CN111653673A - 钙钛矿太阳电池的封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳电池技术领域，尤其涉及一种钙钛矿太阳电池的封装结构及其制备方法，包括衬底，所述的衬底上依次设有透明导电层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极，钙钛矿层与金属电极之间设有致密绝缘层。本发明不仅能对钙钛矿太阳电池进行有效的封装，避免与外部水和氧的接触。沉积的绝缘层又能有效的阻止内部金属电极向钙钛矿层内部的扩散，从而显著提高器件的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，涉及一种钙钛矿太阳电池的封装结构及其制备方法。
背景技术
凭借高效率低成本的优点，钙钛矿太阳电池被认为具有广阔的商业化前景。要想实现该类器件的成熟应用，必须解决电池的稳定性问题。目前报道的大多封装结构中，金属电极与钙钛矿部分接触，而在工作温度较高的情况下(60～70℃)，如金电极等金属材料，会向钙钛矿内部进行渗透，形成缺陷，造成性能衰减(ACS Nano 2016,10,6306-6314)，因此，要避免封装结构内部金属电极与钙钛矿材料的直接接触。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种钙钛矿太阳电池的封装结构及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种钙钛矿太阳电池的封装结构，包括衬底，所述的衬底上依次设有透明导电层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极，钙钛矿层与金属电极之间设有致密绝缘层。
进一步的，透明导电层包括两个各自独立的第一导电部和第二导电部，第一导电部和第二导电部之间具有间隙，致密绝缘层填充在第一导电部和第二导电部之间的间隙处，且致密绝缘层位于金属电极内壁和钙钛矿层侧壁之间从而将金属电极和钙钛矿层绝缘隔离。
进一步的，所述的致密绝缘层顶部延伸到空穴传输层上方并覆盖在空穴传输层顶部边缘，电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层的端面与致密绝缘层连接。
进一步的，所述的致密绝缘层为Al2O3、SiO2或MgO，厚度为1-5μm。
进一步的，所述的衬底为玻璃衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯有机衬底或聚酰亚胺有机衬底，所述的透明导电层为FTO、ITO、AZO、GZO或Ag纳米线，厚度为100-500nm，所述的电子传输层为TiO2、SnO2、ZnO2、IZO、富勒烯及衍生物、BaSnO3或AZO中的一种或多种，厚度为5-100nm，所述的钙钛矿层为化学式为ABX3型的钙钛矿材料，A为Cs、Rb、CH3NH3或CH2NH22中的一种或多种，B为Pb，X为I或Br中的一种或多种，钙钛矿层的厚度为100-800nm，所述的空穴传输层为NiOx、CuSCN、CuAlO或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，厚度为30-300nm，所述的金属电极为Au、Ag、Al或Cu，厚度为30-100nm。
进一步的，还包括封装材料层，所述的封装材料层将电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属电极包裹完全，封装材料层底部与透明导电层上表面连接，封装材料层为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃纤维、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、沙林树脂或环氧树脂。
一种钙钛矿太阳电池的封装结构的制备方法，在衬底上依次沉积透明导电层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、致密绝缘层和金属电极完成钙钛矿太阳电池的制备，再在钙钛矿太阳电池上依次叠加封装材料层和衬板，通过层压机完成封装。
进一步的，所述的衬底为玻璃衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯有机衬底或聚酰亚胺有机衬底，所述的透明导电层为FTO、ITO、AZO、GZO或Ag纳米线，制备方法为溅射法或溶胶凝胶法，厚度为100-500nm，所述的电子传输层为TiO2、SnO2、ZnO2、IZO、富勒烯及衍生物、BaSnO3或AZO中的一种或多种，制备方法为溅射法或溶胶凝胶法，厚度为5-100nm，所述的钙钛矿层为化学式为ABX3型的钙钛矿材料，钙钛矿层的厚度为100-800nm，A为Cs、Rb、CH3NH3或CH2NH22中的一种或多种，B为Pb，X为I或Br中的一种或多种，制备方法为热蒸发法或溶液法，所述的空穴传输层为NiOx、CuSCN、CuAlO或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，制备方法为热蒸发法或溶液法，厚度为30-300nm，所述的致密绝缘层为Al2O3、SiO2或MgO，制备方法为真空蒸镀法、溅射法、溶液法或化学气相沉积法，厚度为1-5μm，所述的金属电极为Au、Ag、Al或Cu，制备方法为热蒸发或丝网印刷法，厚度为30-100nm，封装材料层底部与透明导电层上表面连接，封装材料层为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃纤维、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、沙林树脂或环氧树脂。
进一步的，制备过程中通过附着掩膜板的方法，控制各层生长与接触，通过掩膜的方式控制电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层在部分透明导电层上生长，并不与其他部分透明导电层接触；通过掩膜的方式，控制致密绝缘层覆盖部分空穴传输层和两边的透明导电层，通过掩膜的方式制备金属电极。
进一步的，层压机封装过程中，压制温度为80至150摄氏度，压制时间为1至60分钟。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明不仅能对钙钛矿太阳电池进行有效的封装，避免与外部水和氧的接触。沉积的绝缘层又能有效的阻止内部金属电极向钙钛矿层内部的扩散，从而显著提高器件的稳定性。
2、本发明工艺简单，成本低，重复性好，适合未来的商业化应用。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图中：衬底1、透明导电层2、第一导电部2a、第二导电部2b、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5、金属电极6、致密绝缘层7、封装材料层8、衬板9。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图2所示，一种钙钛矿太阳电池的封装结构，包括衬底1，所述的衬底1上依次设有透明导电层2、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5和金属电极6，钙钛矿层4与金属电极6之间设有致密绝缘层7。
图1所示为现有技术的钙钛矿太阳电池，钙钛矿层4与金属电极6之间没有致密绝缘层，在温度较高时，一般在大于60℃时，金属电极6会向钙钛矿层4扩散。本发明采用在钙钛矿层4与金属电极6之间设有致密绝缘层7，隔断了金属电极与钙钛矿层4之间的接触，阻止高温下金属电极向其他层的扩散，尤其是向钙钛矿层4的扩散，从而提高稳定性。
具体的说，透明导电层2包括两个各自独立的第一导电部2a和第二导电部2b，金属电极6底部连接第二导电部2b，金属电极6顶部下表面与空穴传输层连接，第一导电部2a和第二导电部2b之间具有间隙，致密绝缘层7填充在第一导电部2a和第二导电部2b之间的间隙处，且致密绝缘层7位于金属电极6内壁和钙钛矿层4侧壁之间从而将金属电极6和钙钛矿层4绝缘隔离。
致密绝缘层7顶部延伸到空穴传输层5上方并覆盖在空穴传输层5顶部边缘，电子传输层3、钙钛矿层4和空穴传输层5的端面与致密绝缘层7连接。致密绝缘层7为Al2O3、SiO2或MgO，厚度为1-5μm。致密绝缘层7也可以为橡胶或绝缘聚合物。
衬底1为玻璃衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯有机衬底或聚酰亚胺有机衬底，所述的透明导电层2为FTO、ITO、AZO、GZO或Ag纳米线，厚度为100-500nm，所述的电子传输层3为TiO2、SnO2、ZnO2、IZO、富勒烯及衍生物、BaSnO3或AZO中的一种或多种，厚度为5-100nm，所述的钙钛矿层4为化学式为ABX3型的钙钛矿材料，A为Cs、Rb、CH3NH3或CH2NH22中的一种或多种，B为Pb，X为I或Br中的一种或多种，钙钛矿层4的厚度为100-800nm，所述的空穴传输层5为NiOx、CuSCN、CuAlO或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，厚度为30-300nm，所述的金属电极6为Au、Ag、Al或Cu，厚度为30-100nm。
还包括封装材料层8，所述的封装材料层8将电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5和金属电极6包裹完全，封装材料层8底部与透明导电层2上表面连接，封装材料层8为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃纤维、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、沙林树脂或环氧树脂。
经封装材料层8封装的钙钛矿太阳电池在避免与外部水和氧接触的同时，致密绝缘层7又能有效的阻止内部由于金属电极与钙钛矿层的直接接触造成的金属扩散，从而稳定性得到显著提升。
实施例2
一种钙钛矿太阳电池的封装结构的制备方法，结合图2所示，在衬底1上依次沉积透明导电层2、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5、致密绝缘层7和金属电极6完成钙钛矿太阳电池的制备，再在钙钛矿太阳电池上依次叠加封装材料层8和衬板9，通过层压机完成封装。层压机封装过程中，压制温度为80至150摄氏度，压制时间为1至60分钟。
衬底1为玻璃衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯有机衬底或聚酰亚胺有机衬底，所述的透明导电层2为FTO、ITO、AZO、GZO或Ag纳米线，制备方法为溅射法或溶胶凝胶法，厚度为100-500nm，所述的电子传输层3为TiO2、SnO2、ZnO2、IZO、富勒烯及衍生物、BaSnO3或AZO中的一种或多种，制备方法为溅射法或溶胶凝胶法，厚度为5-100nm，所述的钙钛矿层4为化学式为ABX3型的钙钛矿材料，A为Cs、Rb、CH3NH3或CH2NH22中的一种或多种，B为Pb，X为I或Br中的一种或多种，制备方法为热蒸发法或溶液法，所述的空穴传输层5为NiOx、CuSCN、CuAlO或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，制备方法为热蒸发法或溶液法，厚度为30-300nm，所述的致密绝缘层7为Al2O3、SiO2或MgO，制备方法为真空蒸镀法、溅射法、溶液法或化学气相沉积法，厚度为1-5μm，所述的金属电极6为Au、Ag、Al或Cu，制备方法为热蒸发或丝网印刷法，厚度为30-100nm，封装材料层8底部与透明导电层2上表面连接，封装材料层8为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃纤维、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、沙林树脂或环氧树脂。
制备过程中通过附着掩膜板的方法，控制各层生长与接触，通过掩膜的方式控制电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5在部分透明导电层2上生长，并不与其他部分透明导电层2接触；通过掩膜的方式，控制致密绝缘层7覆盖部分空穴传输层5和两边的透明导电层2，通过掩膜的方式制备金属电极6。
本实施例经封装的钙钛矿太阳电池在避免与外部水和氧接触的同时，沉积的绝缘层又能有效的阻止内部由于金属电极与钙钛矿层的直接接触造成的金属扩散，从而稳定性得到显著提升。本发明工艺简单，成本低，重复性好，适合未来的商业化应用。
实施例3
首先对玻璃材质的衬底1进行清洗，随后衬底1上覆盖掩膜板进行磁控溅射制备FTO，溅射本底真空5×10-4Pa，溅射功率100W，靶材与基底距离6cm，工作气压0.8Pa，预溅射5min后开始溅射，沉积时间5min，溅射厚度为300nm，沉积得到透明导电层2。制备完成后取出。掩膜板将透明导电层2分隔成具有间隙的第一导电部2a和第二导电部2b。
随后在部分区域贴上胶带进行电子传输层3的掩膜制备，用胶带遮住除第一导电部2a以外的区域，电子传输层制备采用溶胶凝胶法，先制备2％质量分数SnO2胶体的前驱体溶液并搅拌均匀，滴加60微升至基底上，在空气中进行旋涂，以3000rpm的速度旋涂30秒，随后150℃温度下加热1小时。待冷却至室温后移至臭氧清洗机中处理15分钟，放入手套箱中待用，制备得到电子传输层3。
钙钛矿层4的制备采用一步法，首先制备1.35mol/L的CH3NH3PbI3钙钛矿前驱体溶液，滴加60μL溶液至完全覆盖在SnO2，1000rpm旋涂10秒后(加速度为100rpm)，3000rpm高速旋涂30秒(加速度为1000rpm)，高速第20秒滴加110μL氯苯，旋涂完毕后将基底放置加热台上，100℃加热10分钟，冷却后制得钙钛矿层4，钙钛矿层4的厚度为500nm，。
随后通过旋涂法进行空穴传输层5的制备，溶液制备方法为，将30mg PTAA溶于0.8mL氯苯，然后加入掺杂物14μL LiTFSI溶液(520mg/mL的乙腈溶液)和23.0μL四叔丁基吡啶。取30μL混合溶液滴加在钙钛矿层上，4000rpm旋涂30秒，空穴传输层5制备完成。
随后，去除胶带，将样品覆盖上掩膜板，送入电子束热蒸发仪进行MgO材质的致密绝缘层7的制备，本底真空5×10-4，工作气压0.5Pa，电子枪功率4.5kW，蒸发源与衬底1距离30cm，蒸发时间30分钟，蒸发厚度2μm，制备得到致密绝缘层7，厚度2μm。
制备结束后去除样品，更换掩膜板进行金属电极6的热蒸发制备，覆盖掩膜板，将样品送入热蒸发仪，进行金属电极6的热蒸发制备，金属电极6厚度为70nm。
随后对已制备的钙钛矿太阳电池进行封装，在电池上依次放置EVA封装材料与玻璃基底，在层压机下，100摄氏度压制20分钟，完成封装。制备完成后，器件结构如图2所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神。
Claims (10)
1.一种钙钛矿太阳电池的封装结构，包括衬底(1)，所述的衬底(1)上依次设有透明导电层(2)、电子传输层(3)、钙钛矿层(4)、空穴传输层(5)和金属电极(6)，其特征在于，钙钛矿层(4)与金属电极(6)之间设有致密绝缘层(7)。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装结构，其特征在于，透明导电层(2)包括两个各自独立的第一导电部(2a)和第二导电部(2b)，第一导电部(2a)和第二导电部(2b)之间具有间隙，致密绝缘层(7)填充在第一导电部(2a)和第二导电部(2b)之间的间隙处，且致密绝缘层(7)位于金属电极(6)内壁和钙钛矿层(4)侧壁之间从而将金属电极(6)和钙钛矿层(4)绝缘隔离。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装结构，其特征在于，所述的致密绝缘层(7)顶部延伸到空穴传输层(5)上方并覆盖在空穴传输层(5)顶部边缘，电子传输层(3)、钙钛矿层(4)和空穴传输层(5)的端面与致密绝缘层(7)连接。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装结构，其特征在于，所述的致密绝缘层(7)为Al2O3、SiO2或MgO，厚度为1-5μm。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装结构，其特征在于，所述的衬底(1)为玻璃衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯有机衬底或聚酰亚胺有机衬底，所述的透明导电层(2)为FTO、ITO、AZO、GZO或Ag纳米线，厚度为100-500nm，所述的电子传输层(3)为TiO2、SnO2、ZnO2、IZO、富勒烯及衍生物、BaSnO3或AZO中的一种或多种，厚度为5-100nm，所述的钙钛矿层(4)为化学式为ABX3型的钙钛矿材料，A为Cs、Rb、CH3NH3或CH2(NH2)2中的一种或多种，B为Pb，X为I或Br中的一种或多种，钙钛矿层(4)的厚度为100-800nm，所述的空穴传输层(5)为NiOx、CuSCN、CuAlO或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，厚度为30-300nm，所述的金属电极(6)为Au、Ag、Al或Cu，厚度为30-100nm。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装结构，其特征在于，还包括封装材料层(8)，所述的封装材料层(8)将电子传输层(3)、钙钛矿层(4)、空穴传输层(5)和金属电极(6)包裹完全，封装材料层(8)底部与透明导电层(2)上表面连接，封装材料层(8)为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃纤维、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、沙林树脂或环氧树脂。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的钙钛矿太阳电池的封装结构的制备方法，其特征在于，在衬底(1)上依次沉积透明导电层(2)、电子传输层(3)、钙钛矿层(4)、空穴传输层(5)、致密绝缘层(7)和()金属电极(6)完成钙钛矿太阳电池的制备，再在钙钛矿太阳电池上依次叠加封装材料层(8)和衬板(9)，通过层压机完成封装。
8.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳电池的封装结构的制备方法，其特征在于，所述的衬底(1)为玻璃衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯有机衬底或聚酰亚胺有机衬底，所述的透明导电层(2)为FTO、ITO、AZO、GZO或Ag纳米线，制备方法为溅射法或溶胶凝胶法，厚度为100-500nm，所述的电子传输层(3)为TiO2、SnO2、ZnO2、IZO、富勒烯及衍生物、BaSnO3或AZO中的一种或多种，制备方法为溅射法或溶胶凝胶法，厚度为5-100nm，所述的钙钛矿层(4)为化学式为ABX3型的钙钛矿材料，A为Cs、Rb、CH3NH3或CH2(NH2)2中的一种或多种，B为Pb，X为I或Br中的一种或多种，制备方法为热蒸发法或溶液法，钙钛矿层(4)的厚度为100-800nm，所述的空穴传输层(5)为NiOx、CuSCN、CuAlO或聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，制备方法为热蒸发法或溶液法，厚度为30-300nm，所述的致密绝缘层(7)为Al2O3、SiO2或MgO，制备方法为真空蒸镀法、溅射法、溶液法或化学气相沉积法，厚度为1-5μm，所述的金属电极(6)为Au、Ag、Al或Cu，制备方法为热蒸发或丝网印刷法，厚度为30-100nm，封装材料层(8)底部与透明导电层(2)上表面连接，封装材料层(8)为乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚烯烃纤维、聚氨基甲酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、沙林树脂或环氧树脂。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳电池的封装结构的制备方法，其特征在于，制备过程中通过附着掩膜板的方法，控制各层生长与接触，通过掩膜的方式控制电子传输层(3)、钙钛矿层(4)、空穴传输层(5)在部分透明导电层(2)上生长，并不与其他部分透明导电层(2)接触；通过掩膜的方式，控制致密绝缘层(7)覆盖部分空穴传输层(5)和两边的透明导电层(2)，通过掩膜的方式制备金属电极(6)。
10.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳电池的封装结构的制备方法，其特征在于，层压机封装过程中，压制温度为80至150摄氏度，压制时间为1至60分钟。
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