CN113258006B - 一种含有栅线的钙钛矿电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有栅线的钙钛矿电池结构，属于钙钛矿太阳能薄膜电组件领域，从下至上依次包括玻璃基板、透明导电薄膜、第一传输层和钙钛矿吸收层、第二传输层和金属电极层，玻璃基板上与透明导电薄膜接触的一面开设有凹槽，凹槽内沉积有栅线。通过在玻璃基板表面刻蚀形成凹槽，埋入金属栅线的方式，解决了常规制备栅线表面凸起导致的后续镀膜不均匀和难以刮涂的技术难题。通过将栅线埋入玻璃内部，避免了栅线的高度导致的玻璃基板不平，有利于后续的刮涂、磁控和蒸镀等工序形成均匀的膜层。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能薄膜电组件领域，涉及一种含有栅线的钙钛矿电池结构及其制备方法。
背景技术
近年来发现的钙钛矿型太阳能电池由于高转换效率、低成本、环境友善等优点正在受到越来越广泛的关注，其光电转换效率在短短几年内提升了数倍，表现出非常优异的光电性能。钙钛矿薄膜太阳能电池的膜层结构和常规的制备方法如下：在玻璃基板上制备一层透明导电薄膜，用于受光侧的电极层；然后在透明电极上制备一层载流子传输层；在载流子传输层上方制备钙钛矿层作为光吸收层；然后在其上制备另一侧的载流子传输层；最后再制备金属层作为另一侧的导电电极。
受光侧电极层通常采用透明导电氧化物薄膜材料(TCO)，从该膜层的功能需求角度要求其同时具有高的透过性和高的导电性。该膜层一方面用于收集电荷并在面内传输，因而要求该膜层具有尽量高的导电性；另一方面，受光侧的电极膜还需要具有较高的透过率以便让更多的光线进入吸收层从而激发光生载流子。但从技术层面讲，透明导电膜层的导电性和透过性互相制约，无法同时获得最大的导电性和最高的透过率。为了有效地收集载流子，可在透明导电薄膜表面制备金属栅线，以提高载流子的收集能力，同时可以最大程度降低TCO层的厚度，提高光线透过率。通常栅线的高度约10～30μm。由于栅线高度较高(远大于后续膜层厚度)，会在基板表面形成明显凸起，栅线边缘的阴影效应会导致栅线边缘和其余位置膜层不均匀，另外较高的栅线导致表面凸起不平，难以采用刮涂等方式制备钙钛矿等相关膜层。
发明内容
为了克服上述现有技术中，栅线高度较高导致基板上形成凸起，且栅线边缘的阴影效应导致栅线边缘和其余位置膜层不均匀的缺点，本发明的目的在于提供一种含有栅线的钙钛矿电池结构及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种含有栅线的钙钛矿电池结构，从下至上依次包括玻璃基板、透明导电薄膜、第一传输层和钙钛矿吸收层、第二传输层和金属电极层，玻璃基板上与透明导电薄膜接触的一面开设有凹槽，凹槽内沉积有栅线；
凹槽的深度为0.1～50μm，凹槽的宽度为1～50μm。
优选地，凹槽设有若干个；
两个相邻凹槽的中心之间的间距为100～10000μm。
优选地，透明导电薄膜的厚度为100～2000nm；第一传输层的厚度为10～50nm；钙钛矿吸收层厚度为200～800nm；第二传输层厚度为10～100nm；金属电极层的厚度为50～500nm。
优选地，栅线为Cu、Ag、Au、Al、Ni、Fe、金属合金、石墨烯和碳纳米线中的任意一种。
优选地，透明导电薄膜为ITO、FTO、AZO、IWO和石墨烯材料中的任意一种。
一种所述含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)在玻璃基板上涂覆一层保护膜；
步骤2)在涂覆有保护膜的玻璃基板上进行刻蚀，在玻璃基板上形成深度为0.1～50μm、宽度为1～50μm的凹槽；
步骤3)在含有凹槽的玻璃基板上镀制导电材料，形成导电膜，凹槽(9)内填充入导电材料，得到基片；
步骤4)将基片置于溶剂中，对基片上的保护膜和保护膜上的导电膜进行剥离，剥离完全后，得到含有栅线的基板；
步骤5)在含有栅线的基板上镀制透明导电薄膜；
步骤6)在透明导电薄膜上依次镀制第一传输层、钙钛矿吸收层、第二传输层和金属电极层，得到含有栅线的钙钛矿电池结构。
优选地，保护膜的厚度为0.3～20μm；
保护膜为光刻胶或PMMA；
导电膜的厚度为0.1～50μm；
导电膜由Cu、Ag、Au、Al、Ni、Fe、金属合金、石墨烯和碳纳米线中的任一种制备而成；
凹槽设有若干个；
两个相邻凹槽的中心之间的间距为100～10000μm。
优选地，步骤4)中的溶剂为DMSO、甲苯和DMF等有机溶剂；
优选地，步骤2)的刻蚀为激光刻蚀法、化学刻蚀法、离子轰击刻蚀法。
优选地，透明导电薄膜的厚度为100～2000nm；第一传输层的厚度为10～50nm；钙钛矿吸收层厚度为200～800nm；第二传输层厚度为10～100nm；金属电极层的厚度为50～500nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种含有栅线的钙钛矿电池结构，通过在玻璃基板表面刻蚀形成凹槽，埋入金属栅线的方式，解决了常规制备栅线表面凸起导致的后续镀膜不均匀和难以刮涂的技术难题。通过将栅线埋入玻璃内部，避免了栅线的高度导致的玻璃基板不平，有利于后续的刮涂、磁控和蒸镀等工序形成均匀的膜层。
本发明公开了一种含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，在玻璃表面刻蚀线槽，在线槽内沉积金属栅线。
附图说明
图1为本发明的钙钛矿电池结构图；
图2为本发明的钙钛矿电池在制备过程中，玻璃基板表面涂覆一层保护膜后的结构示意图；
图3为本发明的钙钛矿电池在制备过程中，刻蚀形成凹槽的截面示意图；
图4为本发明的钙钛矿电池在制备过程中，刻蚀后镀制一层导电膜的结构示意图；
图5为本发明的钙钛矿电池在制备过程中，将保护膜溶解之后的结构示意图；
图6为本发明的钙钛矿电池在制备过程中，镀制透明导电薄膜之后的结构示意图。
其中：1-玻璃基板；2-栅线；3-透明导电薄膜；4-第一传输层；5-钙钛矿吸收层；6-第二传输层；7-金属电极层；8-保护膜；9-凹槽；10-导电膜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构，其结构如图1所示，从下至上依次包括玻璃基板1、透明导电薄膜3、第一传输层4和钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，玻璃基板1上与透明导电薄膜3接触的一面开设有凹槽9，凹槽9内沉积有栅线2；
凹槽9的深度为0.1～50μm，凹槽9的宽度为1～50μm。
实施例1
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，如图2-6所示，包括如下步骤：
步骤1)如图2所示，在玻璃基板1表面涂覆一层保护膜8：可以采用刮涂等方式涂覆一层薄膜，即保护膜8。
步骤2)如图3所示，采用激光刻蚀，在玻璃表面刻蚀形成深度d(玻璃表面至凹槽底部的距离)深度0.1μm、宽度w为1μm，间距p(两个相邻凹槽中心间距)为100μm的凹槽9。如图2和图3所示。
步骤3)如图4所示，在刻蚀后的保护膜8上镀制一层导电膜10。导电膜10的材料可选用导电性好的铜。
步骤4)如图5所示，将基片浸入特殊的溶剂中，该溶剂可溶解基片上的保护膜8，同时不会损伤凹槽9内的栅线2，剥离掉保护膜8和其上的导电膜10，得到基板。
步骤5)如图6所示，在基板上镀制一层厚度100nm的透明导电薄膜3。
步骤6)在透明导电薄膜3上依次镀制电子第一传输层4、钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，得到含有栅线的钙钛矿电池结构。
实施例2
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)在玻璃基板1表面涂覆一层保护膜8：可以采用刮涂等方式涂覆一层薄膜，即保护膜8。
步骤2)采用化学刻蚀，在玻璃表面刻蚀形成深度d(玻璃表面至凹槽底部的距离)深度10μm、宽度w为5μm，间距p(两个相邻凹槽中心间距)为500μm的凹槽9。
步骤3)在刻蚀后的保护膜8上镀制一层导电膜10，得到基片。导电膜材料可选用导电性好的银。
步骤4)将基片浸入特殊的溶剂中，该溶剂可溶解基片上的保护膜8，同时不会损伤凹槽9内的栅线2，剥离掉保护膜8和其上的导电膜10，得到基板。
步骤5)在基板上镀制一层厚度200nm的透明导电薄膜3。
步骤6)在透明导电薄膜3上依次镀制第一传输层4、钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，得到含有栅线的钙钛矿电池结构。
实施例3
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)在玻璃基板1表面涂覆一层保护膜8：可以采用刮涂等方式涂覆一层薄膜，即保护膜8。
步骤2)采用离子轰击刻蚀，在玻璃表面刻蚀形成深度d(玻璃表面至凹槽底部的距离)深度50μm、宽度w为50μm，间距p(两个相邻凹槽中心间距)为10000μm的凹槽7。
步骤3)在刻蚀后的保护膜8上镀制一层导电膜10，得到基片。导电膜材料可选用导电性好的金。
步骤4)将基片浸入特殊的溶剂中，该溶剂可溶解基片上的保护膜8，同时不会损伤凹槽内的栅线2，剥离掉保护膜8和其上的导电膜10，得到基板。
步骤5)在基板上镀制一层厚度2000nm的透明导电薄膜3。
步骤6)在透明导电薄膜3上依次镀制第一传输层4、钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，得到含有栅线的钙钛矿电池结构第二传输层。
实施例5
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)在玻璃基板1表面涂覆一层保护膜8：可以采用刮涂等方式涂覆一层薄膜，即保护膜8。
步骤2)采用激光刻蚀，在玻璃表面刻蚀形成深度d(玻璃表面至凹槽底部的距离)深度30μm、宽度w为20μm，间距p(两个相邻凹槽中心间距)为1000μm的凹槽9。
步骤3)在刻蚀后的保护膜8上镀制一层导电膜10，得到基片。导电膜10材料可选用导电性好的金。
步骤4)将基片浸入特殊的溶剂中，该溶剂可溶解基片上的保护膜8，同时不会损伤凹槽9内的栅线2，剥离掉保护膜8和其上的导电膜10，得到基板。
步骤5)在基板上镀制一层厚度1000nm的透明导电薄膜3。
步骤6)在透明导电薄膜3上依次镀制第一传输层4、钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，得到含有栅线的钙钛矿电池结构。第二传输层
实施例6
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)在玻璃基板1表面涂覆一层保护膜8：可以采用刮涂等方式涂覆一层薄膜，即保护膜8。
步骤2)采用离子轰击刻蚀，在玻璃表面刻蚀形成深度d(玻璃表面至凹槽底部的距离)深度45μm、宽度w为40μm，间距p(两个相邻凹槽中心间距)为5000μm的凹槽9。
步骤3)在刻蚀后的保护膜8上镀制一层导电膜10，得到基片。导电膜材料可选用导电性好的金。
步骤4)将基片浸入特殊的溶剂中，该溶剂可溶解基片上的保护膜8，同时不会损伤凹槽9内的栅线2，剥离掉保护膜8和其上的导电膜10，得到基板。
步骤5)在基板上镀制一层厚度2000nm的透明导电薄膜3。
步骤6)在透明导电薄膜3上依次镀制第一传输层4、钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，得到含有栅线的钙钛矿电池结构。第二传输层
实施例7
一种含有金属栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1)在玻璃基板1表面涂覆一层保护膜8：可以采用刮涂等方式涂覆一层薄膜，即保护膜8。
步骤2)采用离子轰击刻蚀，在玻璃表面刻蚀形成深度d(玻璃表面至凹槽底部的距离)深度15μm、宽度w为10μm，间距p(两个相邻凹槽中心间距)为3000μm的凹槽9。
步骤3)在刻蚀后的保护膜8上镀制一层导电膜10，得到基片。导电膜材料可选用导电性好的金。
步骤4)将基片浸入特殊的溶剂中，该溶剂可溶解基片上的保护膜8，同时不会损伤凹槽9内的栅线2，剥离掉保护膜8和其上的导电膜10，得到基板。
步骤5)在基板上镀制一层厚度800nm的透明导电薄膜3。
步骤6)在透明导电薄膜3上依次镀制第一传输层4、钙钛矿吸收层5、第二传输层6和金属电极层7，得到含有栅线的钙钛矿电池结构。
需要说明的是，上述制备方法也适用于其他类型的薄膜电池。玻璃基板不限于常用的玻璃基板，也可为柔性透明基板，如PET等。栅线的材料可采用：Cu、Ag、Au等导电性良好的金属材料，或石墨烯、碳纳米线等碳材料。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，其特征在于，所述含有栅线的钙钛矿电池结构包括从下至上依次包括玻璃基板（1）、透明导电薄膜（3）、第一传输层（4）和钙钛矿吸收层（5）、第二传输层（6）和金属电极层（7），玻璃基板（1）上与透明导电薄膜（3）接触的一面开设有凹槽（9），凹槽（9）内沉积有栅线（2）；
凹槽（9）的深度为0.1~50μm，凹槽（9）的宽度为1~50μm；凹槽（9）设有若干个；两个相邻凹槽（9）的中心之间的间距为100~10000μm；透明导电薄膜（3）的厚度为100~2000nm；第一传输层（4）的厚度为10~50nm；钙钛矿吸收层（5）厚度为200~800nm；第二传输层（6）厚度为10~100nm；金属电极层的厚度为50~500nm，包括如下步骤：
步骤1）在玻璃基板（1）上涂覆一层保护膜（8）；
步骤2）在涂覆有保护膜（8）的玻璃基板上进行刻蚀，在玻璃基板（1）上形成深度为0.1~50μm、宽度为1~50μm的凹槽（9）；
步骤3）在含有凹槽（9）的玻璃基板（1）上镀制导电材料，形成导电膜（10），凹槽（9）内填充入导电材料，得到基片；
步骤4）将基片置于溶剂中，对基片上的保护膜（8）和保护膜（8）上的导电膜（10）进行剥离，剥离完全后，得到表面铺设有栅线（2）的基板；
步骤5）在表面铺设有栅线（2）的基板上镀制透明导电薄膜（3）；
步骤6）在透明导电薄膜（3）上依次镀制第一传输层（4）、钙钛矿吸收层（5）、第二传输层（6）和金属电极层（7），得到含有栅线的钙钛矿电池结构。
2.根据权利要求1所述的含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，其特征在于，保护膜（8）的厚度为0.3~20μm；
保护膜（8）为光刻胶或PMMA；
导电膜（10）的厚度为0.1~50μm；
导电膜（10）由Cu、Ag、Au、Al、Ni、Fe、金属合金、石墨烯和碳纳米线中的任一种制备而成。
3.根据权利要求1所述的含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，其特征在于，步骤4）中的溶剂为DMSO、甲苯或DMF有机溶剂。
4.根据权利要求1所述的含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，其特征在于，步骤2）的刻蚀为激光刻蚀法、化学刻蚀法、离子轰击刻蚀法。
5.根据权利要求1所述的含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，其特征在于，栅线（2）为Cu、Ag、Au、Al、Ni、Fe、金属合金、石墨烯和碳纳米线中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的含有栅线的钙钛矿电池结构的制备方法，其特征在于，透明导电薄膜（3）为ITO、FTO、AZO、IWO和石墨烯材料中的任意一种。
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