CN108987587A - 一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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CN108987587A CN201810568820.9A CN201810568820A CN108987587A CN 108987587 A CN108987587 A CN 108987587A CN 201810568820 A CN201810568820 A CN 201810568820A CN 108987587 A CN108987587 A CN 108987587A
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Abstract

本发明公开了一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，利用纳米压印工艺分别在钙钛矿太阳能电池中的减反射层和透明电极层的表面形成可达到纳米级的陷光结构，使得在所述钙钛矿太阳能电池的工作过程中，入射光线通过所述减反射层和透明电极层的陷光结构时将发生反射、折射和散射等现象，入射光线在所述钙钛矿太阳能电池中的光程增加，钙钛矿光活性层能吸收更多的光能，进而提高了所述钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，其能有效改善钙钛矿太阳能电池受制于钙钛矿光活性层的厚度较小而使得光电转换效率难以得到进一步提高的情况。

Description

一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏太阳能技术领域，尤其是一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前的光伏太阳能技术领域中，与成本高昂的硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池采用有机-无机钙钛矿材料作为光活性层，具有成本低廉、光吸收系数高、质地轻、柔韧性好等特点。如何提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率是一个最重要的课题之一，尽管许多研究机构为提高钙钛矿太阳能电池的效率，在钙钛矿光活性层的材料生长和制备工艺方面进行了大量的探索和实验，但受限于钙钛矿太阳能电池中的钙钛矿光活性层的厚度较小，限制了对入射光的吸收，由此使得这些方案取得的效果即光电转换效率的提高幅度受到较大的制约。因此，有必要考虑通过其他途径来提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，来解决上述问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明提供了一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池，包括衬底和依次设置于所述衬底的第一面上的透明电极层、空穴传输层、钙钛矿光活性层、电子传输层以及金属电极层，其中，所述透明电极层远离所述衬底的表面形成有凹凸不平的区域，以构成陷光结构；所述衬底的第二面上设置有减反射层，所述减反射层远离所述衬底的表面形成有凹凸不平的区域，以构成陷光结构。
优选地，所述减反射层包括多个凸出于所述衬底的表面的透明凸出部。
优选地，所述透明凸出部呈半球形，所述透明凸出部的直径为75～125μm。
优选地，所述减反射层为负性光刻胶。
优选地，所述透明电极层包括纳米栅条、纳米柱和纳米孔中的任意一种纳米级结构。
优选地，所述纳米栅条的数量为多个，多个所述纳米栅条并排设置于所述透明电极层的表面上；所述纳米柱的数量为多个，多个所述纳米柱呈阵列排布于所述透明电极层的表面上；所述纳米孔的数量为多个，多个所述纳米孔呈阵列排布于所述透明电极层的表面上。
优选地，所述纳米栅条为凸出于所述透明电极层的表面的长条形结构，所述纳米栅条的长度为5～15mm，所述纳米栅条的宽度为100～1000nm，所述纳米栅条的高度为80～100nm；所述纳米柱为凸出于所述透明电极层的表面的圆柱形结构，所述纳米柱的底面直径为100～1000nm，所述纳米柱的高度为80～100nm；所述纳米孔为凹陷于所述透明电极层的表面的孔洞，所述纳米孔的孔径为100～1000nm，所述纳米孔的孔深为80～100nm。
本发明还提供了一种如上所述的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括步骤：S1、提供一衬底，在所述衬底的第一面上制作透明电极层，在所述透明电极层远离所述衬底的表面制作凹凸不平的区域，以构成陷光结构；S2、在所述透明电极层上依次制作空穴传输层、钙钛矿光活性层和电子传输层；S3、在所述衬底的第二面上采用纳米压印工艺制作减反射层，使所述减反射层远离所述衬底的表面形成凹凸不平的区域，以构成陷光结构；S4、在所述电子传输层上制作金属电极层。
优选地，所述步骤S1具体包括：提供一衬底，在所述衬底的第一面上制作透明电极材料层，在所述透明电极材料层上旋涂光刻胶，再采用纳米压印工艺将所述光刻胶压印为指定形状，以所述光刻胶作为掩蔽层，采用刻蚀工艺将所述透明电极材料层的表面刻蚀为指定形状的陷光结构，制得所述透明电极层。
优选地，所述步骤S3具体包括：采用负性光刻胶旋涂于所述衬底上，再以预设形状的压印掩膜版对所述负性光刻胶进行压印，使所述负性光刻胶的表面形成凹凸不平的区域，制得具有陷光结构的减反射层。
本发明提供的一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，采用纳米压印工艺分别使钙钛矿太阳能电池中的减反射层的表面和透明电极层的表面形成可达到纳米级的陷光结构，使得在所述钙钛矿太阳能电池的工作过程中，入射光线通过所述减反射层和所述透明电极层的陷光结构时将发生反射、折射和散射等现象，入射光线在所述钙钛矿太阳能电池中的光程增加，所述钙钛矿光活性层能吸收更多的光能，进而提高了所述钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，其能有效改善钙钛矿太阳能电池受制于钙钛矿光活性层的厚度较小而使得光电转换效率难以得到进一步提高的情况。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2是所述钙钛矿太阳能电池中的减反射层设置在衬底上的示意图；
图3是所述钙钛矿太阳能电池中透明电极层的陷光结构的第一种实施方式对应的结构示意图；
图4是所述钙钛矿太阳能电池中透明电极层的陷光结构的第二种实施方式对应的结构示意图；
图5是所述钙钛矿太阳能电池中透明电极层的陷光结构的第三种实施方式对应的结构示意图；
图6a～6e是本发明实施例提供的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法对应的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
参阅图1所示，本实施例提供了一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池包括衬底1和依次设置于所述衬底1的第一面上的透明电极层2、空穴传输层3、钙钛矿光活性层4、电子传输层5以及金属电极层6。
其中，所述透明电极层2远离所述衬底1的表面形成有凹凸不平的区域，以构成陷光结构；所述衬底1的第二面上设置有减反射层7，所述减反射层7远离所述衬底1的表面形成有凹凸不平的区域，以构成陷光结构。
上述钙钛矿太阳能电池中，通过在减反射层7的表面和透明电极层2的表面分别构成陷光结构，使得在所述钙钛矿太阳能电池的工作过程中，入射光线通过所述减反射层7和所述透明电极层2的陷光结构时发生反射、折射和散射等现象，入射光线在所述钙钛矿太阳能电池中的光程增加，所述钙钛矿光活性层4能吸收更多的光能，进而有效地提高了所述钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
如图2所示，具体地，所述减反射层7的陷光结构包括多个凸出于所述减反射层7的表面的透明凸出部71，所述凸出部71呈阵列排布，在所述减反射层7的表面上形成透明微凸镜阵列。
进一步地，所述减反射层7的厚度优选为75～125μm，所述透明凸出部71呈半球形，所述透明凸出部71的直径为75～125μm。所述透明凸出部71的尺寸越小，在所述减反射层7的表面上可设置的数目就越多，取得的陷光效果越好。
在本实施例中，所述减反射层7为负性光刻胶。可直接采用负性光刻胶通过光刻工艺制得指定图案的所述减反射层7，无需先额外提供减反射层7的材料，再通过光刻工艺转移光刻胶图形来制得指定图案的所述减反射层7，由此可以节省材料。
结合图3-图5所示，具体地，本实施例中，所述透明电极层2的陷光结构可以采用以下三种实施方式实现：所述透明电极层2的陷光结构包括纳米栅条21、纳米柱22和纳米孔23中的任意一种纳米级结构。
在本实施例中，所述透明电极层2的厚度优选为180～200nm，所述透明电极层2的陷光结构与上述减反射层7的陷光结构采用纳米压印工艺进行制备，制得的纳米级陷光结构能以足够的密度进行排布，有效地增强了陷光效果。
为了增强陷光效果，充分利用透明电极层2上的空间来设置陷光结构，如图3所示，第一种实施方式中，所述纳米栅条21的数量为多个，多个所述纳米栅条21并排设置于所述透明电极层2的表面上，每两个所述纳米栅条21以优选为200nm的距离进行等间距设置；如图4所示，第二种实施方式中，所述纳米柱22的数量为多个，多个所述纳米柱22呈阵列排布于所述透明电极层2的表面上，该阵列可优选为矩阵或六角阵列；如图5所示，第三种实施方式中，所述纳米孔23的数量为多个，多个所述纳米孔23呈阵列排布于所述透明电极层2的表面上，该阵列可优选为矩阵或六角阵列。
如图3所示，更具体地，所述纳米栅条21为凸出于所述透明电极层2的表面的长条形结构，所述纳米栅条21的长度为5～15mm，所述纳米栅条21的宽度为100～1000nm，所述纳米栅条21的高度为80～100nm；如图4所示，所述纳米柱22为凸出于所述透明电极层2的表面的圆柱形结构，所述纳米柱22的底面直径为100～1000nm，所述纳米柱22的高度为80～100nm；如图5所示，所述纳米孔23为凹陷于所述透明电极层2的表面的孔洞，所述纳米孔23的孔径为100～1000nm，所述纳米孔23的孔深为80～100nm。上述陷光结构的形状简易，容易应用于纳米压印工艺的***模具中，以形成数目足够多的陷光结构。
在本实施例中，所述透明电极层2为ITO、FTO和AZO中的任意一种透明导电膜，其可使入射光透过以入射到钙钛矿光活性层4，同时可充当所述钙钛矿太阳能电池的电极。
钙钛矿太阳能电池中，所述钙钛矿光活性层4为钙钛矿薄膜，其厚度一般优选为50～300nm，厚度相对较小，因此，有必要采用本实施例提供的方案，在其透明电极层2和减反射层7上制成陷光结构，以进一步提高其光电转换效率。
结合图1所示，在本实施例中，所述第一电极层2还包括连接于所述透明电极层2上的金属欧姆电极，其作为所述钙钛矿太阳能电极的阴极9，所述金属电极层6作为阳极；另外，所述电子传输层5与所述金属电极层6之间设置有空穴阻挡层8，所述透明电极层2、空穴传输层3、钙钛矿光活性层4、电子传输层5、空穴阻挡层8以及金属电极层6依次叠层设置于所述衬底1上。示例性地，所述衬底1采用玻璃衬底；所述空穴传输层3优选采用PEDOT(聚乙烯二氧噻吩)材料制成，其厚度优选为10～30nm；所述电子传输层5优选采用PCBM(富勒烯衍生物)材料制成，其厚度优选为70～100nm；所述空穴阻挡层8优选采用BCP(2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲啰啉)材料制成，其厚度优选为50～60nm；所述阴极9和所述阳极均优选采用银材料制成，所述阴极9和所述阳极的厚度优选为100nm。
参阅图6a～6e所示，本发明还公开了一种如上所述的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括步骤：
S1、提供一衬底1，在所述衬底1的第一面上制作透明电极层2，在所述透明电极层2远离所述衬底1的表面制作凹凸不平的区域，以构成陷光结构；
具体地，所述步骤S1具体包括：提供一衬底1，在所述衬底1的第一面上制作透明电极材料层20，在所述透明电极材料层20上旋涂光刻胶，再采用纳米压印工艺将所述光刻胶压印为指定形状，以所述光刻胶作为掩蔽层，采用刻蚀工艺将所述透明电极材料层20的表面刻蚀为指定形状的陷光结构，制得所述透明电极层2。其中，所述透明电极材料层20的厚度优选为180～200nm。
示例性地，本实施例中，采用纳米压印工艺制成透明电极层2的过程更具体地包括：选用SU-8光刻胶，匀胶机以500rpm的转速工作30s，再以3000rpm的转速工作5min，将所述光刻胶旋涂到所述透明电极材料层20上，然后以65℃的温度烘烤10min，再以95℃的温度烘烤20min，采用UV光(紫外光)对经过烘烤的光刻胶进行30s的固化；采用具有指定形状的PDMS软***压印固化后的所述光刻胶30min，再以95℃进行10min的烘烤；取下所述PDMS软***，以200W功率的离子激光束照射所述透明电极材料层20上被压印区域的残胶30s，去除所述残胶；选用浓盐酸与去离子水以体积比1：2进行混合制成的盐酸，对所述透明电极材料层20进行处理5～15min，所述透明电极材料层210上未有光刻胶覆盖的区域被刻蚀，形成指定形状的陷光结构，制成所述透明电极层2。
S2、在所述透明电极层2上依次制作空穴传输层3、钙钛矿光活性层4和电子传输层5；
进一步地，所述步骤S2中，采用旋涂工艺在所述透明电极层2上依次制备空穴传输层3、钙钛矿光活性层4、电子传输层5和空穴阻挡层8。
示例性地，采用旋涂工艺制备所述空穴传输层3的过程包括：采用经过过滤的PEDOT:PSS溶液滴于所述透明电极层2上，通过匀胶机以700rpm对溶液进行旋涂45s，将旋涂后的产物放置于热台上以150℃退火15min；
示例性地，采用旋涂工艺制备所述钙钛矿光活性层4的过程包括：先制备钙钛矿前驱液，所述钙钛矿前驱液可以采用MAPbI3溶液或MAPbI3-xBrx溶液，具体地，首先，按照DMSO(二甲基亚砜):GBL(γ-丁内酯)＝3：7的体积比制备混合溶剂，混合后轻摇使之充分混合，再取214mg的MAI溶解于上述1ml混合溶剂中，制成MAI溶液，取645mg的PbI2或者取580mg的PbI2和39mg的PbBr2，分别与前述制备的MAI溶液混合，在80℃的加热条件下进行搅拌直至溶质完全溶解，制得MAPbI3溶液或MAPbI3-xBrx溶液作为钙钛矿前驱液；然后将上述MAPbI3溶液或MAPbI3-xBrx溶液旋涂到所述空穴传输层3上，具体地，在手套箱的内部环境下，通过匀胶机将所述钙钛矿前驱液旋涂到所述空穴传输层3上，其中，所述钙钛矿前驱液置于热台上以60℃进行加热，匀胶机将加热后的钙钛矿前驱液以1000rpm的转速旋涂20s，再加速至4000rpm的转速旋涂40s，在约43s内向所述钙钛矿前驱液中迅速滴加甲苯或氯苯溶液以抑制钙钛矿的无序结晶，使结晶过程有序可控，制成钙钛矿薄膜，最后再对所述钙钛矿薄膜进行温度为97℃的退火，退火时间约32min，完成所述钙钛矿光活性层4的制备。
示例性地，采用旋涂工艺制备所述电子传输层5的过程包括：在手套箱的内部环境下，取20mg的PCBM溶解于1ml的氯苯中，将该溶液在磁力搅拌台上搅拌8h使溶质充分溶解，使用匀胶机将该溶液旋涂于所述钙钛矿光活性层4上，转速优选为2000rpm，旋涂时间优选为40s。
示例性地，采用旋涂工艺制备所述空穴阻挡层8的过程包括：在手套箱的内部环境下，取0.5mg的BCP溶解于1ml的无水异丙醇中，将该溶液在磁力搅拌台上搅拌8h使溶质充分溶解，使用匀胶机将该溶液旋涂于所述空穴阻挡层8上，转速选择3000rpm，旋涂时间优选为45s。
S3、在所述衬底1的第二面上采用纳米压印工艺制作减反射层7，使所述减反射层7远离所述衬底1的表面形成凹凸不平的区域，以构成陷光结构。
进一步地，采用纳米压印工艺制作所述减反射层7的步骤具体包括：采用负性光刻胶旋涂于所述衬底1上，再以预设形状的压印模具对所述负性光刻胶进行压印，使所述负性光刻胶的表面形成凹凸不平的区域，制得具有陷光结构的减反射层7。
示例性地，采用纳米压印工艺制作所述减反射层7的步骤更具体地包括：选用SU-8光刻胶，匀胶机以500rpm的转速工作30s，再以3000rpm的转速工作5min，将所述光刻胶旋涂到所述衬底1上，然后以65℃的温度烘烤10min，再以95℃的温度烘烤20min；然后采用具有指定形状的PDMS软***压印固化后的所述光刻胶30min，使所述光刻胶的表面形成指定形状的陷光结构；采用UV光对所述光刻胶进行固化30s，最后以95℃进行10min的烘烤，制得所述减反射层7。
S4、在所述电子传输层5上制作金属电极层6。
进一步地，所述步骤S4中，在所述电子传输层5上制作金属电极层6，作为阳极，并在所述透明电极层2上制作阴极9。
示例性地，本实施例采用电子束蒸发工艺制备所述阳极和所述阴极22，选用银作为所述阳极和所述阴极22的材料，在真空度为10-5Pa的腔室内，以左右的速率分别在所述电子传输层5和透明电极层2上蒸镀100nm的银，制成所述阳极和所述阴极9。
综上所述，本发明实施例提供的一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，采用纳米压印工艺分别使减反射层7的表面和透明电极层2的表面形成可达到纳米级的陷光结构，使得在所述钙钛矿太阳能电池的工作过程中，入射光线通过所述减反射层7和所述透明电极层2的陷光结构时将发生反射、折射和散射等现象，入射光线在所述钙钛矿太阳能电池中的光程增加，所述钙钛矿光活性层4能吸收更多的光能，进而有效地提高了所述钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，能有效改善钙钛矿太阳能电池等受制于钙钛矿光活性层4的厚度较小而使得光电转换效率较低的情况。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括衬底(1)和依次设置于所述衬底(1)的第一面上的透明电极层(2)、空穴传输层(3)、钙钛矿光活性层(4)、电子传输层(5)以及金属电极层(6)，其中，所述透明电极层(2)远离所述衬底(1)的表面形成有凹凸不平的区域，以构成陷光结构；所述衬底(1)的第二面上设置有减反射层(7)，所述减反射层(7)远离所述衬底(1)的表面形成有凹凸不平的区域，以构成陷光结构。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述减反射层(7)包括多个凸出于所述衬底(1)的表面的透明凸出部(71)。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明凸出部(71)呈半球形，所述透明凸出部(71)的直径为75～125μm。
4.根据权利要求1-3任一所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述减反射层(7)为负性光刻胶。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明电极层(2)包括纳米栅条(21)、纳米柱(22)和纳米孔(23)中的任意一种纳米级结构。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米栅条(21)的数量为多个，多个所述纳米栅条(21)并排设置于所述透明电极层(2)的表面上；所述纳米柱(22)的数量为多个，多个所述纳米柱(22)呈阵列排布于所述透明电极层(2)的表面上；所述纳米孔(23)的数量为多个，多个所述纳米孔(23)呈阵列排布于所述透明电极层(2)的表面上。
7.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米栅条(21)为凸出于所述透明电极层(2)的表面的长条形结构，所述纳米栅条(21)的长度为5～15mm，所述纳米栅条(21)的宽度为100～1000nm，所述纳米栅条(21)的高度为80～100nm；所述纳米柱(22)为凸出于所述透明电极层(2)的表面的圆柱形结构，所述纳米柱(22)的底面直径为100～1000nm，所述纳米柱(22)的高度为80～100nm；所述纳米孔(23)为凹陷于所述透明电极层(2)的表面的孔洞，所述纳米孔(23)的孔径为100～1000nm，所述纳米孔(23)的孔深为80～100nm。
8.一种如权利要求1-7任一所述的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、提供一衬底(1)，在所述衬底(1)的第一面上制作透明电极层(2)，在所述透明电极层(2)远离所述衬底(1)的表面制作凹凸不平的区域，以构成陷光结构；
S2、在所述透明电极层(2)上依次制作空穴传输层(3)、钙钛矿光活性层(4)和电子传输层(5)；
S3、在所述衬底(1)的第二面上采用纳米压印工艺制作减反射层(7)，使所述减反射层(7)远离所述衬底(1)的表面形成凹凸不平的区域，以构成陷光结构；
S4、在所述电子传输层(5)上制作金属电极层(6)。
9.根据权利要求8所述的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：提供一衬底(1)，在所述衬底(1)的第一面上制作透明电极材料层(20)，在所述透明电极材料层(20)上旋涂光刻胶，再采用纳米压印工艺将所述光刻胶压印为指定形状，以所述光刻胶作为掩蔽层，采用刻蚀工艺将所述透明电极材料层(20)的表面刻蚀为指定形状的陷光结构，制得所述透明电极层(2)。
10.根据权利要求8所述的具有陷光结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：采用负性光刻胶旋涂于所述衬底(1)上，再以预设形状的压印掩膜版对所述负性光刻胶进行压印，使所述负性光刻胶的表面形成凹凸不平的区域，制得具有陷光结构的减反射层(7)。
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