一种两面受光的钙钛矿太阳能电池的制作方法

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种两面受光的钙钛矿太阳能电池。

背景技术：

钙钛矿型太阳能电池具有高光电转化效率、低成本、广泛的应用场景等优势，近年来受到越来越多的关注，成为新能源研发领域的热点。其中，获得足够高的单位受光面积光电转化效率，是该电池技术进入产业化应用过程中至关重要的因素。

目前，单节钙钛矿太阳能电池的最高光电转化效率已经达到23％以上，从最高效率指标来看，钙钛矿太阳能电池已经超过了铜铟镓硒电池和碲化镉电池等薄膜太阳能电池，并逼近单晶硅电池。另一方面，随着钙钛矿太阳能电池材料的进一步发展和电池制备工艺、封装技术的持续优化，钙钛矿太阳能电池一直以来为人诟病的稳定性不佳等问题，也获得了很大程度上的解决。所以，钙钛矿太阳能电池进入产业化、完成技术的商业应用转化已经指日可待。

应该看到的是，虽然钙钛矿太阳能电池的光电转化效率在短短不到十年(2009年-2018年)的时间内，由最初发现时的不到4％提升至目前接近单晶硅电池的效率水平，但是钙钛矿太阳能电池效率的提升速度也在明显放缓，可以确定的是，获得更高的电池效率将会越来越难，同时制备成本对电池效率提升的边际效应也愈发突出；因此在目前现有的材料水平和制备工艺技术的前提下，通过优化改进电池的制备和组装策略，成为进一步提升器件效率的关键。

钙钛矿型太阳能电池具有高光电转化效率、低成本、广泛的应用场景等优势，近年来受到越来越多的关注，成为新能源研发领域的热点。其中，获得足够高的单位受光面积光电转化效率，是该电池技术进入产业化应用过程中至关重要的因素。

然而，随着社会经济的不断发展，用电量不断攀升，目前的钙钛矿型太阳能电池的发电量已经无法满足，给生产活动带来了麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种两面受光的钙钛矿太阳能电池，解决了目前的钙钛矿型太阳能电池的发电量无法满足高用电量的生产活动的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种两面受光的钙钛矿太阳能电池，包括第一钙钛矿太阳能电池体、第二钙钛矿太阳能电池体和共用背电极，所述共用背电极一侧固定设置第一钙钛矿太阳能电池体，所述共用背电极另一侧固定设置第二钙钛矿太阳能电池体，所述第一钙钛矿太阳能电池体与第二钙钛矿太阳能电池体为并联。

所述第一钙钛矿太阳能电池体与第二钙钛矿太阳能电池体的组成结构相互一致。

所述第一钙钛矿太阳能电池体包括透明电极、钙钛矿吸光层，所述钙钛矿吸光层一侧设置透明电极，所述钙钛矿吸光层另一侧设置所述共用背电极。

所述钙钛矿吸光层包括电子传输层、活性层和空穴传输层，所述电子传输层一侧设置透明电极，所述电子传输层另一侧活性层，所述活性层一侧设置空穴传输层。

所述活性层为钙钛矿层。

所述第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体的电池基底均为高透玻璃层。

所述第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体外部均设置有封装层。

所述第一钙钛矿太阳能电池体或第二钙钛矿太阳能电池体的一侧设置有光反射镜。

所述光反射镜为凹面镜。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明通过将第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体设置在共用背电极两侧，并以并联的形式使第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体与电力输送设备连接，达到同一背电极的形式下，双面发电的功能，使得单位时间内相同光照情况下，发电量双倍，有效解决了目前高用电量的问题，其中，第一钙钛矿太阳能电池体与第二钙钛矿太阳能电池体的组成结构相互一致，而第一钙钛矿太阳能电池体包括透明电极、钙钛矿吸光层和空穴传输层，钙钛矿吸光层吸收光照之后，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发，使其形成自由电子，由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴，这样的一个“电子--空穴对”就是激子，激子被分离成电子与空穴后，分别流向透明电极和共用背电极，为了提高光电转换率，活性层为钙钛矿层，为了不影响光照摄入量又能够为第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体提供一个电池基底，本申请选用高透玻璃层电池基底，为整个器件阻隔水、氧等易于引起电池老化的因素，提高整体器件的稳定性，增强双面受光钙钛矿太阳能电池的实用性，第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体外部均设置有封装层，为了保证第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体在相同光照条件下能够同时受到光照，提高光照效率，在第一钙钛矿太阳能电池体或第二钙钛矿太阳能电池体的一侧设置有光反射镜，光反射镜采用凹面镜。

本发明一种新型双面受光发电的钙钛矿太阳能电池，扩展了原有电池的应用范围，提高了原有技术方案的光电流和光电转换效率，光电流由单面电池的20-22ma/cm²提升至26ma/cm²以上，电池光电转换效率提升15-20％以上(以单面电池受光面积计算)，具有实用价值。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

其中，1.透明电极、2.电子传输层、3.活性层、4.空穴传输层、5.共用背电极、6.高透玻璃层、7.封装层、8.光反射镜。

具体实施方式

如图1所示，一种两面受光的钙钛矿太阳能电池，包括第一钙钛矿太阳能电池体、第二钙钛矿太阳能电池体和共用背电极5，共用背电极5一侧固定设置第一钙钛矿太阳能电池体，共用背电极5另一侧固定设置第二钙钛矿太阳能电池体，第一钙钛矿太阳能电池体与第二钙钛矿太阳能电池体为并联，第一钙钛矿太阳能电池体与第二钙钛矿太阳能电池体的组成结构相互一致，第一钙钛矿太阳能电池体包括透明电极1、钙钛矿吸光层，钙钛矿吸光层一侧设置透明电极1，钙钛矿吸光层另一侧设置共用背电极5，钙钛矿吸光层包括电子传输层2、活性层3和空穴传输层4，电子传输层2一侧设置透明电极1，电子传输层2另一侧活性层3，活性层3一侧设置空穴传输层4，活性层3为钙钛矿层，第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体的电池基底均为高透玻璃层6，第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体外部均设置有封装层7，第一钙钛矿太阳能电池体或第二钙钛矿太阳能电池体的一侧设置有光反射镜8，光反射镜8为凹面镜。

其中，高透明玻璃基底6可采用商业化玻璃产品作为制备电池的基底，透光率88％-92％；使用激光或机械方法切割为合适大小的基片；在高透明玻璃基底6上制备透明电极1，通常使用蒸镀等方法在玻璃基底上沉积ito、fto、azo等透明电极层，优选使用ito层，方块电阻为6-20欧姆/sq；

一般可以直接采用商品化透明导电玻璃，包含上述两层材料；

在透明电极1上制备电子传输层2，材质为氧化锡或氧化钛，以及富勒烯及其衍生物等电子传输层材料，其中，氧化锡可以较为容易的制备成为平面薄膜，厚度均一且电子传导性好,活性层3(钙钛矿层)的能级更为匹配，可提高电池的最终效率。此外，相对于常用的氧化钛和富勒烯类电子传输层，氧化锡的性质稳定，而氧化钛易受到紫外线的影响而导致性能下降，因此优选氧化锡作为电子传输层2的材料，电子传输层2可采用原子沉积、气相沉积、磁控溅射或溶液旋涂的方法制备而成，优选的，采用溶液旋涂方法制备电子传输层2，在制备时，将氧化锡纳米粒子(直径5-30nm)悬浮水溶液直接作为旋涂液，在透明电极1上以3000-5000rpm，40-70s的旋涂参数进行制备，厚度为20-40nm，优选的，采用4000rpm，50s的旋涂参数获得厚度为25nm的电子传输层2。另外，商品化的氧化锡纳米粒子易于大规模、低成本地合成，同时可以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、喷墨涂布及喷墨印刷等进行大规模生产。

在电子传输层2上形成的活性层3(钙钛矿层)，结构为(rnh3)axny3-n(r＝烃基，rnh3⁺离子也可以使用cs、rb等金属一价阳离子部分或完全代替；a＝pb，sn；x，y＝cl，br，i；n为0-3的实数)，优选的，活性层3(钙钛矿层)的材质为ch3nh3pbi3，通常采用旋涂法、气相沉积或磁控溅射方法制备而成，也可以采用适用于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、喷墨涂布或喷墨印刷的方法形成。优选的，在溶液旋涂方法中其溶剂为dmf，将钙钛矿配成质量分数为40-60％的浆料，优选的为45％；在电子传输层2上以2000-4000rpm，40-80s的旋涂参数进行不同厚度钙钛矿层的制备，优选的，采用3000rpm，60s的旋涂参数可以获得厚度为500nm左右的钙钛矿层，然后经90-150℃退火30min，优选的为125℃，得活性层3(钙钛矿层)。

在活性层3(钙钛矿层)上形成的空穴传输层4，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spiro-ometad、ptaa、pedot：pss、硫氰化亚铜、碘化亚铜、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、吡唑啉类、嚼唑类、咔唑类、丁二烯类等，优选采用稳定性更好的硫氰化亚铜，方法为：将硫氰化亚铜配成质量分数为3-8％的浆料，优选5％，溶剂为二乙基硫；在基底上以3000-5000rpm，40-60s的旋涂参数进行该空穴传输层4的制备，4的厚度为40-100nm，优选的，采用4500rpm，55s的旋涂参数获得厚度为60nm的4。

共用背电极层5的制备：在制备完成第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体之后，则可以在第一钙钛矿太阳能电池体的空穴传输层4制备完成后，将共用背电极层制备于此层之上；共用背电极层材质为银、金、铜或碳，优选金，当选用金材料时，则可直接使用热蒸镀法制备，厚度可选80-120nm，优选为100nm；也可以使用丝网印刷、狭缝挤压等涂布方式在空穴传输层4之上制备碳电极作为共用背电极层5，优选使用丝网印刷法，孔径大小200-400目，优选300目，碳电极厚度0.5-1.5μm，优选1μm。

也可以在第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体的空穴传输层4之上均使用上述工艺获得背电极层，在经过如下文所述的热退火处理，则背电极结合更为紧密，效果更好。

之后，采用热退火处理方式，将第二钙钛矿太阳能电池体的空穴传输层4与共用背电极层5(或两电池的两个背电极)进行结合，退火温度可选择80-120℃，退火时间为10-30min；优选可采用100℃退火15min；同时可在第二电池之上施加一定压力，使得两电池结合更加紧密。

封装层7位于高透玻璃层6上，且包覆于其他功能层外，封装层7起到最终的封装效果，为整个器件阻隔水、氧等易于引起电池老化的因素，提高整体器件的稳定性，增强双面受光钙钛矿太阳能电池的实用性，封装层7的材质为氧化铝，且封装层7采用原子层沉积法制备而成，具体的，两种反应气体分别为氮气(n2，纯度≥99.999％)载三甲基铝(al(ch3)3)和水(h2o)，将两者交替以脉冲的形式充入反应室，脉冲时间优选0.015s，停留时间60s，交替一次为一个循环，使用100-200次循环制备不同厚度的氧化铝层，优选120次，制得厚度为20-25nm的封装层7。另外，封装层7可结合eva、紫外封装胶、有机硅胶等常规封装材料进行进一步封装，相对于常规封装方法将显著提高封装效果。

光反射镜8属于电池配套结构，用于常规光照条件下增强背部的第二电池的光照强度.

本发明在使用时，第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体的活性层3(钙钛矿层)分别吸收光照之后，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发，使其形成自由电子，由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴，这样的一个“电子--空穴对”就是激子，激子被分离成电子与空穴后，电子通过电子传输层2流向透明电极1，空穴通过空穴传输层4流向共用背电极5，最终形成电流，通过电力输送设备输出。

实施例1：选用成品ito导电玻璃作为制备基底，方块电阻为10ω/sq，切割为2cm*2cm大小见方的电池基片，其上的ito层可自行设计合适图案以满足实际需要；基片经蒸馏水、丙酮、乙醇、异丙醇依次超声洗涤之后备用，选取两片分别制备第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体。将氧化锡纳米粒子(直径分布范围5-30nm)悬浮水溶液直接作为旋涂液，在透明电极上采用4000rpm，50s的旋涂参数获得厚度为25nm的氧化锡电子传输层。将钙钛矿(ch3nh3pbi3)配成质量分数为45％的浆料，溶剂使用dmf；在电子传输层上采用3000rpm，60s的旋涂参数获得厚度为500nm左右的钙钛矿层，然后经125℃退火30min。将硫氰化亚铜配成质量分数为5％的浆料，溶剂为二乙基硫；在钙钛矿层上以4500rpm，55s的旋涂参数获得厚度为60nm的空穴传输层。之后在第一电池的空穴传输层之上蒸镀获得100nm厚度的金背电极(图案根据实际需要进行设计，应避免短路并能够充分将电流引出)。之后将第二电池与第一电池的背电极对准，采用热退火处理方式，将第二电池的空穴传输层与共用背电极层进行结合，退火温度100℃退火15min；同时在第二电池之上施加一定压力，使结合更紧。

实施例2：选用成品ito导电玻璃作为制备基底，方块电阻为6ω/sq，切割为4cm*4cm大小见方的电池基片，其上的ito层可自行设计合适图案以满足实际需要；基片经蒸馏水、丙酮、乙醇、异丙醇依次超声洗涤之后备用，选取两片分别制备第一钙钛矿太阳能电池体和第二钙钛矿太阳能电池体。将氧化锡纳米粒子(直径分布范围5-30nm)悬浮水溶液直接作为旋涂液，在透明电极上采用4500rpm，60s的旋涂参数获得厚度为20nm的氧化锡电子传输层。将钙钛矿(ch3nh3pbi3)配成质量分数为45％的浆料，溶剂使用dmf；在电子传输层上采用3000rpm，60s的旋涂参数可以获得厚度为500nm左右的钙钛矿层，然后经125℃退火30min。将硫氰化亚铜配成质量分数为5％的浆料，溶剂为二乙基硫；在钙钛矿层上以4500rpm，55s的旋涂参数获得厚度为60nm的空穴传输层。之后在两个电池的空穴传输层之上同时使用丝网印刷法制备厚度为1μm的碳背电极(图案根据实际需要进行设计，应避免短路并能够充分将电流引出)。之后将两电池的背电极对准，采用热退火处理方式，将两电池的背电极层进行结合，退火温度120℃退火20min；同时在第二电池之上施加一定压力，使结合更紧。完成后采用原子层沉积法制备封装层，两种反应气体分别为氮气(n2，纯度≥99.999％)载三甲基铝(al(ch3)3)和水(h2o)，将两者交替以脉冲的形式充入反应室，脉冲时间优选0.015s，停留时间60s，脉冲循环120次，制得厚度为25nm左右(依实际设备和实验条件而定)的封装层。最后在合适位置装配反光镜即完成制备。