一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，钙钛矿太阳能电池由于工艺简单、成本低廉、效能高效等优点表现出非凡的发展前景，快速提升的光电转化效率更使其成为新一代清洁能源的生力军。

相比于以刚性玻璃为基底的钙钛矿太阳能电池，柔性钙钛矿太阳能电池使用含有导电涂层的柔性聚合物作为基底，具有质量轻、柔韧性强和便携性等特点，在自供电可穿戴设备、柔性电子显示器等领域具有巨大的应用前景。

目前，多数柔性钙钛矿太阳能电池采用刮涂或旋涂法的制备工艺，仅限于实验室内小尺寸的制备，难以实现大规模的工业化量产；而且这类方法的材料利用效率低，导致严重浪费，所构筑的柔性钙钛矿太阳能电池仍旧存在稳定性能差、服役时间短等缺点。如何实现大面积、高效、高稳定性钙钛矿太阳能电池并最大程度提升对材料的利用率（尤其对以电子传输层、空穴传输层和钙钛矿吸光层为主的活性层），是实现柔性钙钛矿太阳能电池商业化应用的关键。

发明内容

本发明提供一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，通过调整全溶液狭缝涂布的工艺参数，能够克服传统钙钛矿电池制备过程中耗能高、材料利用率低的问题，并且有效提升了柔性钙钛矿太阳能电池的热稳定性及化学稳定性。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1：清洗并得到洁净的柔性导电基底；

S2：在空气环境下（室温、相对湿度30%及以下）采用全溶液狭缝涂布法在柔性导电基底上制备钙钛矿太阳能电池的核心功能层；

S3：制备顶部电极，得到柔性钙钛矿太阳能电池。

以上所述步骤中，S2中所述核心功能层由空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层组成；

所述核心功能层为正式结构或反式结构：所述正式结构由基底向上分别为电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层；所述反式结构由基底向上分别为空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层；

所述钙钛矿吸光层结构为ABX

所述电子传输层为价带（VB）在-3.9 eV到-8.0 eV之间的半导体中一种或多种，包括但不限于TiO

所述空穴传输层为导带（CB）在-4.0 eV到-6.0 eV之间的所有半导体中一种或多种，包括但不限于NiOx、WO

S2具体包括以下步骤：分别制备核心功能层墨水，在狭缝涂布前，将ITO基板固定在加热台上，然后设置好狭缝涂布参数：空气环境中，基底加热温度设置25-200℃、印刷长度1-1000 mm、供墨速度0.01-10 mm/s、狭缝涂布高度1-3000 μm、模具运动速度0.01-10mm/s，开启供墨功能和模具运动功能，按照正式或反式结构将相应核心功能层墨水依次涂布到柔性导电基底上，待涂布完成后置于热台上继续退火；所述核心功能层墨水分别包括电子传输层墨水、空穴传输层墨水和钙钛矿吸光层墨水，上述墨水分别为对应功能材料的水性或有机溶液；

S1中所述柔性导电基底为涂有FTO、ITO或AZO等导电材料的聚合物薄膜；所述聚合物薄膜包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）；

S3中所述顶部电极的制备方法为热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射，选用的顶部电极为Au、Ag、Cu等金属或FTO、ITO、AZO等导电金属氧化物中一种或多种。

有益效果：本发明提供了一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明采用全溶液狭缝涂布法可以在空气环境下（室温、相对湿度30%及以下）大面积制备高性能的柔性钙钛矿太阳能电池，取代了手套箱的制备环境，该方法工艺简单、操作方便；同时，该方法耗能低，可最大程度地节约成本，真正使得柔性钙钛矿太阳能电池具备大面积工业化和商用化的生产条件；

2、将金属氧化物通过本发明的全狭缝涂布法制备成电子传输层和空穴传输层后，得到的柔性钙钛矿太阳能模组在黑暗环境中（温度30℃、相对湿度约70%）光电转换效率可以稳定4000小时以上；在1个太阳光照下（温度85℃、相对湿度约50%）光电转换效率在4000小时后仍能维持90%；在5 mm的弯曲半径下可以稳定变形4000次以上，本发明方法制备得到的柔性钙钛矿太阳能电池具有优异的环境稳定性和运行稳定性，并且通过降低厚度大幅提升了柔性钙钛矿太阳能电池的抗疲劳稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中所述柔性钙钛矿太阳能电池的核心功能层为正式结构的示意图；

图2为本发明实施例中全溶液狭缝涂布法制备图1所示柔性钙钛矿太阳能电池的示意图；

图3为本发明实施例中所述柔性钙钛矿太阳能电池的核心功能层为反式结构的示意图；

图4为本发明实施例中全溶液狭缝涂布法制备图3所示柔性钙钛矿太阳能电池的示意图；

图5为本发明实施例1中全溶液狭缝涂布法制备的30×100 mm

图6为本发明实施例1制备得到的柔性钙钛矿太阳能模组的性能测试结果图；

图7为本发明实施例1制备得到的未封装柔性钙钛矿太阳能模组的环境稳定性测试结果图；

图8为本发明实施例1制备得到的封装的柔性钙钛矿太阳能模组的运行稳定性测试结果图；

图9为本发明实施例1制备得到的封装的柔性钙钛矿太阳能模组的机械稳定性测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的进行详细描述：

实施例1

如图1和图2，一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

清洗并得到洁净的柔性导电基底（ITO-PEN）；

将浓度为1 wt% 的SnO

将1.4 M的甲脒氢碘酸盐（FAI）和PbI

将浓度为2 wt% 的WO

蒸镀上金电极即可完成大面积柔性钙钛矿太阳能模组的制备。

如图5所示，上述方法制备得到的30×100 mm

图7为制备得到的未封装柔性钙钛矿太阳能模组的环境稳定性测试结果，在黑暗环境中（温度30℃、相对湿度约70%），该模组的光电转换效率可以稳定4000小时以上不衰减；

图8为制备得到的封装的柔性钙钛矿太阳能模组的运行稳定性测试结果，在1个太阳光照下（温度85℃、相对湿度约50%），该模组的光电转换效率在4000小时后仍能维持90%，没有明显衰减；

图9为制备得到的封装的柔性钙钛矿太阳能模组的机械稳定性测试结果，该模组在5 mm的弯曲半径下可以稳定变形4000次以上不衰减。

实施例2

如图1和图2，一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

清洗并得到洁净的柔性导电基底（ITO-PEN）；

将浓度为1 mg/mL的C

将1.35 M的甲基碘化胺（MAI）和PbI

将浓度为2 wt% 的WO

蒸镀上金电极即可完成大面积柔性钙钛矿太阳能模组的制备。

实施例3

如图3和图4，一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

清洗并得到洁净的柔性导电基底（ITO-PEN）;

将浓度为1 mg/mL的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）溶解于甲苯，制备成空穴传输层墨水。在狭缝涂布前，将ITO基板固定在加热台上，然后设置好狭缝涂布参数：基底加热温度设置25 ℃、印刷长度100 mm、供墨速度0.01 mL/dm、注射器规格10 mL、狭缝涂布高度50 μm、模具运动速度5 mm/s，开启供墨功能和模具运动功能，待涂布完成后置于100 ℃热台上继续退火5 min，就获得了30×100 mm

将1.4 M的FAI和PbI

将浓度为2 mg/mg的PCBM溶解于氯苯中，制备成电子传输层墨水。在狭缝涂布前，将ITO/PTAA/ FAPbI

蒸镀上银电极即可完成大面积柔性钙钛矿太阳能模组的制备。

实施例4

如图3和图4，一种基于全狭缝涂布工艺的柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

清洗并得到洁净的柔性导电基底（ITO-PEN）；

将浓度为2 wt%的NiOx纳米粒子溶解于水中，制备成空穴传输层墨水，在狭缝涂布前，将ITO-PEN基板固定在加热台上，然后设置好狭缝涂布参数：基底加热温度设置80 ℃、印刷长度100 mm、供墨速度0.05 mL/dm、注射器规格10 mL、狭缝涂布高度50 μm、模具运动速度10 mm/s，开启供墨功能和模具运动功能，待涂布完成后置于150 ℃热台上继续退火30min，就获得了30×100 mm

将1.4 M的FAI和PbI

将浓度为2 mg/mg 的ITIC溶解于氯仿中，制备成电子传输层墨水。在狭缝涂布前，将ITO/NiOx/ FAPbI

蒸镀上金电极即可完成大面积柔性钙钛矿太阳能模组的制备。

以上仅是本发明的优选实施例，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。