CN105609640A - 一种机械叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法。电池是由顶层太阳能电池和底层太阳能电池的透明导电玻璃面相互粘结而成。顶层太阳能电池包括顶电池透明导电玻璃、顶电池二氧化钛致密层、顶电池二氧化钛介孔层、宽带隙钙钛矿吸光层、纳米银线透明导电油墨电极，底层太阳能电池包括底电池透明导电玻璃、底电池二氧化钛致密层、底电池二氧化钛介孔层、窄带隙钙钛矿吸光层、碳电极。本发明采用两种不同带隙的钙钛矿吸光层，不仅拓宽了电池吸光光谱范围，而且采用全溶液法制备工艺具有超低能耗、工艺设备简单、低成本、制备周期短等优点，可以极大地提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种机械叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效叠层太阳能电池及其制备方法，可以极大提高对太阳能的利用效率和太阳能电池的光电转换效率，属于太阳能电池及其制备技术领域。
背景技术
太阳能电池是各种清洁能源技术中最有效的技术方案之一，它对于解决人类发展过程中的能源与环境问题具有重要的意义。钙钛矿太阳能电池自2009年首次以3.8％的光电转化效率出现后，其效率在随后短短五年里以前所未有的速度不断攀升。截止2014年12月12日由美国国家可再生能源实验室认证的钙钛矿太阳能电池的最高效率达到20.1％。因此，可以说钙钛矿太阳能电池代表着19世纪70年代以来光伏技术领域最有意义的突破，也是近几年国内外各科研单位及企业的研究热点。追求更高光电转换效率是光伏技术领域的科学家和工程师们的不懈追求。单结钙钛矿太阳能电池当前的效率已达20％左右，单结钙钛矿太阳能电池的理论极限效率为25％-31％，因此，要进一步提高其效率会更加困难。因而发展钙钛矿叠层太阳能电池又将是钙钛矿太阳能电池研究领域一个重要的方向。
当前钙钛矿叠层太阳能电池的研究主要是将钙钛矿太阳能电池和传统的太阳能电池如铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池、硅太阳能电池等结合起来。斯坦福大学MichaelD.McGehee教授课题组制备出效率为18.6％的钙钛矿/铜铟镓硒机械式叠层太阳能电池(DOI:10.1039/c4ee03322a)。美国加州大学杨阳教授课题组制备出效率为15.5％的钙钛矿/铜铟镓硒四电极端点叠层太阳能电池(DOI:10.1021/acsnano.5b03189)。此外，牛津大学HenrySnaith教授加盟的牛津光伏有限公司(OxfordPhotovoltaicsLtd)旨在研发钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池，他们预计钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池的光电效率会达到30％。尽管将钙钛矿与技术成熟的CIGS、单晶硅等太阳能电池结合制备出相应的叠层太阳能电池可以一定程度提高光电转换效率并使得电池具有更大的市场应用潜力。然而，CIGS太阳能电池的制备工艺存在相对复杂、制备周期长、铟是稀有金属等不足，单晶硅太阳能电池的制造工艺更为复杂，存在高能耗、制备周期长、生产过程排放有毒物质等诸多不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种机械叠层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，它可使顶、底层太阳能电池各功能层的制备能彼此不受干扰，并采用全溶液法制备工艺具有超低能耗、工艺设备简单、低成本、制备周期短等优点，可以极大地提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
为实现以上发明的目的，本发明采用以下技术方案：一种机械叠层钙钛矿太阳能电池，由顶层太阳能电池和底层太阳能电池的透明导电玻璃面相互粘结而成，其特征在于：所述顶层太阳能电池自下而上包括顶电池FTO透明导电玻璃、顶电池二氧化钛致密层、顶电池二氧化钛介孔层、宽带隙钙钛矿吸光层、纳米银线透明导电油墨电极；所述底层太阳能电池自下而上包括底电池FTO透明导电玻璃、底电池二氧化钛致密层、底电池二氧化钛介孔层、窄带隙钙钛矿吸光层、碳电极；从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
其中，所述的机械叠层钙钛矿太阳能电池，其特征在于：顶层太阳能电池是用宽带隙钙钛矿薄膜(禁带宽度在1.7eV左右)作为光吸收层，所述宽带隙钙钛矿薄膜包括CsPbI3(禁带宽度：1.73ev)、CH3NH3SnIBr2(禁带宽度：1.75ev)、CH3NH3PbI2Br(禁带宽度：1.8ev)，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光。
其中，所述的机械叠层钙钛矿太阳能电池，其特征在于：底层太阳能电池是用窄带隙钙钛矿薄膜(禁带宽度在1.0eV左右)作为光吸收层，所述窄带隙半导体薄膜包括CH3NH3SnI3(禁带宽度：1.1ev)、CH3NH3Sn0.9Pb0.1I3(禁带宽度：1.18ev)，用于吸收太阳光能谱中波长较长的光。
一种机械叠层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1、底层太阳能电池的制备方法：
(1)利用旋涂法、喷雾热解法、原子层沉积法在清洗洁净的FTO导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在400-500℃退火处理40-80min,获得厚度为40-80nm的二氧化钛致密层；(2)采用旋涂法、丝网印刷法在二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层，并在500-550℃退火处理40-80min，获得厚度为500-1000nm的二氧化钛介孔层；(3)采用旋涂法、丝网印刷法、刮涂法、喷雾沉积法在二氧化钛介孔层上制备钙钛矿吸光层，并在90-110℃干燥30-50min,获得厚度为500-1000nm的窄带隙钙钛矿吸光层；(4)采用丝网印刷法、刮刀涂布法在钙钛矿吸光层上制备碳电极，并在100-120℃干燥30-50min，获得厚度为5-25μm的碳电极。
2、顶层太阳能电池的制备方法：
(1)利用旋涂法、喷雾热解法、原子层沉积法在清洗洁净的FTO导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在400-500℃退火处理40-80min,获得厚度为40-80nm的二氧化钛致密层；(2)采用旋涂法、丝网印刷法在二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层，并在500-550℃退火处理40-80min，获得厚度为500-1000nm的二氧化钛介孔层；(3)采用旋涂法、丝网印刷法、刮涂法、喷雾沉积法在二氧化钛介孔层上制备钙钛矿吸光层，并在90-110℃干燥30-50min,获得厚度为500-1000nm的宽带隙钙钛矿吸光层；(4)采用丝网印刷法、刮涂法、滚涂法在钙钛矿吸光层上制备纳米银线透明导电油墨，并在120-130℃干燥3-5min，获得厚度为500-900nm的纳米银线透明导电油墨电极。
3、顶层太阳能电池与底层太阳能电池的结合的方法：顶层太阳能电池的透明导电玻璃面朝下，底层太阳能电池的透明导电玻璃面朝上，利用无影胶、透明环氧结构胶、3M透明双面胶将两个玻璃面紧密连接在一起。从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)利用无影胶、透明环氧结构胶、3M透明双面胶等把顶、低电池的透明导电层面对面粘接起来，制作出四个电极端点的机械式叠层钙钛矿太阳能电池，使得顶、低电池能够被各自独立制备出来，彼此不受影响；四个端点电极的设计是让每一个子电池都有两个独立的电极，且每个子电池所产生的电力是相互隔绝的，这样设计的好处是不需要考虑每个子电池的电极方向(P/N或是N/P)、产生的电流及电压、每个子电池产生的电能用外接的电路设计达到匹配。
(2)所选取的顶、底太阳能电池吸光层材料的带隙基本符合双结太阳能电池顶底电池能隙匹配要求(1.7ev和1.0ev)，有效地改善了单结太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，有效地提高了太阳能电池对光谱的吸收效率，提高了光电转换效率。
(3)采用全溶液法制备工艺与丝网印刷工艺，具有超低能耗、工艺设备简单、低成本、制备周期短等优点，能极大地提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明提供的机械叠层钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图中，1为顶层太阳能电池，1-1为顶电池FTO透明导电玻璃，1-2为顶电池二氧化钛致密层，1-3为顶电池二氧化钛介孔层，1-4为宽带隙钙钛矿吸光层，1-5为纳米银线透明导电油墨电极，2为底层太阳能电池，2-1为底电池FTO透明导电玻璃，2-2为底电池二氧化钛致密层，2-3为底电池二氧化钛介孔层，2-4为窄带隙钙钛矿吸光层，2-5为碳电极，3为透明粘结剂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方法作进一步说明。
本发明提供的机械叠层双结钙钛矿太阳能电池由顶层太阳能电池(1)和底层太阳能电池(2)的FTO透明导电玻璃面相互粘结而成；其中所述顶层太阳能电池(1)自下而上包括顶电池FTO透明导电玻璃(1-1)、顶电池二氧化钛致密层(1-2)、顶电池二氧化钛介孔层(1-3)、宽带隙钙钛矿吸光层(1-4)、纳米银线透明导电油墨电极(1-5)；所述底层太阳能电池(2)自下而上包括底电池FTO透明导电玻璃(2-1)、底电池二氧化钛致密层(2-2)、底电池二氧化钛介孔层(2-3)、窄带隙钙钛矿吸光层(2-4)、碳电极(2-5)；从顶层太阳电池(1)引出一对电极，同时从底层太阳电池(2)引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
下面结合具体实施例对本发明所述的机械叠层钙钛矿太阳能电池制备方法进行说明：
实施例1：
1、底层太阳能电池的制作
(1)清洗FTO透明导电玻璃：FTO透明导电玻璃依次用去离子水、丙酮、乙醇分别超声清洗15min,氮气吹干，然后用紫外臭氧清洗机处理以除去残留的有机物；
(2)二氧化钛致密层的制备：利用喷雾热解法在清洗洁净的FTO透明导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在500℃退火处理60min,获得厚度为50nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛介孔层的制备：采用丝网印刷法在二氧化钛致密层上印刷二氧化钛介孔层，并在550℃退火处理60min，获得厚度为1000nm的二氧化钛介孔层；
(4)窄带隙钙钛矿吸光层的制备：在手套箱中将75℃预热的质量百分比浓度为40％的CH3NH3SnI3溶液(以二甲基甲酰胺为溶剂)以2500转/分钟的转速旋涂于120℃预热的二氧化钛介孔层上，旋涂期间辅以热风吹向二氧化钛介孔层表面，获得厚度为500nm的窄带隙钙钛矿吸光层；
(5)碳电极的制备：采用丝网印刷法在钙钛矿吸光层上制备碳电极，并在100℃干燥30min，获得厚度为10μm的碳电极。
2、顶层太阳能电池的制作
(1)清洗FTO透明导电玻璃：FTO透明导电玻璃依次用去离子水、丙酮、乙醇分别超声清洗15min,氮气吹干，然后用紫外臭氧清洗机处理以除去残留的有机物；
(2)二氧化钛致密层的制备：利用喷雾热解法在清洗洁净的FTO导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在500℃退火处理60min,获得厚度为50nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛介孔层的制备：采用丝网印刷法在二氧化钛致密层上印刷二氧化钛介孔层，并在550℃退火处理60min，获得厚度为1000nm的二氧化钛介孔层；
(4)宽带隙钙钛矿吸光层的制备：在手套箱中将75℃预热的质量百分比浓度为40％的CsSnI3溶液(以二甲基甲酰胺为溶剂)以2500转/分钟的转速旋涂于120℃预热的二氧化钛介孔层上，旋涂期间辅以热风吹向二氧化钛介孔层表面，获得厚度为500nm的窄带隙钙钛矿吸光层；
(5)纳米银线透明导电油墨电极的制备：采用丝网印刷法在钙钛矿吸光层上制备纳米银线透明导电油墨，并在130℃干燥5min，获得厚度为500nm的纳米银线透明导电油墨电极。
3、顶层太阳能电池的玻璃面朝下，底层太阳能电池的玻璃面朝上，利用无影胶、透明环氧结构胶、3M透明双面胶将两个玻璃面紧密连接在一起，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
实施例2：
1、底层太阳能电池的制作
(1)清洗FTO透明导电玻璃：FTO透明导电玻璃依次用去离子水、丙酮、乙醇分别超声清洗15min,氮气吹干，然后用紫外臭氧清洗机处理以除去残留的有机物；
(2)二氧化钛致密层的制备：利用喷雾热解法在清洗洁净的FTO透明导电导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在500℃退火处理60min,获得厚度为50nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛介孔层的制备：采用丝网印刷法在二氧化钛致密层上印刷二氧化钛介孔层，并在550℃退火处理60min，获得厚度为1000nm的二氧化钛介孔层；
(4)窄带隙钙钛矿吸光层的制备：在手套箱中将75℃预热的1mol/L的SnI2溶液(以二甲基甲酰胺为溶剂)以6000转/分钟的转速旋涂于120℃预热的二氧化钛介孔层上，再将其在70℃预热的10mg/ml的CH3NH3I溶液(异丙醇为溶剂)中浸泡30s，获得厚度为500nm的窄带隙钙钛矿吸光层；
(5)碳电极的制备：采用丝网印刷法在钙钛矿吸光层上制备碳电极，并在100℃干燥30min，获得厚度为10μm的碳电极。
2、顶层太阳能电池的制作
(1)清洗FTO透明导电玻璃：FTO透明导电玻璃依次用去离子水、丙酮、乙醇分别超声清洗15min,氮气吹干，然后用紫外臭氧清洗机处理以除去残留的有机物；
(2)二氧化钛致密层的制备：利用喷雾热解法在清洗洁净的FTO透明导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在500℃退火处理60min,获得厚度为50nm的二氧化钛致密层；
(3)二氧化钛介孔层的制备：采用丝网印刷法在二氧化钛致密层上印刷二氧化钛介孔层，并在550℃退火处理60min，获得厚度为1000nm的二氧化钛介孔层；
(4)宽带隙钙钛矿吸光层的制备：在手套箱中将75℃预热的质量百分比浓度为40％的CsSnI3溶液(以二甲基甲酰胺为溶剂)以2500转/分钟的转速旋涂于120℃预热的二氧化钛介孔层上，旋涂期间辅以热风吹向二氧化钛介孔层表面，获得厚度为500nm的窄带隙钙钛矿吸光层；
(5)纳米银线透明导电油墨电极的制备：采用丝网印刷法在钙钛矿吸光层上制备纳米银线透明导电油墨，并在130℃干燥5min，获得厚度为500nm的纳米银线透明导电油墨电极。
3、顶层太阳能电池的玻璃面朝下，底层太阳能电池的玻璃面朝上，利用无影胶、透明环氧结构胶、3M透明双面胶将两个玻璃面紧密连接在一起，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
综上所述，以上仅为本发明的最佳实施例而已，凡是依本发明权利要求书和说明书所作的等效修改，均属于本发明专利涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种机械叠层钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述机械叠层钙钛矿太阳能电池，由顶层太阳能电池和底层太阳能电池的透明导电玻璃面相互粘结而成，其特征在于：所述顶层太阳能电池自下而上包括顶电池FTO透明导电玻璃、顶电池二氧化钛致密层、顶电池二氧化钛介孔层、宽带隙钙钛矿吸光层、纳米银线透明导电油墨电极；所述底层太阳能电池自下而上包括底电池FTO透明导电玻璃、底电池二氧化钛致密层、底电池二氧化钛介孔层、窄带隙钙钛矿吸光层、碳电极；从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
2.如权利要求1所述的机械叠层钙钛矿太阳能电池，其特征在于：顶层太阳能电池是用宽带隙钙钛矿薄膜(禁带宽度在1.7eV左右)作为光吸收层，所述宽带隙钙钛矿薄膜包括CsPbI3(禁带宽度：1.73ev)、CH3NH3SnIBr2(禁带宽度：1.75ev)、CH3NH3PbI2Br(禁带宽度：1.8ev)，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光。
3.如权利要求1所述的机械叠层钙钛矿太阳能电池，其特征在于：底层太阳能电池是用窄带隙钙钛矿薄膜(禁带宽度在1.0eV左右)作为光吸收层，所述窄带隙半导体薄膜包括CH3NH3SnI3(禁带宽度：1.1ev)、CH3NH3Sn0.9Pb0.1I3(禁带宽度：1.18ev)，用于吸收太阳光能谱中波长较长的光。
4.一种机械叠层钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)底层太阳能电池的制备方法:(a)利用旋涂法、喷雾热解法、原子层沉积法在清洗洁净的FTO导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在400-500℃退火处理40-80min,获得厚度为40-80nm的二氧化钛致密层；(b)采用旋涂法、丝网印刷法在二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层，并在500-550℃退火处理40-80min，获得厚度为500-1000nm的二氧化钛介孔层；(c)采用旋涂法、丝网印刷法、刮涂法、喷雾沉积法在二氧化钛介孔层上制备钙钛矿吸光层，并在90-110℃干燥30-50min,获得厚度为500-1000nm的窄带隙钙钛矿吸光层；(d)采用丝网印刷法、刮刀涂布法在钙钛矿吸光层上制备碳电极，并在100-120℃干燥30-50min，获得厚度为5-25μm的碳电极。
(2)顶层太阳能电池的制备方法：(a)利用旋涂法、喷雾热解法、原子层沉积法在清洗洁净的FTO导电玻璃上沉积二氧化钛致密层，并在400-500℃退火处理40-80min,获得厚度为40-80nm的二氧化钛致密层；(b)采用旋涂法、丝网印刷法在二氧化钛致密层上制备二氧化钛介孔层，并在500-550℃退火处理40-80min，获得厚度为500-1000nm的二氧化钛介孔层；(c)采用旋涂法、丝网印刷法、刮涂法、喷雾沉积法在二氧化钛介孔层上制备钙钛矿吸光层，并在90-110℃干燥30-50min,获得厚度为500-1000nm的宽带隙钙钛矿吸光层；(d)采用丝网印刷法、刮涂法、滚涂法在钙钛矿吸光层上制备纳米银线透明导电油墨，并在120-130℃干燥3-5min，获得厚度为500-900nm的纳米银线透明导电油墨电极。
(3)顶层太阳能电池与底层太阳能电池的结合的方法：顶层太阳能电池的透明导电玻璃面朝下，底层太阳能电池的透明导电玻璃面朝上，利用无影胶、透明环氧结构胶、3M透明双面胶将两个玻璃面紧密连接在一起。从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个电极端点的机械叠层钙钛矿太阳能电池。
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