[发明专利]一种钙钛矿基柔性薄膜太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域。

背景技术

有机金属卤化物(CH₃NH₃PbI₃)是一种有机/无机杂化的钙钛矿结构半导体材料，带隙在近红外区(1.7eV)，可吸收全部太阳光以及部分近红外光，是一种非常优异的太阳光吸收光伏材料。近年来，随着薄膜太阳能电池的高效率效应的深入研究，钙钛矿薄膜太阳能电池逐渐引起广泛的关注和报道，其最高效率可达18％以上，并且有着很大的提升空间。

钙钛矿基柔性薄膜太阳能电池主要包括两种结构：一种是基于钙钛矿对纳晶多孔宽禁带半导体薄膜(如TiO₂，ZnO，SnO₂)敏化的薄膜电池，另一种是以多孔绝缘材料薄膜(如Al₂O₃，ZrO₂，SiO₂等)为支架层的本体异质结构薄膜电池。对于钙钛矿基柔性薄膜太阳能电池，存在的最大缺点是其对电极通常采用的是金、银等贵金属电极，这不仅会显著增加电池原料成本，同时贵金属电极的制备方法采用真空蒸镀或磁控溅射设备，大大提高电池的制作成本，并且真空蒸镀或磁控溅射工艺的限制，很难实现大规模的生产，极大地限制了钙钛矿基柔性薄膜太阳能电池的发明。在该技术领域，急切希望能够采用成本低的对电极材料来代替贵金属，并期望研制出新的成本低的适用工业生产的制备工艺。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它只吸收2.3％的光，常温下电子迁移率超过15000cm²/V·s，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此可用来发展更薄、导电速度更快的新一代太阳能电池，作为优异的导电电极材料。

Zhu等人(Efficiency Enhancement of Perovskite Solar Cells through Fast Electron Extraction:The Role of Graphene Quantum Dots.J Am Chem Soc,2014,360:3760-3763)等人发现将石墨烯量子点加入到二氧化钛层附近可以显著提升钙钛矿结构太阳能电池的量子量子效率，起到快速传输电子的作用。Wang等人(Low-Temperature Processed Electron Collection Layers of Graphene/TiO₂Nanocomposites in Thin Film Perovskite Solar Cells.Nano Lett,2014,14:724-730.)发现石墨烯与二氧化钛的结合可以起到提升电子收集极的作用。

现有技术中，申请号为201310650505.8的发明公开了一种钙钛矿结构太阳能电池及其制备方法，首先是在掺杂氟的SnO₂(FTO)导电玻璃先沉积一层氧化钛或氧化锌n型层，然后再沉积一层杂化钙钛矿结构CH₃NH₃PbI₃，接着沉积p型硅薄膜，最后沉积金属电极层；其中，氧化锌或氧化钛层利用原子层沉积方法制备，该方法可以制备出非常致密的氧化物，并且膜厚可以准确控制；钙钛矿结构的CH₃NH₃PbI₃可以通过溶液法或共蒸发方法制备；p型硅薄膜可以通过等离子体化学气相沉积方法制备；金属电极可以通过热蒸发或溅射方法制备。申请号为201310461537.3的发明公开了一种钙钛矿基柔性薄膜太阳能电池的制备方法，使用多孔碳作对电极，提供了碳对电极在钙钛矿基柔性薄膜太阳能电池中的应用探索，与现有方法使用贵金属材料相比，采用丝网印刷法代替真空镀膜法，成本大大降低。申请号为201210516978.4的发明公开了一种钙钛矿/石墨烯复合薄膜电极的制备方法，该发明将钙钛矿/石墨烯复合粉体分散在无水乙醇中获得稳定的悬浮液，通过施加直流电场，使悬浮液中的复合粉体在电场作用下向透明导电玻璃移动，并在其上形成均匀的沉积层，从而制备出复合电极。该发明中的钙钛矿是一种不溶于水的宽带隙光催化材料，与本发明可溶于水的钙钛矿结构有机金属卤化物(CH₃NH₃PbI₃)有明显不同。

现有技术的缺陷：石墨烯初步呈现了导电、收集电子的作用，但现有制备方法中石墨烯与其他材料接触不良，容易存在能量壁垒，影响了量子效率的提高，难以充分发挥石墨烯的作用。

发明内容