一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池的制作方法

本发明涉及一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池，属于半导体光电子器件领域。

背景技术：

太阳能作为一种新能源具备清洁、普遍、取之不尽用之不竭等优点。太阳能电池是利用太阳能的有效手段。太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池具有制备工艺简单、成本低、效率高等优点。自从2012年PARK课题组首次报道寿命500小时以上、效率达到9.7%的全固态钙钛矿太阳能电池以来，钙钛矿太阳能电池受到了学界和产业界的极大关注，并被《Science》评选为2013年十大科学突破之一。钙钛矿太阳能电池在短短几年里发展迅速，目前报道的钙钛矿太阳能电池的效率已经突破了20%。

柔性太阳能电池作为太阳电池的一个新品种，近年来开始受到人们的重视，世界上许多公司竞相开发研究。柔性太阳电池最大的特点是重量轻，可折叠，不易破碎，能够安装在流线型汽车的顶部，房屋等建筑物的楼顶与外墙面，应用前景光明。另一方面半透明太阳能电池在发电的同时，可以保证屋内采光要求，适用于大厦窗户、外墙、天窗和屋顶等建筑结构。柔性半透明太阳能电池更是可以直接贴合在窗户玻璃上，实现发电和采光的双重功能。

目前，有报道的钙钛矿太阳能电池绝大多数是硬质玻璃基板、完全不透明的，易破碎，不可折叠，难以满足智能穿戴和窗户、顶棚等特殊场合的采光要求。因此，开发柔性半透明钙钛矿太阳能电池具备重要的实际意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明公开了一种柔性半透明钙钛矿太阳能的结构和制备方法，目的在于提供一种同时满足柔性、半透明的高效率钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池，其特征在于，器件结构由下到上依次包括柔性透明衬底、电子传输层、吸光层、空穴传输层、透明电极层和电极保护层组成。

更进一步的，所述的柔性透明衬底为生长有ITO或者FTO透明电极的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料（PET）衬底。

更进一步的，所述电子传输层为TiO₂，TiO₂厚度在25-30 nm。

更进一步的，所述的吸光层为CH₃NH₃PbI₃，厚度在100-200 nm。

更进一步的，所述的空穴传输层为60 nm 的TPD与3 nm HAT-CN的双层复合结构。

更进一步的，所述的后电极层为半透明的Ag电极或者Au电极，厚度为10-15 nm.

本发明还提供了上述柔性半透明钙钛矿太阳能电池的制方法，器件的制备包括以下步骤：

(1) 柔性透明衬底预处理：

透明衬底采用异丙醇和玻璃清洗剂反复擦洗，接着在异丙醇和去离子水中分别超声处理20分钟，然后用干燥的氮气吹干，最后紫外光照射10分钟后待用；

(2) TiO₂电子传输层的低温制备：

将0.470ml的异丙醇钛加入到0.123 ml硝酸和2.5ml乙醇的混合溶液中，温和搅拌；搅拌2个小时后加入0.114 ml的去离子水，静置1个小时后使用丙醇稀释，获得0.127 M的TiO₂分散液；取1 ml 的TiO₂分散液，加入0.01 ml质量分数75%的双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的乙醇溶液，获得TiO₂前驱体溶液，使用匀胶机在柔性透明衬底上旋转涂覆TiO₂前驱体溶液，转速 3000 -4000 rpm，时间 30秒，接着在空气中135℃加热板上退火处理10-90分钟，获得致密的TiO₂电子传输层；

(3)双源共蒸法制备CH₃NH₃PbI₃吸光层：

首先将CH₃NH₃I₃和PbI₂分别装入到真空镀膜机的坩埚蒸发源内，接着将制备完TiO₂电子传输层的衬底装入真空镀膜机中，置于蒸发源正上方20cm处，当真空镀膜机的真空度下降到5×10^-4Pa后开始通过CH₃NH₃I₃和PbI₂双源共蒸的方法生长CH₃NH₃PbI₃；双源共蒸时，CH₃NH₃I₃和PbI₂的蒸发温度分别控制为70℃和250℃；通过设于PbI₂上方的石英晶振片监控吸光层的膜厚；

(4)制备空穴传输层：

在CH₃NH₃PbI₃吸光层上通过热蒸发的方法依次沉积60 nm 的TPD与3 nm HAT-CN作为空穴传输层，其中TPD的沉积速率为0.06 nm/s，HAT-CN沉积速率为0.01 nm/s；

(5)制备透明电极：

在空穴传输层上通过热蒸发或者溅射的方法沉积一层Ag或者Au作为透明电极，沉积速率为0.5 nm/s；

(6)制备电极保护层：

在透明电极沉积20 nm ZnSe作为电极保护层，并完成器件的制作。

本发明的一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池，由长有ITO或者FTO的PET作为透明柔性基底、低温工艺制备的致密TiO₂作为电子传输层，双源共蒸真空沉积的CH₃NH₃PbI₃作为吸光层、TPD/ HAT-CN复合结构作为空穴传输层和Ag或者Au作为透明电极，热蒸发的一层ZnSe作为电极保护层所组成。本发明采用低温方法制备出致密的TiO2层作为电子传输层，避免了传统的高温工艺，与柔性基底兼容，所得TiO2层，平整，致密，电子传输性能良好。采用双源共蒸法制备钙钛矿太阳能电池，制备工艺极其简单，钙钛矿薄膜也具有很好的均匀性和透光性，可以获得性能优异且稳定的太阳能电池器件。本发明的太阳能电池结构简单、成本低、效率高。同时实现了太阳能电池的半透明和柔性，既可以应用于智能穿戴，也可以集成在窗户、屋顶、墙壁上，实现光伏建筑一体化。

附图说明

图1为本发明提供的一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池结构示意图；

图2为本发明的太阳能电池的制备流程。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例一

一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池，器件结构示意图如图1所示，其特征在于，器件结构由下到上依次包括柔性透明衬底、电子传输层、吸光层、空穴传输层、透明电极层和电极保护层组成。

更进一步的，所述的柔性透明衬底为生长有ITO透明电极的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料（PET）衬底，其中ITO的厚度200-300 nm，透光率大于80%。

更进一步的，所述电子传输层为TiO₂，TiO₂厚度在25 nm。

更进一步的，所述的吸光层为CH₃NH₃PbI₃，厚度在100 nm。

更进一步的，所述的空穴传输层为60 nm 的TPD与3 nm HAT-CN的双层复合结构。

更进一步的，所述的后电极层为半透明的Au电极，厚度为10 nm。

本发明还提供了上述柔性半透明钙钛矿太阳能电池的制方法，器件的制备流程如图2所示，器件的制备包括以下步骤：

(1) 柔性透明衬底预处理：

透明衬底采用异丙醇和玻璃清洗剂反复擦洗，接着在异丙醇和去离子水中分别超声处理20分钟，然后用干燥的氮气吹干，最后紫外光照射10分钟后待用；

(2) TiO₂电子传输层的低温制备：

将0.470ml的异丙醇钛加入到0.123 ml硝酸和2.5 ml乙醇的混合溶液中，温和搅拌；搅拌2个小时后加入0.114 ml的去离子水，静置1个小时后使用丙醇稀释，获得0.127 M的TiO₂分散液；取1 ml 的TiO₂分散液，加入0.01 ml质量分数75%的双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的乙醇溶液，获得TiO₂前驱体溶液，使用匀胶机在柔性透明衬底上旋转涂覆TiO₂前驱体溶液，转速 4000 rpm，时间 30秒，接着在空气中135℃加热板上退火处理10分钟，获得致密的TiO₂电子传输层；

(3)双源共蒸法制备CH₃NH₃PbI₃吸光层：

首先将CH₃NH₃I₃和PbI₂分别装入到真空镀膜机的坩埚蒸发源内，接着将制备完TiO₂电子传输层的衬底装入真空镀膜机中，置于蒸发源正上方20 cm处，当真空镀膜机的真空度下降到5×10^-4Pa后开始通过CH₃NH₃I₃和PbI₂双源共蒸的方法生长CH₃NH₃PbI₃；双源共蒸时，CH₃NH₃I₃和PbI₂的蒸发温度分别控制为70℃和250℃；通过设于PbI₂上方的石英晶振片监控吸光层的膜厚；

(4)制备空穴传输层：

在CH₃NH₃PbI₃吸光层上通过热蒸发的方法依次沉积60 nm 的TPD与3 nm HAT-CN作为空穴传输层，其中TPD的沉积速率为0.06 nm/s，HAT-CN沉积速率为0.01 nm/s；

(5)制备透明电极：

在空穴传输层上通过热蒸发方法沉积一层Au作为透明电极，沉积速率为0.5 nm/s；

(6)制备电极保护层：

在透明电极沉积20 nm ZnSe作为电极保护层，并完成器件的制作。

实施例2

一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池，其特征在于，器件结构由下到上依次包括柔性透明衬底、电子传输层、吸光层、空穴传输层、透明电极层和电极保护层组成。

更进一步的，所述的柔性透明衬底为生长有FTO透明电极的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料（PET）衬底。

更进一步的，所述电子传输层为TiO₂，TiO₂厚度在30 nm。

更进一步的，所述的吸光层为CH₃NH₃PbI₃，厚度在200 nm。

更进一步的，所述的空穴传输层为60 nm 的TPD与3 nm HAT-CN的双层复合结构。

更进一步的，所述的后电极层为半透明的Ag电极，厚度为15 nm。

本发明还提供了上述柔性半透明钙钛矿太阳能电池的制方法，器件的制备包括以下步骤：

(1) 柔性透明衬底预处理：

透明衬底采用异丙醇和玻璃清洗剂反复擦洗，接着在异丙醇和去离子水中分别超声处理20分钟，然后用干燥的氮气吹干，最后紫外光照射10分钟后待用；

(2) TiO₂电子传输层的低温制备：

将0.470ml的异丙醇钛加入到0.123 ml硝酸和2.5 ml乙醇的混合溶液中，温和搅拌；搅拌2个小时后加入0.114 ml的去离子水，静置1个小时后使用丙醇稀释，获得0.127 M的TiO₂分散液；取1 ml 的TiO₂分散液，加入0.01 ml质量分数75%的双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯的乙醇溶液，获得TiO₂前驱体溶液，使用匀胶机在柔性透明衬底上旋转涂覆TiO₂前驱体溶液，转速 4000 rpm，时间 30秒，接着在空气中135℃加热板上退火处理90分钟，获得致密的TiO₂电子传输层；

(3)双源共蒸法制备CH₃NH₃PbI₃吸光层：

首先将CH₃NH₃I₃和PbI₂分别装入到真空镀膜机的坩埚蒸发源内，接着将制备完TiO₂电子传输层的衬底装入真空镀膜机中，置于蒸发源正上方20 cm处，当真空镀膜机的真空度下降到5×10^-4Pa后开始通过CH₃NH₃I₃和PbI₂双源共蒸的方法生长CH₃NH₃PbI₃；双源共蒸时，CH₃NH₃I₃和PbI₂的蒸发温度分别控制为70℃和250℃；通过设于PbI₂上方的石英晶振片监控吸光层的膜厚；

(4)制备空穴传输层：

在CH₃NH₃PbI₃吸光层上通过热蒸发的方法依次沉积60 nm 的TPD与3 nm HAT-CN作为空穴传输层，其中TPD的沉积速率为0.06 nm/s，HAT-CN沉积速率为0.01 nm/s；

(5)制备透明电极：

在空穴传输层上通过热蒸发或者溅射的方法沉积一层Ag作为透明电极，沉积速率为0.5 nm/s；

(6)制备电极保护层：

在透明电极沉积20 nm ZnSe作为电极保护层，并完成器件的制作。