一種可拉伸有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池結構及制備方法
【專利摘要】本發明涉及太陽能電池，特指一種可拉伸有機?無機雜化鈣鈦礦太陽電池及制備方法。首先是在拉伸的橡膠襯底上鋪有序碳納米管，然后在其上沉積氧化鈦或氧化鋅層，隨之沉積一層鈣鈦礦結構CH3NH3PbI3，最后沉積透明導電膜；其中，氧化鋅或氧化鈦層利用原子層沉積方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制；鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3通過溶液法或共蒸發方法制備；透明導電膜利用旋涂法旋涂銀納米線。利用褶皺結構，實現可拉伸功能，利用原子層沉積方法沉積的氧化鈦或氧化鋅薄膜完整包覆碳納米管，降低電子界面復合，提高電子效率，利用銀納米線而非導電氧化物作為透明導電層，可以提高電池的拉伸壽命。
【專利說明】
一種可拉伸有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池結構及制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及太陽能電池，特指一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池及制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，作為可再生清潔能源，太陽能發展迅速，而太陽電池是利用太陽能的一種有效方式。由于優異的光吸收特性和載流子傳輸能力，以及相對簡單的制備方法，具有立體三維結構的有機-無機雜化鈣鈦礦晶體材料在太陽電池中的應用受到越來越多的關注。在這種鈣鈦礦結構(ABX3)中A—般為甲胺基CH3NH3，CH3NH2NH3+和NH2CH-NH2+也有報道;B多為金屬Pb原子，金屬Sn也有少量報道;X為Cl、Br、I等鹵素單原子或混合原子。鈣鈦礦型太陽能電池(perovskite solar cells)，是利用|丐鈦礦型的有機金屬齒化物半導體作為吸光材料的太陽能電池。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3),它的帶隙約為1.5eV。基于CH3NH3PbI3的太陽電池的最高光電轉化效率已超20 %。鈣鈦礦太陽能電池由上到下分別為玻璃、FT0、電子傳輸層(ETM)、鈣鈦礦光敏層、空穴傳輸層(HTM)和金屬電極。其中，電子傳輸層一般為致密的T12納米顆粒，以阻止鈣鈦礦層的載流子與FTO中的載流子復合。通過調控T12的形貌、元素摻雜或使用其它的η型半導體材料如ZnO等手段來改善該層的導電能力，以提高電池的性能。特別地，鈣鈦礦還可以同時作為吸光和電子傳輸材料或者同時作為吸光和空穴傳輸材料。這樣，就可以制造不含HTM或ETM的鈣鈦礦太陽能電池。
[0003]另一方面，世界各地越來越多的科學家正在開發可穿戴設備，要讓可穿戴設備變得像智能手機、平板一樣流行，電池必須更小，續航時間必須更長，而且它還必須更輕薄更有彈性。雖然以前的研究已經創造了可彎曲的電池，但是事實證明人們又發現了更具挑戰性的新任務，制造可拉伸太陽電池。有報道在橡膠上利用碳管和高分子材料制備可拉伸太陽電池，但其拉伸范圍非常有限。本發明是利用褶皺結構實現大拉伸。利用銀納米線改善碳管的導電性，利用低溫原子層沉積技術在碳電極上制備致密氧化鈦納米薄膜。利用溶液法制備有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜，最后利用蒸發方法制備金電極。實現大范圍可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦電池的制備。
【發明內容】
[0004]本發明提出一種新的可拉伸電池結構和制備方法，首先是在拉伸的橡膠襯底上鋪有序碳納米管，然后在其上沉積氧化鈦或氧化鋅層，隨之沉積一層有機-無機雜化鈣鈦礦結構CH3NH3Pb 13，最后沉積透明導電膜;其中，氧化鋅(ZnO)或氧化鈦(T i O2)層利用原子層沉積(ALD)方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制;鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3可以通過溶液法或共蒸發方法制備;透明導電膜利用旋涂法旋涂銀納米線。
[0005]電池的特點在于利用褶皺結構，實現可拉伸功能。利用原子層沉積方法沉積的氧化鈦或氧化鋅薄膜完整包覆碳納米管，降低電子界面復合，提高電子效率。利用銀納米線而非導電氧化物作為透明導電層，可以提高電池的拉伸壽命。
[0006]—種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池，所述太陽能電池從下至上依次為橡膠襯底，碳納米管，η型層、有機-無機雜化鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3層、透明電極，其特征在于;在橡膠襯底上形成裙皺結構。
[0007]碳納米管沿橡膠襯底的拉伸方向位于橡膠襯底上的裙皺結構中。
[0008]所述橡膠襯底包括氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS膜和聚二氧基硅氧烷PDMS膜。
[0009]所述的碳納米管為有序結構碳納米管，碳管所鋪層數50-200層。
[0010]所述的η型層為氧化鈦或氧化鋅層，層厚為5-15nm。
[0011 ] 所述的鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3層的層厚為300-500nm。
[0012]所述透明電極為銀納米線，方塊電阻是10-20 Ω，透過率為80-90%。
[0013]—種可拉伸鈣鈦礦結構太陽能電池的制備方法，包括在預拉伸橡膠襯底上沿拉伸方向鋪50-200層有序排列的碳納米管的步驟，再在碳納米管上沉積η型層的步驟，然后再在η型層上沉積一層雜化鈣鈦礦結構CH3NH3PbI3的步驟，最后在雜化鈣鈦礦結構CH3NH3PbI3層上沉積透明導電層的步驟。
[0014]所述橡膠襯底拉伸后的長度為未拉伸橡膠襯底的150-400%。
[0015]所述的氧化鋅或氧化鈦層利用原子層沉積方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制。
[0016]所述的鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3層通過溶液法或共蒸發方法制備。
[0017]所述的透明導電膜銀納米線通過溶液旋涂方法制備。
[0018]實現本發明的技術方案為:
[0019]選擇可拉伸的橡膠作為襯底材料。
[0020]1、將有序碳納米管鋪在預拉伸的橡膠上，所鋪碳管方向和橡膠拉伸方向一致。碳管所鋪層數50-200層。
[0021 ] 2、利用ALD方法在碳納米管上沉積5-15nm厚的ZnO或T12層。
[0022 ] 3、利用溶液方法沉積300-500nm厚的CH3NH3Pb 13層。
[0023]4、利用溶液方法旋涂銀納米線，方塊電阻是10-20 Ω，透過率為80_90%。
【具體實施方式】
[0024]實施例1
[0025]1、選擇苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)橡膠膜為襯底材料。
[0026]2、在拉伸200%的橡膠襯底上鋪60層碳納米管，碳管的有序方向和拉伸方向保持一 Sc ο
[0027]3、利用ALD技術生長1nm厚的ZnO層
[0028]沉積條件:反應溫度2000C，在反應腔室通入Zn(CH2CH3)2(DEZ)Is，氮氣清洗1.5s,通水500ms，氮氣清洗I s，重復上述過程100次。
[0029]4、CH3NH3PbI3鈣鈦礦層的制備
[0030](I)CH3NH3I異丙醇溶液配制
[0031]將盛有20ml甲胺的圓底燒瓶放置在0°C的冰水中，將22ml氫碘酸邊滴加邊攪拌進燒瓶中，滴加完成后繼續冰水浴中攪拌2h，形成無色透明的CH3NH3I溶液;溶液用旋轉蒸發器烘干，然后用乙醚洗滌干凈，得到白色的CH3NH3I晶體，將定量的CH3NH3I晶體溶在異丙醇中，溶液濃度為10mg/ml。
[0032](2)PbI2溶液的配備
[0033 ]將適量的淡黃色Pb 12粉末在冰水浴中加到DMF (N.N-二甲基甲酰胺)中，然后加熱到70°C將PbI2粉末溶解，得到淡黃色PbI2溶液，溶液濃度為lmol/L.
[0034](3)PbI2 膜的制備
[0035]在手套箱中，將淡黃色PbI2溶液旋涂到ZnO致密層上，70°C下烘lOmin，得到亮黃色的Pbl2層。
[0036](4)完成CH3NH3PbI3鈣鈦礦層的制備
[0037]然后將已經旋涂好的基底浸入到CH3NH3I溶液中20s，基底顏色迅速的從亮黃色變為棕黑色，取出后放到干凈的異丙醇中，洗去多余的CH3NH3I,最后放置在70°C中烘lOmin，得到厚度為400nm的CH3NH3PbI3鈣鈦礦層。
[0038]5、利用旋涂方法在CH3NH3PbI3鈣鈦礦層上旋涂一層1nm厚的銀納米線層。實施效果:最后進行電池的性能測試，在AMl.5，lOOmW/cm2標準光強的照射下，橡膠襯底松弛情況下，太陽電池樣品的開路電壓0.98V，短路電流9.7mA，填充因子0.55，效率為5.23 % ;當橡膠拉伸到原長的200%時，電池效率為5.02%。
[0039]實施例2
[0040]1、選擇苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)橡膠膜為襯底材料。
[0041 ] 2、在拉伸300%的橡膠襯底上鋪60層碳納米管，碳管的有序方向和拉伸方向保持一 Sc ο
[0042]3、利用ALD技術生長1nm厚的T12層
[0043]水和四異丙醇鈦作為源，在基底上生長1nm厚的致密的Ti02層;生長工藝為:鈦源加熱溫度70°C，腔室反應溫度270°C。通鈦源Is，氮氣吹掃5s，通水汽200ms，氮氣吹掃2s，完成一個循環，共需160循環。
[0044]4、共蒸發制備CH3NH3PbI3鈣鈦礦層
[0045]將1mgCH3NH3I晶體和1mgPbI粉末分別放入兩個鎢舟中，給兩個鎢舟同時加熱，本底真空I X 10—4Pa,加熱電極電流是25A，在T12層上沉積500nm厚的CH3NH3PbI3鈣鈦礦層；襯底加熱溫度80 0C，沉積時間1min。
[0046]5、與實施例1中步驟4相同。
[0047]實施效果:最后進行電池的性能測試，在AMl.5，100mW/cm2標準光強的照射下，橡膠襯底松弛情況下，太陽電池樣品的開路電壓0.95V，短路電流11.5mA，填充因子0.68，效率為7.53%，當橡膠拉伸到原長的200%時，電池效率為7.12%。
【主權項】
1.一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池，所述太陽能電池從下至上依次為可拉伸的橡膠襯底，碳納米管，η型層、有機-無機雜化鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3層、透明電極，其特征在于:在橡膠襯底上形成褶皺結構。2.如權利要求1所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:碳納米管沿橡膠襯底的拉伸方向位于橡膠襯底上的褶皺結構中。3.如權利要求1所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:所述橡膠襯底包括氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS膜和聚二氧基硅氧烷PDMS膜。4.如權利要求1或2所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:所述的碳納米管為有序結構碳納米管，碳管所鋪層數50-200層。5.如權利要求1所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池，其特征在于:所述的η型層為氧化鈦或氧化鋅層，層厚為5-15nm;所述的鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3層的層厚為300-500nm；所述透明電極為銀納米線，方塊電阻是10_20 Ω，透過率為80-90 %。6.如權利要求1所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于具體步驟如下:在預拉伸橡膠襯底上沿拉伸方向鋪50-200層有序排列的碳納米管，再在碳納米管上沉積η型層，然后再在η型層上沉積一層雜化|丐鈦礦結構QfeNifePbL.，最后在雜化鈣鈦礦結構CH3NH3PbI3層上沉積透明電極。7.如權利要求6所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述橡膠襯底拉伸后的長度為未拉伸橡膠襯底的150-400 %。8.如權利要求6所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述的η型層利用原子層沉積方法制備，該方法可以制備出非常致密的氧化物，并且膜厚可以準確控制。9.如權利要求6所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述的鈣鈦礦結構的CH3NH3PbI3層通過溶液法或共蒸發方法制備。10.如權利要求6所述的一種可拉伸有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池的制備方法，其特征在于:所述的透明電極通過溶液旋涂方法制備。
【文檔編號】H01L51/42GK106058045SQ201610201640
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月1日 公開號201610201640.8, CN 106058045 A, CN 106058045A, CN 201610201640, CN-A-106058045, CN106058045 A, CN106058045A, CN201610201640, CN201610201640.8
【發明人】丁建寧, 袁寧一, 程廣貴
【申請人】常州大學, 江蘇大學