一种电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法与流程

本发明涉及钙钛矿太阳能电池技术领域，特别是涉及一种电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法。

背景技术：

近年来，随着人类社会的不断进步，对于能源的需求不断增加，传统化石能源的增加探明储量低于消耗量，造成能源危机，而大量使用化石能源造成环境污染，使得能源短缺与环境污染这两大问题已经严重威胁到了社会与经济的发展，成为世界各国关注的焦点。因此，各国都在着力探索和打造自己的新能源，而太阳能电池作为一种清洁可再生的能源，能很好地同时解决能源危机和环境污染两大难题，具有很广阔的发展前景。但是，太阳能电池的发电成本还是较传统的化石能源的发电成本高，因此，研发高效率低成本的新型太阳能电池是实现太阳能广泛应用的技术基础。

钙钛矿太阳能电池是一种由有机材料和无机材料组合成的新型太阳能电池，和单晶硅、多晶硅、薄膜太阳能电池一样，都是将太阳能转化为电能的装置。和其它种类的太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的成本低、制造便宜、具有柔韧性。但是由于存在稳定性差的问题，始终停留在研究领域，没有在市场上大范围应用。

但是，随着科学技术的不断发展和进步，钙钛矿太阳能电池的发展逐渐加速，其中有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池自2009年以来，其电池转换效率以惊人的速度从3.8％提高到22.1％。

其中，碳基钙钛矿太阳能电池是在这领域中的研究热点之一，其稳定性好。而制备这类碳基钙钛矿太阳电池通常采用湿法刻蚀的方法将导电玻璃作为两块不同电极区域，中间刻蚀区域为绝缘区域，两边为导电区。但若刻蚀时间控制不当，容易发生过度刻蚀而导致导电玻璃的方块电阻增大以及影响到电池光电性能等一系列问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，采用电极拼接的方式替代湿法刻蚀导电玻璃，解决了电池制作器件湿法刻蚀导电玻璃所带来的难控性问题，减少操作方面的麻烦，工艺简单，制作成本低。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，包括：

通过机械切割获得去除边缘导电膜的导电玻璃；

多块所述导电玻璃通过胶黏层在玻璃基板上拼接；

在所述导电玻璃的上表面的预定区域从下到上依次沉积空穴阻挡层、钙钛矿吸光层作为电池片光阳极；

在所述导电玻璃的上表面设置导电碳膜作为电池片光阴极；

所述导电碳膜与所述钙钛矿吸光层连接，所述电池片的光阴极与相邻的前一所述电池片或后一所述电池片的光阳极的导电玻璃连接。

其中，所述空穴阻挡层的沉积方法包括：

采用耐高温胶带保护所述导电玻璃的光阳极引出电极区域；

在所述导电玻璃上旋涂TiO₂溶胶，并静置5min～10min；

将所述旋涂TiO₂溶胶的导电玻璃在95℃～100℃下干燥5min～10min；

对干燥后的所述导电玻璃在490℃～500℃下高温烧结，获得TiO₂致密层作为空穴阻挡层。

其中，所述TiO₂致密层的厚度为100nm～200nm。

其中，所述钙钛矿吸光层的沉积方法，包括：

在所述TiO₂致密层上用乙醇稀释后的TiO₂浆料通过旋涂法制作TiO₂介孔层；

取1mmol～1.2mmol PbI₂，溶于DMF溶剂中，在80℃～90℃水浴中密封磁力搅拌30min～32min，配成1.0mol/L～1.2mol/L的A液；

将所述A液滴在所述介孔层上，静置15s～20s后进行旋涂，根据所需厚度来控制旋涂次数，每次旋涂后静置5min～10min，并在90℃～100℃下干燥15min～20min后得到均匀平整的PbI₂薄膜；

将所述PbI₂薄膜放置在7mg/mL～10mg/mL溶剂为异丙醇的CH₃NH₃I溶液中静置；

静止预定反应时间后取出后，将反应后的所述PbI₂薄膜置于90℃～100℃下干燥15min～20min，得到钙钛矿薄膜。

其中，所述钙钛矿吸光层的厚度为300nm～500nm。

其中，所述导电碳膜的厚度为10μm～25μm。

其中，所述导电玻璃为镀掺氟氧化锡导电膜的导电玻璃。

其中，所述导电玻璃的厚度为1mm～2.3mm。

其中，所述玻璃基板的厚度为1mm～1.2mm。

其中，所述胶黏层为双面胶层或环氧树脂层。

本发明实施例所提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，包括：

通过机械切割获得去除边缘导电膜的导电玻璃；

多块所述导电玻璃通过胶黏层在玻璃基板上拼接；

在所述导电玻璃的上表面的预定区域从下到上依次沉积空穴阻挡层、钙钛矿吸光层作为电池片光阳极；

在所述导电玻璃的上表面设置导电碳膜作为电池片光阴极；

所述导电碳膜与所述钙钛矿吸光层连接，所述电池片的光阴极与相邻的前一所述电池片或后一所述电池片的光阳极的导电玻璃连接。

所述电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，通过机械切割的方式进行导电玻璃切割，获得需要尺寸的导电玻璃，切割过程中去掉了边缘的导电膜，绝缘了相邻的光阳极和光阴极，然后进行电极拼接，避免了湿法刻蚀导电玻璃带来的难控性问题，降低了工艺难度。同时，电池的光阳极与光阴极可分别独立制作，降低了电池制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；

图2为采用本发明实施例提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法制备的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池的一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-2，图1为本发明实施例提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；图2为采用本发明实施例提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法制备的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池的一种结构示意图。

在一种具体实施方式中，所述电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，包括：

步骤1，通过机械切割获得去除边缘导电膜的导电玻璃3；

步骤2，多块所述导电玻璃3通过胶黏层2在玻璃基板1上拼接；

步骤3，在所述导电玻璃3的上表面的预定区域从下到上依次沉积空穴阻挡层4、钙钛矿吸光层5作为电池片光阳极；

步骤4，在所述导电玻璃3的上表面设置导电碳膜作为电池片光阴极；

步骤5，将所述导电碳膜与所述钙钛矿吸光层5连接，所述电池片的光阴极与相邻的前一所述电池片或后一所述电池片的光阳极的导电玻璃3连接。

所述电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，通过机械切割的方式进行导电玻璃3切割，获得需要尺寸的导电玻璃3，切割过程中去掉了边缘的导电膜，绝缘了相邻的光阳极和光阴极，然后进行电极拼接，避免了湿法刻蚀导电玻璃3带来的难控性问题，降低了工艺难度。同时，电池的光阳极与光阴极可分别独立制作，降低了电池制作成本。同时，如果在拼接过程中发现有电池不能正常工作，可以直接拆除，换上新的电池片，由于每一片电池片的结构都相同，采用直接替换即可，光阳极区或光阴极区损坏直接替换即可，简单方便，成本低。

在本发明中，电池片的光阳极的制作与光阴极的制作互不影响，只要在各自制作完成之后进行电极拼接即可，大大降低了工艺难度和制作成本。

前期都是先将切割好的导电玻璃3设置在玻璃基板1上，然后光阳极部分沉积空穴阻挡层4、钙钛矿吸收层，而光阴极部分设置导电碳膜，然后将光阴极覆盖在光阳极上，导电碳膜与钙钛矿吸收层连接，光阴极部分与下一电池片或上一电池片延伸或外露的导电玻璃3连接，实现相邻电池片的串联，制作工艺简单，制作成本低。

本发明中，将导电玻璃3中设置有导电膜的一面定义为导电玻璃3的上表面。

本发明对机械切割导电玻璃3过程中，使用什么机械，如何切割不做具体限定，可以是利用机械切割的低切割精度，进行切割，也可以是利用将切割面向导电玻璃3内侧倾斜的方式，使得切割获得的导电玻璃3的侧面不是与地面垂直，而是与地面成一锐角，使得在电极拼接过程中，相邻的导电玻璃3边缘的导电膜有一定的间距，实现自然绝缘。

需要说明的是，在本发明中，除了可以采用导电碳膜作为空穴传输层外，还可以采用其它材质的空穴传输层，本发明对此不作具体限定。

由于在本发明中，是采用电极拼接的方式，将相邻的两块钙钛矿太阳能电池拼接起来，包括光阳极的拼接，也包括光阴极的拼接，在将光阳极部分制作完成之后，空穴阻挡层4、钙钛矿吸光层5沉积在同一块作为光阳极的导电玻璃3上，相邻的两块钙钛矿太阳能电池的光阳极直接进行拼接，由于作为光阳极的导电玻璃3在机械加工过程中边缘的导电膜被破坏，这样相邻的两块钙钛矿太阳能电池的光阳极被绝缘。

而同样的，对于光阴极的拼接方式与光阳极类似，将相邻的两块钙钛矿太阳能电池的光阴极拼接起来。

本发明中的电池拼接可以是以一定的间距将导电玻璃3设置在玻璃基板上，但是为了减少空间浪费，提高空间利用效率，尽量减少导电玻璃之间的间距。

将两块导电玻璃3设置在玻璃基板1上，采用商业导电碳浆通过玻璃棒和胶带辅助刮涂的方式在两块导电玻璃3的目标区域内设置导电碳膜。当然，也可以采用某些特殊的方式，直接在导电玻璃3上设置导电碳膜，导电碳膜与导电玻璃3上的导电膜由于特殊的关系结合，而没有导电膜的区域导电碳膜与玻璃结合力较差，可以通过清洗等方式将两块导电玻璃3的结合处的导电碳膜去掉。或者可以采用在设置导电碳膜时，设置有导电玻璃3的基板放置在特殊的模板下，采用模板将导电玻璃3中不需要设置导电碳膜的位置遮挡，这样设置的导电碳膜就只会被设置在作为光阴极的导电玻璃3的指定区域。

本发明中的导电碳膜的作用是作为空穴传输层，提高空穴到光阴极的效率，所述导电碳膜的厚度一般为10μm～25μm。

当然，还可以通过其它的制作方式制作导电碳膜，本发明对导电碳膜的厚度以及制作方式不作具体限定。

在本发明中，还可以使用其它的空穴传输层设置在光阴极，本发明对此不作具体限定。

通过光阳极、光阴极的独立制作，无需像现有技术中一样，制作光阳极与光阴极有前后顺序，只要以预定的尺寸参数制作，最后就可以直接进行电极拼接连接，这样会大大的提高制作效率，降低制造成本。

本发明中空穴阻挡层4一般使用TiO₂致密层，所述空穴阻挡层4的沉积方法包括：

采用耐高温胶带保护所述导电玻璃3的光阳极引出电极区域；

在所述导电玻璃3上旋涂TiO₂溶胶，并静置5min～10min；

将所述旋涂TiO₂溶胶的导电玻璃3在95℃～100℃下干燥5min～10min；

对干燥后的所述导电玻璃3在490℃～500℃下高温烧结，获得TiO₂致密层作为空穴阻挡层4。

所述TiO₂致密层的厚度为100nm～200nm。

光阳极的引出电极是为了与前一个电池或后一个电池的光阴极连接，在发明中采用耐高温胶带进行保护是为了使得该区域不进行后需的空穴阻挡层4、钙钛矿吸收层的沉积，或者是在沉积之后，将耐高温胶带去掉即可。在本发明中，除了使用耐高温胶带进行保护之外，还可以使用其它的方式进行保护，本发明对此不作具体限定。

需要指出的是，本发明对空穴阻挡层4的材质、厚度、致密度以及沉积工艺不做具体限定，空穴阻挡层4的作用是为了防止钙钛矿吸光层5中的空穴向光阳极扩散，本发明中还可以使用其它的空穴阻挡层4。

而对于钙钛矿吸光层的沉积方法，一般使用下述方法，包括：

在所述TiO₂致密层上用乙醇稀释后的TiO₂浆料通过旋涂法制作TiO2介孔层；

取1mmol～1.2mmol PbI₂，溶于DMF溶剂中，在80℃～90℃水浴中密封磁力搅拌30min～32min，配成1.0mol/L～1.2mol/L的A液；

将所述A液滴在所述介孔层上，静置15s～20s后进行旋涂，根据所需厚度来控制旋涂次数，每次旋涂后静置5min～10min，并在90℃～100℃下干燥15min～20min后得到均匀平整的PbI₂薄膜；

将所述PbI₂薄膜放置在7mg/mL～10mg/mL溶剂为异丙醇的CH3NH3I溶液中静置；

静止预定反应时间后取出后，将反应后的所述PbI₂薄膜置于90℃～100℃下干燥15min～20min，得到钙钛矿薄膜。

通过设置TiO₂介孔结构作为电子传输层，提高钙钛矿吸光层5中的电子传输到光阳极，增加扩散距离，减少复合，提高光吸收效率。

钙钛矿吸光层的厚度一般为300nm～500nm。

需要指出的是，在本发明中是采用低温的方法制作TiO₂介孔结构，还可以采用高温的方法制作TiO₂介孔结构，只是制作的工艺成本不同，在本发明中并不限定于采用上述的方法制作钙钛矿吸光层，对钙钛矿吸光层的类型和厚度不做具体限定。

在本发明中，钙钛矿吸光层5一般是将空穴阻挡层4遮挡，避免空穴阻挡层4直接与光阴极6的导电碳膜接触，形成漏电。

在一种具体实施方式中，所述导电玻璃3为镀掺氟氧化锡导电膜的导电玻璃3。

导电玻璃3的厚度一般为1mm～2.3mm。这里的导电玻璃3的厚度是指玻璃部分和导电膜的总和。

需要指出的是，本发明对导电玻璃3的厚度以及导电玻璃3的导电膜的厚度、类型和沉积方式不做具体限定。

所述玻璃基板1的厚度一般为1mm～1.2mm。

导电玻璃3与玻璃基板1通过胶黏层2连接，玻璃基板1的作用是固定导电玻璃3，所述胶黏层2为双面胶层或环氧树脂层，双面胶也可以为普通双面胶、也可以为耐高温双面胶。当然，在本发明中，还可以采用其它的胶黏层2连接导电玻璃3与玻璃基板1，本发明对其厚度和类型不做具体限定。

在一种具体实施方式中，玻璃基板厚度为1.2mm，导电玻璃3的厚度为2.2mm，TiO₂致密层厚度为125nm，钙钛矿吸光层厚度为350nm，导电碳膜厚度为20μm。

在另一个实施例中，碳基钙钛矿型太阳能电池的结构为：玻璃基板厚度为1.1mm，透明导电玻璃3厚度为2.2mm，TiO₂致密层厚度为150nm，钙钛矿吸光层厚度为435nm，导电碳膜厚度为20μm。

在另一个实施例中，碳基钙钛矿型太阳能电池的结构为：玻璃基板厚度为1.0mm，透明导电玻璃3厚度为2.2mm，TiO₂致密层厚度为200nm，钙钛矿吸光层厚度为490nm，导电碳膜厚度为20μm。

综上所述，本发明实施例提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法，通过将机械切割的方式切割的导电玻璃进行电极拼接，替换现有技术中采用湿法刻蚀导电玻璃，有效绝缘光阴极层和光阳极层，避免了电池制作器件采用湿法刻蚀导电玻璃带来的难控性问题，降低了工艺难度，光阴极层的下表面设置导电碳膜作为空穴传输层，降低了电池制作成本。

以上对本发明所提供的电极拼接式碳基钙钛矿太阳能电池制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。