一种含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于能量转换器件领域，具体涉及一种含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

能源对人类社会的发展起着至关重要的作用，寻找清洁可再生能源来代替传统化石能源已成为当今社会发展的大趋势，其中发展光伏产业是解决能源危机的重要手段之一。目前，硅太阳电池已经广泛实现商业化，但其制造成本制约了硅电池的继续发展和市场扩充。

自钙钛矿材料被应用于太阳电池后，因其制备方法简单和成本低廉的优势，而倍受研究者的青睐。钙钛矿材料的带隙可调，但吸光范围仍较窄。为了更好地利用光谱，人们将宽带隙的钙钛矿太阳电池和硅太阳电池进行复合，制成叠层电池来提高单位面积上的光利用率。整个太阳光从叠层太阳电池顶部入射就要求顶电极拥有良好的透光性和较好的导电性。所以发展透明性高、致密性好的金属导电透明电极显得尤为重要。可是，现有技术大多数直接在空穴传输层或电子传输层上制备电极层，电极层不均匀，降低了太阳能电池的效率。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次设置的透明导电基底、第一电传输层、钙钛矿吸收层、第二电传输层、籽晶层、超薄金属电极层。

更进一步地，第一电传输层为电子传输层，第二电传输层为空穴传输层。

更进一步地，第一传输层为空穴传输层，第二传输层为电子传输层。

更进一步地，透明导电基底为ITO、FTO、透明导电玻璃、PEN薄膜中任一种。

更进一步地，空穴传输层为Spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS、PTAA、P3HT、CuSCN、NiOx中任意一种。

更进一步地，电子传输层为TiO

更进一步地，钙钛矿吸收层为金属卤化物钙钛矿。

更进一步地，籽晶层为Ag、Cr、Cu中的一种。

更进一步地，透明金属电极为Au、Ag、Cu中的一种。

本发明还提供了一种含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将透明导电基底清洗并烘干；

步骤2、将第一电传输层旋涂于透明导电基底上；

步骤3、将钙钛矿吸收层旋涂于第一电传输层上；

步骤4、将第二电传输层旋涂于钙钛矿吸收层上；

步骤5、将籽晶层沉积在第二电传输层上；

步骤6、在籽晶层上制备超薄金属电极层。

本发明的有益效果：本发明通过引入与空穴传输层或者电子传输层能级匹配且与超薄金属电极层晶格匹配的籽晶层于器件中，可实现最高21%的效率。在制备过程中，若直接在空穴传输层或者电子传输层上制备超薄金属电极层，超薄金属电极层会出现不均匀的现象，而不均匀的超薄金属电极层会增加太阳能电池的电阻，抑制电荷的传输，从而降低太阳电池的效率。超薄金属电极层生长过程中先是生长成点状结构再生长成岛状结构最后才能生长成薄膜。若先沉积一种和超薄金属电极层材料晶体结构相同的籽晶层材料就可以使超薄金属电极层均匀的生长。籽晶层和超薄金属电极层从而形成致密性的导电层，降低太阳能电池的电阻，进一步提高太阳能电池的短路电流。另外，籽晶层还可以防止超薄金属电极层直接接触空穴传输层或者电子传输层，从而避免超薄金属电极层被腐蚀。使用该方法制得的钙钛矿太阳能电池具有较好的透光性和导电性。若使用柔性衬底还拥有一定的柔性，可作为叠层电池的顶电池使用。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1：含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳电池的结构示意图。

图中：1、透明导电基底；2、第一电传输层；3、钙钛矿吸收层；4、第二电传输层；5、籽晶层；6、超薄金属电极层。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池，如图1所示，该太阳电池包括自下而上依次设置的透明导电基底1、第一电传输层2、钙钛矿吸收层3、第二电传输层4、籽晶层5、超薄金属电极层6。具体地，第一电传输层2为电子传输层，第二电传输层4为空穴传输层。透明导电基底1为ITO、FTO、透明导电玻璃、PEN薄膜中任一种，这些透明导电基底禁带宽度大，透光性和导电性好，特别使用PEN薄膜作为基底制备出来的太阳电池具有一定的柔性，在弯曲后还保留较好的效率。电子传输层2为TiO

在本实施例中，旋涂的空穴传输层表面形态不够平整不利于超薄金属电极层6直接沉积且金属的表面能远远高于有机物的表面能，在沉积过程中金属粒子就会相互聚集形成岛状的薄膜。加入的籽晶层5表面能介于超薄金属电极层6与空穴传输层的表面能之间，有效的防止了超薄金属电极层6在制备中可能会出现的聚集现象。同时籽晶层5也防止了空穴传输层中添加的路易斯酸或者其它的离子腐蚀超薄金属层6。

作为一种具体的太阳能电池结构，优选地，透明导电基底1为PEN薄膜;电子传输层2使用ZnO，厚度为5 nm；钙钛矿吸收层3为CH

实施例2

本发明还公开了一种制备含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池的方法，包括如下步骤：

步骤1、将透明导电基底1清洗并烘干；

步骤2、将电子传输层2旋涂于透明导电基底1上；

步骤3、将钙钛矿吸收层3旋涂于第一电传输层2上；

步骤4、将空穴传输层4旋涂于钙钛矿吸收层3上；

步骤5、将籽晶层5沉积在第二电传输层4上；

步骤6、在籽晶层5上制备超薄金属电极层6。

以制备PEN薄膜/ZnO/CH

（1）将PEN薄膜分别在去离子水、乙醇、丙酮等溶液中超声清洗15 min，在氮气气氛下吹干。

（2）将ZnO在熔于甲醇溶液中，使溶液浓度为10 mg/mL，以900 rpm的转速涂在PEN薄膜上，得到30 nm的ZnO薄膜。

（3）将PbI

（4）将CuSCN以3000 rpm转速旋涂于刚制备的钙钛矿电极表面在氮气中加热到100℃持续30 min得到厚度为40 nm的CuSCN空穴传输层。

（5）将上述样品转移到磁控溅射样品室，将反应室的气压抽至低真空后，开启样品台旋转，在高纯氮气气氛下采用脉冲溅射方式开始生长籽晶层5 Cr，溅射气压为0.5 Pa,溅射功率为25 W，温度150 ℃，时间为30 s，得到籽晶层。该模式下溅射出的籽晶层平均厚度为5 nm，最低点厚度为4 nm，最高点厚度为7 nm,该功率下的沉积速度为0.16 nm/s。用磁控溅射方式制备的籽晶层5厚度可控，通过调控功率还可以调节沉积速度。用该方式制备的籽晶层5致密性致密性好表面平整度高，便于后续在籽晶层上制备超薄金属。使用金属作为籽晶层5比使用金属氧化物制备籽晶层5更有利于晶格匹配且籽晶层本身导电性良好，不仅有利于超薄金属层6的制备与生长更方便载流子的运输。

（6）继续在磁控溅射室进行超薄金属层6金的溅射，使用直流溅射方式，在150 ℃，电流为2 A的条件下溅射500 s。在同一磁控溅射仪器腔体中使用不同磁控溅射方式制备可以避免更换制备设备的污染，在同一腔体制备可以大大减少制备的时间。在两次溅射中没有冷却和改变制备温度可以避免反复加热冷却使已制备部分因热胀冷缩出现裂纹。这样的制备方式不仅可以减少制备时间还可以避免污染和制备过程中可能的失误。

实施例3

在实施例1的基础上，第一传输层2为空穴传输层，第二传输层4为电子传输层。反式结构相比正式结构而言更加稳定，材料相同的太阳电池反式结构的效率也较正式结构的太阳电池高1-2%。在这种结构下，籽晶层与电子传输层接触，籽晶层5的存在降低了超薄金属的电阻，提高了短路电流进而提高了太阳电池的效率。

作为一种具体的太阳能电池结构，优选地，透明导电基底1的材料为FTO；空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD，厚度为50nm；钙钛矿吸收层3的材料为CH

实施例4

本发明还公开了一种制备含有籽晶层的金属半透明电极钙钛矿太阳能电池的方法，包括如下步骤：

步骤1、将透明导电基底1清洗并烘干；

步骤2、将空穴传输层旋涂于透明导电基底上；

步骤3、将钙钛矿吸收层3旋涂于第一电传输层上；

步骤4、将电子传输层旋涂于钙钛矿吸3收层上；

步骤5、将籽晶层5沉积在电子传输层上；

步骤6、在籽晶层5上制备超薄金属电极层6。

以制备FTO/Spiro-OMeTAD/CH

（1）将透明导电玻璃分别在将PEN薄膜分别在去离子水、乙醇、丙酮等溶液中超声清洗15 min，在氮气气氛下吹干。

（2）在1 mL无水乙腈里溶解0.5（单位）的Li-TFSI粉末。取80 mg的Spiro-OMeTAD粉末，溶解进1mL的氯苯中搅拌均匀。再将两者混合后旋涂在FTO导电玻璃上。

（3）将PbI

（4）将SnO

（5）将上述样品转移到磁控溅射样品室，将反应室的气压抽至低真空后，开启样品台旋转，在高纯氮气气氛下采用直流溅射方式开始生长籽晶层5 Ag，使用脉冲电射方式溅射功率为50 W，温度150 ℃，时间为20 s，得到籽晶层5。籽晶层5 Ag平均厚度为5 nm，薄膜最低点厚度为4 nm,薄膜最高点厚度为8 nm。制备籽晶层5可避免Au在蒸发镀膜过程只形成岛状结构的膜。

（6）将上述样品转移到真空热蒸发镀膜机中，使用纯度为99.99%长度为20 mm的金丝进行蒸镀，冷却后取出。使用蒸发镀金避免了长时间对衬底施加高温而影响钙钛矿层的结构，进一步影响太阳电池效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。