一种空间传能用激光电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及激光电池技术领域，特别涉及一种空间传能用激光电池及其制备方法。


背景技术：

2.激光电池是利用半导体p-n结在激光照射下，产生光生伏特效应的发电的电池，其原理与太阳能电池相似，只是利用光源为某一特定波段的高能量激光束。传统的太阳能电池多应用于太阳光谱场景，利用的光源是太阳光或可见光，而激光电池应用于波长集中的激光光谱，具有不依赖太阳光的特点，所以不受昼夜，季节或天气的影响而能提供稳定的电能。激光电池具有充分吸收激光能量，转换效率高、远距离能量传输、不受环境影响等特点。激光电池是激光无线传能的重要核心部件，在空间传能任务中，实现长距离无线传能的主要手段，在航天器应急维护、全天候月面探索、长航时无人机供能、空间太阳能发电站、电网无线能量传输等领域拥有广泛的应用前景。
3.在空间传能任务中，受限于大气层内环境，大部分波长的激光随传播距离衰减较为严重，只有部分特定波长窗口的激光可以长距离传输能量，例如780nm-1100nm。而由于激光器波长难以连续调节，对于激光波长的选择，还要受制于激光器本身固有波长，在上述大气窗口内只有部分特定波长的激光器能量转化效率较高，例如808～810nm。对于传能用的电池，需要精确匹配到目标激光波长，才能得到更高的传能效率。
4.目前的激光电池多为商业化的传统硅或者gaas三五族光伏电池，利用光伏器件本身固有的光伏响应匹配目标激光波长，针对不同波长窗口的激光时，光伏器件的响应波长难以调节。
5.因此，如何解决同一激光电池只能接收特定波长的激光的问题，实现不同波长的传能激光对应的同一激光电池，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供了一种空间传能用激光电池。
7.一种空间传能用激光电池，其特征在于：其包括依次层叠设置的衬底、透明导电层、金属谐振层、空穴传输层、光活性层、电子传输层、金属顶电极，透明导电层与空穴传输层之间的金属谐振层为半透明，金属顶电极为非透明，通过光学计算软件的模拟器件内部光场分布使得所述金属谐振层与金属顶电极构成光学谐振腔的相应波长在激光调整波长范围内，所述光活性层选用钙钛矿层，钙钛矿层在空穴传输层刮涂形成特定厚度梯度，通过刮涂实现活性层厚度的调整以调控相应峰值，实现光学谐振腔响应波长在预设范围内连续可调。
8.为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
9.作为本发明的优选技术方案：钙钛矿层刮涂的过程中，通过升高衬底温度，增加溶
液浓度等方式来放大薄膜厚度梯度。
10.作为本发明的优选技术方案：所述透明导电层采用氧化铟锡ito或氟掺杂氧化锡fto材料中的一种，其厚度为100～600nm；或，所述透明导电层与所述衬底一体化设置。
11.作为本发明的优选技术方案：所述金属谐振层选用，较强反射率和电导率的金属材料；金属谐振层采用金au、银ag、铜cu中的一种，其厚度为5～15nm。
12.作为本发明的优选技术方案：所述空穴传输层采用的空穴传输材料包括三苯胺衍生物、ptaa、硫氰酸亚铜cuscn、氧化镍niox、碘化亚铜cui、聚(3-己基噻吩)p3ht、聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss中的任意一种，其厚度为10～200nm，空穴传输层用于将空穴传输至对应电极。
13.作为本发明的优选技术方案：电子传输层采用二氧化钛tio2、二氧化锡sno2、氧化锌zno、c60、[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯pcbm、硫化镉cds中的一种，其厚度为10～200nm，电子传输层用于将电子传输至对应电极。
[0014]
作为本发明的优选技术方案：所述光活性层采用abx3型三维钙钛矿，其中正一价阳离子a选用甲胺ma+、甲脒fa+、钾k+、铷rb+、铯cs+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；正二价金属阳离子b选用铅pb2+、锗ge2+、锡sn2+中的任意一种离子及任意几种离子的组合；负一价阴离子x，选用氯cl-、溴br-、碘i-中的任意一种离子及任意几种离子的组合其厚度根据使用的激光波段可选择为400nm～410nm。
[0015]
作为本发明的优选技术方案：所述的空间传能用激光电池，其空穴传输层和电子传输层可以互换，以实现正型n-i-p结构，或反型p-i-n结构。
[0016]
本发明的第二个目的在于，提供一种单器件波长连续可调节的空间传能用激光电池的制备方法。
[0017]
为实现上述目的，本发明通过下述方案实现：
[0018]
一种空间传能用激光电池的制备方法，包括以下步骤：
[0019]
s1，在ito导电玻璃上，在ito或fto导电玻璃上，通过真空热蒸发、磁控溅射等工艺制备超薄金属谐振层，金属材料为金au、银ag、铜cu中的一种，其厚度为5～15nm；
[0020]
s2，对s1生长的金属谐振层进行热处理；
[0021]
s3，在s2热处理后立即刮涂空穴传输层；
[0022]
s4，在空穴传输层上刮涂钙钛矿层，在钙钛矿层上设置电子传输层；
[0023]
s5，在电子传输层的上段生长激光电池金属顶电极用作金属微腔的后端；
[0024]
其中，步骤s2中，通过光学计算软件的模拟器件内部光场分布，控制调整金属谐振层与金属顶电极构成光学谐振腔的相应波长在激光调整范围内，调整金属谐振层的厚度，并控制步骤s4中刮涂钙钛矿层的厚度梯度。
[0025]
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0026]
作为本发明的优选技术方案：刮涂形成钙钛矿层时，通过升高衬底温度，增加溶液浓度来调控放大薄膜厚度梯度。
[0027]
本发明的一种空间传能用激光电池及其制备方法，利用活性层的刮涂技术实现厚度梯度的调控，通过对厚度梯度范围内的钙钛矿层活性层，对光学谐振腔响应波长的连续精确可调，在光伏器件内部构建响应波长连续可调的光学谐振腔，使激光电池的不同区域配适不同的激光波长，通过简单的位置挪移，无需更换光伏电池即可精确匹配不同响应波
长激光，提高了传能效率。本发明利用刮涂技术实现不同厚度的钙钛矿活性层，制备成本低，易于实现，便于推广应用，在激光电池领域具有广泛的应用前景。
附图说明
[0028]
图1是本发明涉及的空间传能用激光电池工作场景图；
[0029]
图2是本发明的空间传能用激光电池结构示意图；
[0030]
图3是本实施例1中的钙钛矿活性层厚度分布图；
[0031]
图4是本实施例2中的钙钛矿活性层厚度分布图；
[0032]
图5是本实施例3中的钙钛矿活性层厚度分布图；
[0033]
图6是本实施例4中的钙钛矿活性层厚度分布图；
[0034]
图中：衬底1、透明导电层2、金属谐振层3、空穴传输层4、光活性层5、电子传输层6、金属顶电极7。
具体实施方式
[0035]
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
[0036]
本发明的一种空间传能用激光电池，其包括依次层叠设置的衬底1、透明导电层2、金属谐振层3、空穴传输层4、光活性层5、电子传输层6、金属顶电极7，透明导电层2与空穴传输层4之间的金属谐振层为半透明，金属顶电极7为非透明，通过光学计算软件的模拟器件内部光场分布使得所述金属谐振层3与金属顶电极7构成光学谐振腔的相应波长在激光调整波长范围内，所述光活性层5选用钙钛矿层，钙钛矿层在空穴传输层4刮涂形成特定厚度梯度，通过刮涂实现活性层厚度的调整以调控相应峰值，实现光学谐振腔响应波长在预设范围内连续可调。
[0037]
本发明的一种空间传能用激光电池，金属谐振层3与金属顶电极7构成光学谐振腔，以此控制激光电池的响应波长范围，并利用调整钙钛矿层活性层的厚度梯度，实现光学谐振腔响应波长的精确调节，通过对钙钛矿层活性层厚度的调整，实现调控相应峰值，使得同一空间传能用激光电池实现光学谐振腔响应波长在预设范围内连续可调。
[0038]
本发明中，钙钛矿层刮涂的过程中，通过升高衬底温度，增加溶液浓度等方式来放大薄膜厚度梯度。
[0039]
所述透明导电层2采用氧化铟锡ito或氟掺杂氧化锡fto材料中的一种，其厚度为100～600nm，以适配器件电导率，所述透明导电层2与所述衬底1一体化设置。
[0040]
金属谐振层3采用金au、银ag、铜cu中的一种，其厚度为5～15nm；
[0041]
所述金属谐振层3为具有较强反射率和电导率的金属材料。
[0042]
所述空穴传输层4采用的空穴传输材料包括三苯胺衍生物、ptaa、硫氰酸亚铜cuscn、氧化镍nio
x
、碘化亚铜cui、聚(3-己基噻吩)p3ht、聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss中的任意一种，其厚度为10～200nm，空穴传输层用于将空穴传输至对应电极。
[0043]
电子传输层6采用二氧化钛tio2、二氧化锡sno2、氧化锌zno、c60、[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯pcbm、硫化镉cds中的一种，其厚度为10～200nm，电子传输层用于将电子传输至对应电极。
[0044]
所述光活性层5采用abx3型三维钙钛矿，其中正一价阳离子a选用甲胺ma
+
、甲脒fa
+
、钾k
+
、铷rb
+
、铯cs
+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合；正二价金属阳离子b选用铅pb
2+
、锗ge
2+
、锡sn
2+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合；负一价阴离子x，选用氯cl-、溴br-、碘i-中的任意一种离子及任意几种离子的组合其厚度根据使用的激光波段可选择为400nm～410nm。
[0045]
所述空穴传输层4和电子传输层6可以互换位置，以实现正型n-i-p结构，或反型p-i-n结构。
[0046]
本发明的激光电池属于长条形，其不同位置的活性层厚度存在一定梯度，而活性层厚度来调控光学谐振腔的谐振层之间的距离，实现精确匹配目标波长。
[0047]
本发明的空间传能用激光电池的制备方法，包括以下步骤：
[0048]
s1，在ito导电玻璃上，在ito或fto导电玻璃上，通过真空热蒸发、磁控溅射等工艺制备超薄金属谐振层，金属材料为金au、银ag、铜cu中的一种，其厚度为5～15nm；
[0049]
s2，对s1生长的金属谐振层进行热处理；
[0050]
s3，在s2热处理后立即刮涂空穴传输层4；
[0051]
s4，在空穴传输层4上刮涂钙钛矿层作为光活性层5，在钙钛矿层上设置电子传输层6；
[0052]
s5，在电子传输层6的上段生长激光电池金属顶电极用作金属微腔的后端；
[0053]
其中，步骤s2中，通过光学计算软件的模拟器件内部光场分布，控制调整金属谐振层与金属顶电极构成光学谐振腔的相应波长在激光调整范围内，调整金属谐振层的厚度，并控制步骤s4中刮涂钙钛矿层5的厚度梯度。
[0054]
本发明中，光场优化效果即使整个激光电池的外量子效率响应在某个特定波长达到峰值》80％，并且能够根据活性层厚度的调整在调控响应峰值。
[0055]
刮涂形成钙钛矿层5时，通过升高衬底温度，增加溶液浓度来调控放大薄膜厚度梯度。
[0056]
本发明中的金属谐振层的设置需要调整厚度，做到半透明，并且经过光学计算软件的模拟器件内部光场分布，使金属谐振层与金属顶电极构成光学谐振腔的响应波长在激光调整波长范围内。配合钙钛矿活性层厚度梯度，实现光学谐振腔响应波长的精确调节，与现有的激光电池不同，本发明的激光电池响应波长通过钙钛矿层活性层的厚度梯度的控制，在预设范围内连续可调，做到单个电池响应不同传能激光。
[0057]
实施例1
[0058]
将衬底及透明导电层组成的基板依次用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇进行清洗，氮气吹干后，紫外臭氧处理15min。在基板上制备au作为金属谐振层(蒸镀，10nm)。通过刮涂方法，在基片上制备10nm厚度的ptaa膜。在ptaa薄膜上，通过刮涂制备钙钛矿活性层薄膜，活性层组分为fa
0.3
ma
0.3
pbi3，设置刮刀与基片的间隔为0.32mm，滴加溶液量为16ul/9cm2，其中，9cm2为基片面积，基片温度设置为28.5℃，刮涂速度设置为20mm/s，风刀风速设置为3.5m/s。此时薄膜厚度范围为1014～889nm，如图3所示。蒸镀c
60
电子传输层40nm，蒸镀cu电极90nm。所制备的激光电池在空间传能相应波段为(735～765nm)连续可调，理论激光传能峰值效率为40.1％。
[0059]
实施例2
[0060]
将衬底及透明导电层组成的基板依次用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇进行清洗，氮气吹干后，紫外臭氧处理15min。在基板上制备au作为金属谐振层(蒸镀，8nm)。通过刮涂方法，在基片上制备10nm厚度的ptaa膜。在ptaa薄膜上，通过刮涂制备钙钛矿活性层薄膜，活性层组分为fa
0.3
ma
0.3
pbi3，设置刮刀与基片的间隔为0.3mm，滴加溶液量为12ul/9cm2，其中，9cm2为基片面积，基片温度设置为25℃，刮涂速度设置为20mm/s，风刀风速设置为3.5m/s。此时薄膜厚度范围为675～620nm，如图4所示。蒸镀c
60
电子传输层40nm，蒸镀cu电极90nm。所制备的激光电池在空间传能相应波段为(775～791nm)连续可调，理论激光传能效率为41.1％。
[0061]
实施例3
[0062]
将衬底及透明导电层组成的基板依次用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇进行清洗，氮气吹干后，紫外臭氧处理15min。在基板上制备au作为金属谐振层(蒸镀，10nm)。通过刮涂方法，在基片上制备10nm厚度的ptaa膜。在ptaa薄膜上，通过刮涂制备钙钛矿活性层薄膜，活性层组分为fapbbr3，设置刮刀与基片的间隔为0.3mm，滴加溶液量为17ul/9cm2，其中，9cm2为基片面积，基片温度设置为27.5℃，刮涂速度设置为20mm/s，风刀风速设置为3.5m/s。此时薄膜厚度范围为571～464nm，如图5所示。蒸镀c
60
电子传输层40nm，蒸镀cu电极90nm。所制备的激光电池在空间传能相应波段为(553～597nm)连续可调，理论激光传能效率为39.4％。
[0063]
实施例4
[0064]
将衬底及透明导电层组成的基板依次用清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇进行清洗，氮气吹干后，紫外臭氧处理15min。在基板上制备ag作为金属谐振层(蒸镀，6nm)。通过刮涂方法，在基片上制备10nm厚度的ptaa膜。在ptaa薄膜上，通过刮涂制备钙钛矿活性层薄膜，活性层组分为fapbbr3，设置刮刀与基片的间隔为0.3mm，滴加溶液量为19ul/9cm2(备注：9cm2为基片面积)，基片温度设置为29℃，刮涂速度设置为20mm/s，风刀风速设置为3.5m/s。此时薄膜厚度范围为639～545nm，如图6所示。蒸镀c
60
电子传输层40nm，蒸镀cu电极90nm。所制备的激光电池在空间传能相应波段为(581～626nm)连续可调，理论激光传能效率为39.8％。
[0065]
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。