线填埋工艺，提升组件的效率和重复率。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种钙钛矿太阳能组件及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钙钛矿太阳能组件，包括玻璃衬底层、透明导电薄膜层、第一接触层、钙钛矿吸光层、第二接触层、金属电极，所述玻璃衬底层、金属栅线、透明导电薄膜层、第一接触层、钙钛矿吸光层、第二接触层、金属电极依次从下到上依次排列，所述玻璃衬底层通过透明导电薄膜层与第一接触层固定连接，所述第一接触层通过钙钛矿吸光层与第二接触层固定连接，所述第二接触层与金属电极固定连接，所述玻璃衬底层内、透明导电薄膜层内都设有金属栅线。

作为优选，透明导电薄膜层的材料为fto氟掺氧化锡、ito铟掺氧化锡、azo铝掺氧化锌、ato铝掺氧化锡、igo铟掺氧化鎵中的至少一种。

作为优选，金属栅线为银栅线、铜栅线、铝栅线、钼栅线、镍栅线中的至少一种。

作为优选，所述钙钛矿吸光层包括qmz3型钙钛矿材料，其中，所述q为cs⁺、k+、ch3nh3⁺、c(nh2)3⁺、ch(nh2)2⁺中的至少一种，所述m为pb²⁺、sn²⁺中的至少一种，所述z为br^-、i^-、cl^-中的至少一种。

作为优选，第一接触层、第二接触层都由p型半导体、n型半导体组成，所述p型半导体为nio、cuscn、cui、ado2型铜铁矿半导体材料中的至少一种，所述n型半导体为富勒烯、富勒烯衍生物、tio2、xbo3型钙钛矿半导体材料、zn2sno4、sno2、zno中的至少一种。

作为优选，金属电极为ag、cu、al、cr、ni、ti中的至少一种。

作为优选，金属栅线的宽度应不小于100nm，所述金属栅线的高度不低于1μm。

一种钙钛矿太阳能组件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：先在洁净的带有玻璃衬底层的透明导电薄膜层的表面涂敷保护层；

步骤二：在带有玻璃衬底层的透明导电薄膜层上进行第一次狭缝刻蚀，使得透明导电薄膜层形成若干个狭缝；

步骤三：在狭缝上继续向下第二次狭缝刻蚀，使得玻璃衬底层也形成若干个狭缝；

步骤四：清除透明导电薄膜层的表面残留保护层；

步骤五：在若干个狭缝上填埋金属栅线，使得金属栅线的顶端与透明导电薄膜层的顶端持平即可，金属栅线的底端位于玻璃衬底层内，从而得到金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底；

步骤六：将金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底；

步骤七：在洁净的金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底表面沉积第一接触层，使得第一接触层能够完整致密地覆盖整个透明导电玻璃衬底；

步骤八：在第一接触层的表面沉积钙钛矿吸光层；

步骤九：在钙钛矿吸光层表面沉积第二接触层；

步骤十：用热蒸镀法在第二接触层上真空蒸镀ag、cu、al、ni、ti中的至少一种，从而生成金属电极，得到钙钛矿太阳能组件成品。

作为优选，所述保护层为聚酯胶系、酚醛树脂系、环氧树脂系、甲基丙烯酸甲酯系中的至少一种。

作为优选，第一次狭缝刻蚀的方法为光化学刻蚀或激光刻蚀，所述第二次狭缝刻蚀为氢氟酸类刻蚀或c4f8、sf6类感应耦合离子体刻蚀。

本发明的有益效果如下：(1)栅线填埋工艺简单且成本低廉。先直接对普通的透明导电玻璃进行连续两次刻蚀获得深度狭缝，再填埋金属栅线就能形成栅线镶嵌的导电玻璃衬底，整个工艺流程可以实现工业化大规模生产的要求。(2)栅线填埋成功率高且外部电荷抽取更加有效，采用镶嵌栅线的工艺一方面可以在不破坏透明导电玻璃平整性的同时实现金属栅线的最有效的填埋，极大地避免了栅线填埋对钙钛矿太阳能组件的性能干扰，大大提高了填埋成功率，另一方面镶嵌的金属栅线完全贯穿整个透明导电薄膜层，进而能够形成强力接触，改善栅线对电荷的快速抽取和传输。(3)钙钛矿太阳能组件性能优良且重复性高。从实施例制备的组件的性能参数和大量组件效率分布可以明显看出这种金属栅线填埋工艺具有十分优异的效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例2的钙钛矿太阳能组件j-v曲线示意图；

图3为一百个实施例2提供的钙钛矿太阳能组件效率分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1：

如图1所示，一种钙钛矿太阳能组件，包括玻璃衬底层1、透明导电薄膜层3、第一接触层4、钙钛矿吸光层5、第二接触层6、金属电极7，所述玻璃衬底层1、金属栅线2、透明导电薄膜层3、第一接触层4、钙钛矿吸光层5、第二接触层6、金属电极7依次从下到上依次排列，所述玻璃衬底层1通过透明导电薄膜层3与第一接触层4固定连接，所述第一接触层4通过钙钛矿吸光层5与第二接触层6固定连接，所述第二接触层6与金属电极7固定连接，所述玻璃衬底层1内、透明导电薄膜层3内都设有金属栅线2。所述透明导电薄膜层3的材料为fto氟掺氧化锡、ito铟掺氧化锡、azo铝掺氧化锌、ato铝掺氧化锡、igo铟掺氧化鎵中的至少一种。所述金属栅线2为银栅线、铜栅线、铝栅线、钼栅线、镍栅线中的至少一种。所述钙钛矿吸光层5包括qmz3型钙钛矿材料，其中，所述q为cs⁺、k+、ch3nh3⁺、c(nh2)3⁺、ch(nh2)2⁺中的至少一种，所述m为pb²⁺、sn²⁺中的至少一种，所述z为br^-、i^-、cl^-中的至少一种。所述第一接触层4、第二接触层6都由p型半导体、n型半导体组成，所述p型半导体为nio、cuscn、cui、ado2型铜铁矿半导体材料中的至少一种，所述n型半导体为富勒烯、富勒烯衍生物、tio2、xbo3型钙钛矿半导体材料、zn2sno4、sno2、zno中的至少一种。所述金属电极7为ag、cu、al、cr、ni、ti中的至少一种。所述金属栅线2的宽度应不小于100nm，所述金属栅线2的高度不低于1μm。

一种钙钛矿太阳能组件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：先在洁净的带有玻璃衬底层1的透明导电薄膜层3的表面涂敷保护层，保护层为聚酯胶系、酚醛树脂系、环氧树脂系、甲基丙烯酸甲酯系中的至少一种；

步骤二：在带有玻璃衬底层1的透明导电薄膜层3上进行第一次狭缝刻蚀，使得透明导电薄膜层3形成若干个狭缝；

步骤三：在狭缝上继续向下第二次狭缝刻蚀，使得玻璃衬底层1也形成若干个狭缝，第一次狭缝刻蚀的方法为光化学刻蚀或激光刻蚀，所述第二次狭缝刻蚀为氢氟酸类刻蚀或c4f8、sf6类感应耦合离子体刻蚀；

步骤四：清除透明导电薄膜层3的表面残留保护层；

步骤五：在若干个狭缝上填埋金属栅线2，使得金属栅线2的顶端与透明导电薄膜层3的顶端持平即可，金属栅线2的底端位于玻璃衬底层1内，从而得到金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底；

步骤六：将具有金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗，再经紫外臭氧处理，得到洁净的金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底；

步骤七：在洁净的金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底表面沉积第一接触层4，使得第一接触层4能够完整致密地覆盖整个透明导电玻璃衬底；

步骤八：在第一接触层4的表面沉积钙钛矿吸光层5；

步骤九：在钙钛矿吸光层5表面沉积第二接触层6；

步骤十：用热蒸镀法在第二接触层6上真空蒸镀ag、cu、al、ni、ti中的至少一种，从而生成金属电极7，得到钙钛矿太阳能组件成品。

实施例2：

如图1所示，本发明所涉及的钙钛矿太阳能电池由银栅镶嵌的fto玻璃衬底层、银栅镶嵌的透明导电薄膜层、第一接触层、ch3nh3pbi3钙钛矿吸光层、第二接触层和金属电极组成，具体制备步骤如下：

步骤(1)、银栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底：先对透明导电薄膜层涂敷环氧树脂光刻负胶，再进行阵列化掩膜光刻蚀，狭缝刻蚀宽度为10μm，刻蚀深度为190nm(等于fto透明导电薄膜的厚度)，狭缝间距为1cm，进而完成第一次刻蚀。在第一次刻蚀狭缝相同位置进行sf6/ar感应耦合等离子体刻蚀，狭缝宽度和狭缝间距维持不变，刻蚀深度为15μm，累计深度为15.19μm。清洗掉透明导电薄膜表面残留的光刻胶，丝网印刷银浆填满整个狭缝，烧结得到最终的银栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗20min，备用；

步骤(2)、第一接触层的制备：在洁净银栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底表面依次原子层沉积30nmtio2和真空热蒸发沉积5nmc60，待用；

步骤(3)、ch3nh3pbi3钙钛矿吸光层的制备：将摩尔比为1:1.01的pbi2粉末和ch3nh3i粉末混合溶解在dmf/dmso(体积比为2:8)溶液中，并在常温下搅拌溶解完全。将该钙钛矿前驱液刮涂在第一接触层上，然后在100℃下加热10min，最终实现沉积460nm厚度的钙钛矿薄膜；

步骤(4)、第二接触层的制备：在ch3nh3pbi3钙钛矿吸光层表面旋涂8mgml^-1ptaa氯苯溶液，50℃处理10min，得到沉积40nm厚度的第二接触层；

步骤(5)、金电极的制备：在第二接触层表面热蒸发沉积90nm的金即可，控制真空度为4.6×10-4torr。

如图2所示，坐标轴横向为电压v，竖直方向为电流密度，按照实施例2制备的钙钛矿太阳能组件取得了19.6％的高能量转换效率，其中jsc＝22.77ma/cm²，voc＝1.15v，ff＝0.75。优异的组件性能表明基于这种金属栅线镶嵌的透明导电玻璃可以实现高效的组件性能，且工艺流程简单。

采用本发明提供的新型金属栅线填埋方法及钙钛矿太阳能组件，具有如下技术优点：(1)栅线填埋工艺简单且成本低廉。先直接对普通的透明导电玻璃进行连续两次刻蚀获得深度狭缝，再填埋金属栅线就能形成栅线镶嵌的导电玻璃衬底，整个工艺流程可以实现工业化大规模生产的要求。(2)栅线填埋成功率高且外部电荷抽取更加有效，采用镶嵌栅线的工艺一方面可以在不破坏透明导电玻璃平整性的同时实现金属栅线的最有效的填埋，极大地避免了栅线填埋对钙钛矿太阳能组件的性能干扰，大大提高了填埋成功率，另一方面镶嵌的金属栅线完全贯穿整个透明导电薄膜层，进而能够形成强力接触，改善栅线对电荷的快速抽取和传输。(3)钙钛矿太阳能组件性能优良且重复性高。如图3所示，横坐标为效率％,纵坐标为个数，可以看出从实施例2制备的组件的性能参数和大量组件效率分布可以明显看出这种金属栅线填埋工艺具有十分优异的效果。

本发明直接对传统的带有透明导电薄膜的玻璃衬底表面进行连续两次刻蚀得到若干个狭缝，并在狭缝中填埋金属栅线，进而形成金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底，该栅线填埋工艺简单，大幅降低了填埋成本，提高栅线填埋的成功率。更重要的是，这种金属栅线镶嵌的透明导电玻璃衬底既保有原有玻璃衬底的平整性，又可以显著改善金属栅线和透明导电薄膜层的接触，增加金属栅线对光生电荷的抽取速率，减少复合损失，提高钙钛矿组件的整体性能。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。