一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池及其制备方法

技术领域

本发明属于叠层电池技术领域，更具体地，涉及一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，由于其直接利用光能转化成电能，在能量转化的过程中不产生污染物，是一种新型的清洁能源，具有广阔的应用前景。但是，目前的太阳能电池例如硅太阳能电池，铜铟镓硒太阳能电池和有机太阳能电池等普遍存在光电转换效率低、成本高、污染严重等问题。

单节平板钙钛矿太阳能电池光电转化效率已经达到了26.1％，进一步接近了理论效率极限，但是普通的钙钛矿太阳能电池仅仅吸收利用太阳能中的可见光(波长＜800nm)，太阳能中很大一部分能量最终以热能的形式散发掉，对太阳能的利用率较低，同时太阳能电池在工作过程中会持续产生热量，降低电池光电转化效率，热能对器件性能尤其是对器件的稳定性和寿命有很大的影响。

太阳能电池串联热电器件形成的叠层电池可以将产生的热量利用起来转化为电能，同时及时转移太阳能电池产生的热量，提高器件的工作稳态效率。然而，钙钛矿平板太阳能电池很薄(1～2μm)，传统的连接方法是用导热胶直接在太阳能电池上面连接热电器件，这样极其容易破坏底层的钙钛矿太阳能电池，从而影响整个叠层电池的效率，甚至使叠层电池直接被破坏。因此如何在不破坏平板钙钛矿太阳能电池结构的情况下将热电器件和平板钙钛矿太阳能电池有效的集成起来是需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池及其制备方法，其目的在于提供了一种有效的集成热电器件和平板太阳能电池的方法，将平板太阳能电池产生的热量利用起来转化为电能，同时及时转移太阳能电池产生的热量，提高器件的工作稳态效率，最大化利用太阳能，同时尽可能的避免太阳能电池在连接热电器件过程中被破坏，提高制备叠层电池的良品率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池制备方法，其特征在于，所述方法包括：在碳电极的一端旋涂一层导电导热胶后热压到热电器件上或将金属电极的一端蒸镀到热电器件上，在所述碳电极或金属电极的另一端依次旋涂第一传输层、钙钛矿层、第二传输层和透明电极层。

优选的，所述碳电极为氨基化碳电极，所述导电导热胶为丙烯酸酯类胶，所述碳电极中的氨基与所述导电导热胶中的酯基形成氢键连接。

优选的，所述丙烯酸酯类胶包含甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸-2-乙基己酯中的任一种或多种。

优选的，所述金属电极为金、银、铜或铝中的任一种；所述金属电极蒸镀厚度为60～150nm。

优选的，所述热压温度为30～80℃，热压时间为10s～30s。

优选的，所述丙烯酸酯类胶惨杂有银粉，所述银粉的含量为5～20％。

优选的，所述第一传输层为电子传输层，所述第二传输层为空穴传输层，或，所述第一传输层为空穴传输层，所述第二传输层为电子传输层。

优选的，所述电子传输层为SnO

优选的，所述热电器件包含n型半导体Bi

按照本发明的另一方面，还提供了一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池，所述叠层电池包括在热电器件热端依次层叠的碳电极或金属电极、第一传输层，钙钛矿层、第二传输层、透明电极层，所述碳电极的通过导电导热胶热压到热电器件上，所述金属电极通过蒸镀到热电器件上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明提供的一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池及其制备方法，针对目前钙钛矿太阳能电池和热电器件集成困难的问题，通过在热电器件上面原位制备平板型钙钛矿太阳能电池，克服了传统方法中将两种器件用粘连起来导致钙钛矿太阳能电池被破坏的缺陷，提高了叠层电池制备的良品率。

2.本发明提供的一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池及其制备方法，采用钙钛矿太阳能电池碳电极的氨基与导热胶酯基发生的氢键作用或者蒸镀金属电极的工艺来提高钙钛矿太阳能电池电极层与热电器件的相互作用，增加太阳能电池和热电电池界面之间的接触性，防止界面之间孔隙的存在，减少界面损耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的p型和n型串联的热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的叠层电池示意图；

图2是本发明实施例提供的p型和n型串联的热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的叠层电池示意图；

图3是本发明实施例提供的单节热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的正式叠层电池示意图；

图4是本发明实施例提供的单节热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的正式叠层电池示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池制备方法，所述方法包括：

当电极层为碳电极时，在碳电极的一端旋涂一层导电导热胶后热压到热电器件上，热压温度为30～80℃，热压时间为10s～30s。然后再碳电极的另一端依次旋涂第一传输层、钙钛矿层、第二传输层和透明电极层。

碳电极优选为氨基化碳电极，导电导热胶优选为为丙烯酸酯类胶，丙烯酸酯类胶包含甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸-2-乙基己酯中的任一种或多种。优选的，丙烯酸酯类胶惨杂有银粉，所述银粉的含量为5～20％。

碳电极中的氨基基团和导热导电胶中的酯基反应形成氢键作用，能够提高太阳能电池和热电电池界面之间的接触性，提高界面的导电性和导热性，提高载流子在界面处的传输，从而提高叠层电池的转化效率，同时热压工艺可以保证碳膜表面的平整。

当电极层为金属电极时，在热电器件上直接蒸镀一层金属电极，接着依次旋涂第一传输层、钙钛矿层、第二传输层和透明电极层。

优选的，金属电极为金、银、铜或铝中的任一种；所述金属电极蒸镀厚度为60～150nm。采用金属电极直接一步法蒸镀到热电器件热端，实现无界面阻抗的连接方式，有利于直接真正的将太阳能电池和热电电池集成为一个集成叠层电池，最大化的降低界面损耗。

在本发明的实施例中，第一传输层为电子传输层，第二传输层为空穴传输层，或，第一传输层为空穴传输层，第二传输层为电子传输层。

优选的，电子传输层为SnO2、PC61BM中的任一种，空穴传输层为Spiro-OMeTAD、PTAA、氧化镍中的任一种。

优选的，透明电极层为ITO；

优选的，电子传输层为SnO2或者PC61BM；

优选的，钙钛矿层为FAPbI3、(MAPbBr3)x(FAPbI3)1-x、MAPbI3中的任一种。

本发明的热电器件包含p型热电结构和n型热电结构，可以是单节的p型或n型热电结构，也可以是多节p型或n型热电结构交错串联。如图1和图2所示，是在p型和n型串联的热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的叠层电池示意图。

叠层电池分为正式叠层电池和反式叠层电池，正式叠层电池结构为钙钛矿太阳能电池n-i-p型，p型热电半导体与中间层电极直接接触；反式叠层电池结构为钙钛矿太阳能电池为p-i-n型，n型热电半导体与中间层电极直接接触。如图3所示是单节热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的正式叠层电池示意图，如图4所示是单节热电结构上原位制备平板太阳能电池得到的反式叠层电池示意图。

下面通过具体的实施例进一步说明本发明提供的一种热电器件上原位制备平板太阳能电池的叠层电池制备方法。

实施例1

(1)制备热电器件结构，将p型半导体Bi2Te3和n型半导体Bi2Te3采用铜线连接起来，形成电串联结构，用导电胶固定在底板和顶板上，顶板露出单个半导体Bi2Te3，连接铜片，使得铜片表面和顶板表面位于相同高度，利用热蒸发工艺在其表面蒸镀一层致密的金电极，厚度为100nm；

(2)配制spiro-OMeTAD溶液，72.3mg的spiro-OMeTAD溶解于1mL的氯苯溶剂里，加入18μL的Li盐溶液(520mg/mL的乙腈溶液)和29μL的tBP，震荡充分溶解；配置钙钛矿溶液：1.4M的FAI，30％的MACl和1.5M的PbI2溶解在1mL的DMF/DMSO＝4/1的溶剂中，震荡充分溶解；将Au电极采用UV-Vis处理10min后，旋涂spiro溶液，然后采用反溶剂法制备钙钛矿层，100℃退火20min后，采用原子沉积方法沉积20nm厚的SnO2,最后离子溅射一层60nm厚度的ITO，形成了两端太阳能电池-热电器件叠层电池，测得其效率为27.3％。

实施例2

(1)制备热电器件结构，将p型半导体Bi2Te3和n型半导体Bi2Te3采用铜线连接起来，形成电串联结构，用导电胶固定在底板和顶板上，顶板露出单个半导体Bi2Te3，连接铜片，使得铜片表面和顶板表面位于相同高度，在碳膜上面旋涂一层3nm厚的导电导热胶，50℃热压到铜片与顶板的水平表面上，厚度为100nm。

(2)配制PTAA溶液，15mg的PTAA溶解于1mL的氯苯溶剂里，震荡充分溶解；配置钙钛矿溶液：1.4M的FAI，30％的MACl和1.5M的PbI2溶解在1mL的DMF/DMSO＝4/1的溶剂中，震荡充分溶解；将碳电极采用UV-Vis处理15min后，4000rpm速度旋涂PTAA溶液，100℃退火5min后，然后采用反溶剂法制备钙钛矿层，100℃退火30min后，采用原子沉积方法沉积25nm厚的SnO2,最后离子溅射一层70nm厚度的ITO，形成了两端太阳能电池-热电器件叠层电池，测得其效率为25.2％。

实施例3

(1)制备反式结构的钙钛矿太阳能电池，将p型半导体Bi2Te3采用碳电极连接起来，形成电串联结构，底部使用金属Au、Ag、Al电极等。

(2)反式结构钙钛矿太阳能电池制备。配制PTAA溶液，15mg的PTAA溶解于1mL的氯苯溶剂里，震荡充分溶解；配置钙钛矿溶液：1.4M的FAI，30％的MACl和1.5M的PbI2溶解在1mL的DMF/DMSO＝4/1的溶剂中，震荡充分溶解；将碳电极采用UV-Vis处理15min后，4000rpm速度旋涂PTAA溶液，100℃退火5min后，然后采用反溶剂法制备钙钛矿层，100℃退火30min后，采用原子沉积方法沉积25nm厚的SnO2,最后离子溅射一层70nm厚度的ITO，形成了两端太阳能电池-热电器件叠层电池，测得其效率为25.2％。

实施例4

(1)制备正式结构的钙钛矿太阳能电池，将N型半导体Bi2Te3采用碳电极连接起来，形成电串联结构，底部使用金属Au、Ag、Al电极等。

(2)正式结构钙钛矿太阳能电池的制备。配制spiro-OMeTAD溶液，72.3mg的spiro-OMeTAD溶解于1mL的氯苯溶剂里，加入18μL的Li盐溶液(520mg/mL的乙腈溶液)和29μL的tBP，震荡充分溶解；配置钙钛矿溶液：1.4M的FAI，30％的MACl和1.5M的PbI2溶解在1mL的DMF/DMSO＝4/1的溶剂中，震荡充分溶解；将Au电极采用UV-Vis处理10min后，旋涂spiro溶液，然后采用反溶剂法制备钙钛矿层，100℃退火20min后，采用原子沉积方法沉积20nm厚的SnO2,最后离子溅射一层60nm厚度的ITO，形成了两端太阳能电池-热电器件叠层电池，测得其效率为27.3％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。