平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池结构。该结构从下到上依次是：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)空穴传输层；5)电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。衬底采用玻璃、聚酰亚胺等；正负电极采用Au、Cu等金属或ITO等透明导电膜；电子传输层采用SnO

Parallel interdigital full back contact perovskite solar cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池及其制备方法
本专利技术涉及一种太阳电池，特别是关于一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池。技术背景近年来，日益严重的能源危机和环境污染促进了可再生能源的迅速发展。其中，太阳电池以其安全可靠、无噪声、无污染排放、无枯竭危险、不受资源分布地域限制等诸多优势而受到重视。虽然目前光伏市场的主导产品是晶体硅太阳电池，但是经过多年的发展，继续提高效率和降低成本的空间越来越小。因此，世界各国都在积极研究开发新型光伏材料和器件。有机/无机金属卤化物钙钛矿太阳电池2009年才出现，效率仅为3.8％，但是仅十年的时间其效率已经达到25.2％，而且可以采用低成本的低温溶液法来制备，在高效率和低成本方面都显示出巨大的潜力。当前，钙钛矿太阳电池基本上均采用电子传输层和空穴传输层位于钙钛矿吸收层两侧的三明治结构，无论光从电子传输层入射，还是从空穴传输层入射，总是在载流子传输层或透明导电衬底处存在不可避免的寄生吸收，同时金属栅线电极也存在遮挡光的现象，限制了太阳电池对光的利用效率，进而阻碍太阳电池转换效率的提升。继续提高钙钛矿太阳电池的效率，除了通过制备技术和工艺过程控制来提升材料的光电性能和改善器件的界面接触外，新型器件结构的设计也是提高光的利用率和提升电池性能的重要途径。目前，多晶钙钛矿中载流子扩散长度达到几个微米，而利用溶液法生长的MAPbI3单晶的载流子扩散长度超过了175μm，中科院大连化物所报道的CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿单晶光生载流子扩散长度超过569μm，而且随着技术不断进步，钙钛矿中载流子扩散长度还将进一步增长，这为钙钛矿太阳电池新型器件结构的设计和实现奠定了基础。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，将正电极/空穴传输层和负电极/电子传输层均放置在电池的背光面来构成全背接触结构，钙钛矿前表面采用钝化层降低表面缺陷及其导致的载流子复合，采用低折射率的致密薄膜或绒面结构减反膜减小入射光的反射，并保护钙钛矿吸收层。该结构的太阳电池完全避免了传统三明治结构中电子传输层或空穴传输层、和透明导电衬底的寄生吸收，以及金属栅线电极对光的遮挡，能有效提高光的利用率，从而提升钙钛矿太阳电池的转换效率。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于自下到上包括：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)正电极上的空穴传输层；5)负电极上的电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。衬底采用玻璃、不锈钢等金属、纤维织物、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其衍生物等柔性或刚性衬底，具有透明或不透明特性；正电极和负电极采用Au、Ag、Al、Cu、Ti等各类金属或者良好导电性的ITO、ZnO等透明导电膜，金属纳米线氧化物混合透明电极、金属和氧化物多层构透明电极、合金、金属电极和碳材料电极中的一种或多种，厚度在10nm～50μm；电子传输层采用二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、聚苯乙烯磺酸盐(如PSSA)、富勒烯衍生物(如PCBM)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、石墨烯、氧化锌锡、金属酞菁分子材料、富勒烯等化合物及其衍生物中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm；空穴传输层采用氧化镍(NiOx)、氧化钼(MoOx)、氧化钨(WOx)、五氧化二钒(V2O5)、硫氰酸亚铜(CuSCN)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(如PEDOT:PSS)、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钥、氧化铬、氧化钥、聚乙烯咔唑、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)等中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm；；钙钛矿吸收层包括多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX3结构钙钛矿材料，其中A位阳离子为MA+、FA+、Cs+等烷基胺、烷基脒和碱金属元素中的一种或多种，B位阳离子为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sb2+、Bi3+等分布在第四、第五和第六等主族元素中的一种或多种或Ag+、Cu2+等分布在第一副族元素中的一种或多种，X位阴离子为Cl-、Br-、I-等卤素元素中的一种或多种，吸收层厚度在50nm-500μm；钝化层包括苯基三乙基碘化铵(PEAI)、氯化胆碱、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等具有-COOH、-NH2、-SH、-OH、-CN、-SCN等末端功能团的烷烃、芳香烃、吡啶、富勒烯、石墨烯等化合物及其衍生物中的一种或多种，厚度在1nm～100nm；减反射保护层为低折射率的致密薄膜或绒面薄膜或光子晶体等，包括Al2O3、SiNx、SiO2、a-SiOx:H、nc-SiOx:H、a-SiCx:H、a-SiOxNy:H、MgF2、具有金字塔结构或倒金子塔结构的绒面减反层、具有一维或二维或三维结构的光子晶体、PDMS等。上述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于正电极和负电极均在电池的背面，且正、负电极通过刻蚀或者绝缘材料填充等方式进行相互隔断。上述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于吸收层可以是多晶态钙钛矿或者单晶态钙钛矿，钙钛矿吸收层包括多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX3结构钙钛矿材料，其中A位阳离子为MA+、FA+、Cs+等烷基胺、烷基脒和碱金属元素中的一种或多种，B位阳离子为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sb2+、Bi3+等分布在第四、第五和第六等主族元素中的一种或多种或Ag+、Cu2+等分布在第一副族元素中的一种或多种，X位阴离子为Cl-、Br-、I-等卤素元素中的一种或多种。吸收层厚度在50nm-500μm。上述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于钝化层包括苯基三乙基碘化铵(PEAI)、氯化胆碱、乙二胺四乙酸(EDTA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等具有-COOH、-NH2、-SH、-OH、-CN、-SCN等末端功能团的烷烃、芳香烃、吡啶、富勒烯、石墨烯等化合物及其衍生物中的一种或多种，厚度在1nm～100nm；减反射保护层为低折射率的致密薄膜或绒面薄膜或光子晶体等，包括Al2O3、SiNx、SiO2、a-SiOx:H、nc-SiOx:H、a-SiCx:H、a-SiOxNy:H、MgF2、具有金字塔结构或倒金子塔结构的绒面减反层、具有一维或二维或三维结构的光子晶体、PDMS等，厚度在10nm-500nm。上述平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于电池的制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备薄膜电极；3)形成相互隔断的正、负电极；4)在正电极上制备空穴传输层；5)在负电极上制备电子传输层；6)制备多晶态钙钛矿吸收层，或者单晶态钙钛矿吸收层；7)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于自下到上包括：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)正电极上的空穴传输层；5)负电极上的电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。/n

【技术特征摘要】
1.一种平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于自下到上包括：1)衬底；2)正电极；3)负电极；4)正电极上的空穴传输层；5)负电极上的电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)钝化层；8)减反射保护层。


2.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于衬底采用玻璃、不锈钢等金属衬底、纤维织物、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其衍生物等柔性或刚性衬底，具有透明或不透明特性。


3.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于正电极和负电极采用Au、Ag、Al、Cu、Ti等各类金属或者良好导电性的ITO、ZnO等透明导电膜，金属纳米线氧化物混合透明电极、金属和氧化物多级结构透明电极、合金、金属电极和碳材料电极中的一种或多种；正电极和负电极可以为同一种材料，也可以为不同材料，厚度在10nm～50μm。


4.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于正电极和负电极均在电池的背光面，且正、负电极通过刻蚀或者绝缘材料填充等方式进行相互隔断；正电极和负电极的线宽在50nm～500μm；正负电极之间间隔在10nm～500μm；正电极和负电极的形状可以是平行的直线，也可以是不相交的曲线，如齿状、螺旋、圆形、回形等线条。


5.根据专利要求1所述的平行叉指全背接触钙钛矿太阳电池，其特征在于电子传输层采用二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、聚苯乙烯磺酸盐(如PSSA)、富勒烯衍生物(如PCBM)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、石墨烯、氧化锌锡、金属酞菁分子材料、富勒烯等材料中的一种或者多种，厚度在5nm～500nm。其特征在于空穴传输层采用氧化镍(NiOx)、氧化钼(MoOx)、氧化钨(WOx)、五氧化二钒(V2Ox)、硫氰酸亚铜(CuSCN)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(如PEDOT:PSS)、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钥、氧化铬、氧化钥、聚乙烯咔唑、4-丁基-N,N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：李跃龙，侯国付，赵颖，张晓丹，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12