一種金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池及製備的製作方法
2023-12-06 07:26:41
本發明屬於半導體光電子器件領域，具體涉及一種柔性輕薄、高效率、低成本的平面異質結鈣鈦礦太陽能電池及其製備。
背景技術：
隨著煤炭、石油和天然氣等非可再生資源日益枯竭，新能源特別是太陽能電池成為國內外研究關注的一個熱點。傳統的矽電池相對來說成本過高，染料敏化電池在製備技術上有很多限制，而有機太陽能電池雖然電池結構簡單但是穩定性極差，因此，它們在工業化上還存在很多問題。鈣鈦礦太陽能電池自2009年第一次報導以來，以其超低成本溶液法製備工藝而受到研究人員的青睞，能量轉換效率由最初的3.8％提升到了20.2％，隨著研究的不斷深入，電池的效率極有可能超過目前發展成熟的單晶矽太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池從最初的需要一層多孔層支架再到後來可以直接做成薄膜電池，在工業化生產上也具有非常大的應用前景。同時，採用的旋轉塗布溶液法工藝與卷對卷大批量製備方法兼容，也為產業化做了極好的鋪墊。
剛性鈣鈦礦太陽能電池厚重、體積大、不能與卷對卷工藝兼容。而且，在某些特殊應用中，需要對太陽能電池進行彎曲甚至摺疊。因此，柔性鈣鈦礦太陽能電池的研究開發變得異常重要，受到柔性透明導電基底的限制，柔性鈣鈦礦電池製備過程中的溫度不能超過150℃，所以需要高溫燒結的介孔結構並不適合柔性鈣鈦礦太陽能電池的開發。同時，傳統的ITO、FTO光電極柔性極差，柔性佳、高透光率、導電性好、功函數匹配、穩定性強的石墨烯是一種極好的柔性透明電極，然而石墨烯的方阻偏高，單層石墨烯方阻高於100Ω/□。
技術實現要素：
有鑑於此，為了解決石墨烯方阻偏高的問題，本發明的目的在於提供一種金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池及其製備方法，利用複合結構降低石墨烯方阻，同時保證高的透光率。
為了實現上述目的，本發明提供了一種金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池，具體包括：柔性襯底、金屬網格石墨烯複合光電極、載流子傳輸層一、鈣鈦礦吸光層、載流子傳輸層二、背電極。載流子傳輸層一、載流子傳輸層二分別為空穴傳輸層和電子傳輸層的一種，且互不相同。
進一步，所述柔性襯底為PET、PEN等。
進一步，所述金屬網格石墨烯複合光電極為金屬網格和石墨烯組成的複合電極結構，金屬網格為嵌入式，網格結構為正三角形、正四邊形或正六邊形。
進一步，所述複合電極結構中，金屬材料為Ag，石墨烯為石墨烯薄膜、氧化還原石墨烯(RGO)中的一種。
進一步，所述柔性襯底上塗布紫外固化樹脂，使用光刻或納米壓印工藝對其進行圖形化，溝槽中填充金屬墨水，最後將多餘的墨水刮掉，形成嵌入式金屬網格結構。採用化學氣相沉積法(CVD)製備石墨烯薄膜並將其轉移至金屬網格之上，形成複合金屬網格石墨烯複合光電極。
進一步，所述紫外線固化樹脂厚度為1-20um，優選為5-8um。
進一步，所述複合電極透光率高於80％，方塊電阻小於50Ω/□。
進一步，所述空穴傳輸材料包括：PEDOT:PSS、spiro-OMeTAD、PTAA，厚度約為：40-100納米。電子傳輸材料包括：PCBM、TiO2或ZnO，厚度約為30-200納米。鈣鈦礦吸光層包括MAI/PbI2或MAI/PbI2/PbCl2體系，膜厚為100-500納米。功能層均採用溶液法製備。
進一步，所述溶液法包括：旋轉塗布、刮刀法、狹縫塗布、噴墨列印等。
進一步，所述背電極由熱阻蒸發製得，包括Al、Ag或Au，厚度為100-200納米。
上述金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的製備方法，包括以下步驟：
(1)柔性襯底上塗布紫外固化樹脂，使用光刻或納米壓印工藝對其進行圖形化，結構為正三角形、正四邊形或正六邊形，溝槽中填充金屬墨水，最後將多餘的墨水刮掉，形成嵌入式金屬網格結構。採用化學氣相沉積法(CVD)製備石墨烯薄膜並將其轉移至金屬網格之上，形成複合金屬網格石墨烯複合光電極。隨後，使用紫外臭氧機對其表面進行親水性改善處理；
(2)採用溶液法在金屬網格石墨烯複合光電極上依次製備載流子傳輸層一、吸光層、載流子傳輸層二，在超淨環境中製備載流子傳輸層一，吸光層和載流子傳輸層二的製備在水氧含量均低於1ppm的手套箱中進行；
(3)將製備好的基片迅速放入真空鍍膜機內，鍍膜形成背電極，完成器件的製備。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中：
圖1為本發明的金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖；其中，101為柔性襯底，102為金屬網格石墨烯複合電極，103為載流子傳輸層一，104為鈣鈦礦吸光層，105為載流子傳輸層二，106為背電極。
圖2為金屬網格石墨烯複合電極結構示意圖；其中，201為嵌入式金屬網格，202為石墨烯。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作詳細說明，使本領域技術人員對本發明有更深入的認識。
實施例一
本實施例的基於金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖1所示，本實施例基於金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的製備方法步驟如下:
1.製備金屬網格201：在柔性襯底101PET上塗布紫外固化樹脂7um，使用納米壓印工藝對其進行圖形化，通過電鑄製得正四邊形鎳鑄模，其邊長為80um，寬度為2um，高度為1um。在紫外光下，利用鎳鑄模(0.25g壓力)壓印得到具有正四邊形凹槽結構的樹脂，溝槽中填充Ag墨水，最後將多餘的墨水刮掉，重複三次使得溝槽被完全填充。形成嵌入式Ag網格結構。
2.採用化學氣相沉積法(CVD)在銅箔上製備單層石墨烯薄膜202，並將其轉移至金屬網格之上，形成複合金屬網格石墨烯複合光電極102。複合電極透光率為86％，方塊電阻為35Ω/□，彎曲1000次方阻變化3％。
3.製備功能層103、104、105，在超淨環境中，使用紫外臭氧機對其表面進行親水性改善處理，在經過親水性改善處理的複合金屬網格石墨烯複合光電極之上旋塗製備30nm空穴傳輸層103 PEDOT:PSS AI4083。將基片轉移至水氧含量均低於1ppm的手套箱中，旋塗製備吸光層104 CH3NH3PbI3和電子傳輸層105 PCBM，將1:1摩爾比的MAI/PbI2溶在DMF中形成40wt％的CH3NH3PbI3前驅體溶液，在60度下加熱30分鐘，在1ml鈣鈦礦溶液中加入100ul HI，將鈣鈦礦前驅體70度加熱，在3000RPM的轉速下旋轉塗布200秒，100度下退火2分鐘，形成厚度約為300nm的吸光層。將PCBM溶在氯苯中，配成20mg/ml的溶液，在3000RPM的轉速下製得厚度約為50nm的電子傳輸層。
4.將基片轉移至熱阻蒸發鍍膜機腔室，蒸鍍100nm Al電極106，完成器件的製備。電池的效率為13％，彎曲1000次後電池的光電轉換效率變化5％。
實施例二
本實施例的基於金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖1所示，本實施例基於金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的製備方法步驟如下:
1.製備金屬網格201：在柔性襯底101PET上塗布紫外固化樹脂7um，使用納米壓印工藝對其進行圖形化，通過電鑄製得正六邊形鎳鑄模，其對角線為90um，寬度為4um，高度為2um。在紫外光下，利用鎳鑄模(0.25g壓力)壓印得到具有正六邊形凹槽結構的樹脂，溝槽中填充Ag墨水，最後將多餘的墨水刮掉，重複三次使得溝槽被完全填充。形成嵌入式Ag網格結構。
2.旋塗製備氧化還原石墨烯(RGO)202，形成複合金屬網格石墨烯複合光電極102。複合電極透光率為88％，方塊電阻為46Ω/□，彎曲1000次方阻變化2％。
3.製備功能層103、104、105，在超淨環境中，配製5.3％ZnO納米溶膠，2000rpm轉速下在經過紫外臭氧表面親水性改善處理的複合金屬網格石墨烯複合光電極之上旋塗製備ZnO電子傳輸層103，在150度下乾燥10min，得到40nm厚的納米薄膜。將基片轉移至水氧含量均低於1ppm的手套箱中，旋塗製得吸光層104 CH3NH3PbI3和空穴傳輸層105 PTAA，將1:1摩爾比的MAI/PbI2溶在DMF中形成40wt％的CH3NH3PbI3前驅體溶液，在60度下加熱30分鐘，在1ml鈣鈦礦溶液中加入100ul HI，將鈣鈦礦前驅體70度加熱，在3000RPM的轉速下旋轉塗布200秒，100度下進行退火處理，形成厚度約為300nm的吸光層。在3000rpm轉速下旋轉塗布加有Li-TFSI and t-BP的PTAA溶液，形成50nm厚的空穴傳輸層。
4.將基片轉移至熱阻蒸發鍍膜機腔室，蒸鍍60nm Au電極106，完成器件的製備。電池的效率為11％，彎曲1000次後電池的光電轉換效率變化4％。
實施例三
本實施例的基於金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的結構如圖1所示，本實施例基於金屬網格石墨烯複合電極柔性鈣鈦礦太陽能電池的製備方法步驟如下:
1.製備金屬網格201：在柔性襯底101PEN上塗布紫外固化樹脂7um，使用光刻工藝對其進行圖形化，在紫外光下，得到具有正三角形凹槽結構的樹脂，其邊長為100um，寬度為2um，高度為1um。溝槽中填充Ag墨水，最後將多餘的墨水刮掉，重複三次使得溝槽被完全填充。形成嵌入式Ag網格結構。
2.採用化學氣相沉積法(CVD)在銅箔上製備單層石墨烯薄膜202，並將其轉移至金屬網格之上，形成複合金屬網格石墨烯複合光電極102。複合電極透光率為82％，方塊電阻為26Ω/□，彎曲1000次方阻變化3％。
3.依次製備功能層103、104、105，在超淨環境中，使用噴霧高溫分解法製備30nm TiO2電子傳輸層103。將基片轉移至水氧含量均低於1ppm的手套箱中，旋塗製得吸光層104 CH3NH3PbI3-XClX和空穴傳輸層105 spiro-OMeTAD，CH3NH3PbI3-XClX由0.08M PbCl2、0.97M PbI2和1M MAI溶在體積比為3:7的DMSO/GBL混合有機溶劑中，將鈣鈦礦前驅體70度加熱，旋塗條件為第一步1000RPM(20秒)、第二步5500RPM(60秒)，在40秒的時候用160ul無水甲苯萃取，得到表面光滑的鈣鈦礦薄膜，在100度下退火20分鐘，形成厚度約為260nm的吸光層。旋塗製備加有Li-TFSI and t-BP的spiro-OMeTAD溶液，形成180nm厚的空穴傳輸層。
4.將基片轉移至熱阻蒸發鍍膜機腔室，蒸鍍70nm Ag電極106，完成器件的製備。電池的效率為12％，彎曲1000次後電池的光電轉換效率變化4％。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。