大面积柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光电能源领域，公开了一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述电池的结构从下至上依次包括柔性透明电极、纳米蜂巢支架、钙钛矿层和金属电极层。本发明专利技术还包括大面积柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法。与现有技术相比，本发明专利技术通过引入纳米蜂巢支架，可以改善电池器件的光谱利用率，不仅可作为光学谐振腔，提高大面积器件的光电转换效率和可重复性，而且还可作为力学缓冲层，有效释放弯折过程中所产生的应力，保护钙钛矿晶体层，从而有效提高电池器件的力学稳定性。

【技术实现步骤摘要】
大面积柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及光电能源领域，具体涉及一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
在众多薄膜太阳电池中，有机无机杂化钙钛矿太阳电池因兼具低成本、溶液加工和优异的光电转换性能而在国际前沿研究领域上倍受关注。其中，甲基碘化铅胺(CH3NH3PbI3)是最具代表性的材料之一，该类钙钛矿材料具备吸收强、迁移率高、载流子寿命长、可调控带隙和可采用多种方式加工等优点，使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。实践也证明，在过去短短6年时间里，钙钛矿太阳电池的能量转换效率已经从3.8％提高到22.1％，它的理论最大光电转换效率超过30％，而硅基太阳电池的理论转换效率仅限于27％，实际应用的只有25％。可见，钙钛矿太阳电池的能量转换效率已经逐步逼近硅基光伏材料的效率，加之，具有更低的材料成本和制备成本，未来钙钛矿太阳电池将有望超过硅基太阳电池，实现产业化而成为下一代薄膜太阳能电池。目前，大面积钙钛矿太阳电池仍然存在一些问题，例如高效率钙钛矿太阳能电池器件主要是基于小面积的玻璃基底上制备的，电池的有效面积通常仅为0.1cm2左右，由于器件结构稳定性和可重复性差，造成了大面积器件的光电转换效率无法实现小面积器件的标准，难以达不到工业化的要求。可见，如何获得大面积的高转化效率器件是一大挑战。一方面，柔性钙钛矿电池是拓展钙钛矿太阳能电池应用领域的关键要点，可实现钙钛矿电池的可穿戴化特点，然而现有技术中柔性钙钛矿太阳能电池的结构主要是移植玻璃基底高光电转换效率的结构，即通过以金属材料为基底，采用传统的介孔二氧化钛结构制备的柔性太阳能电池，成本高昂，且金属基底与钙钛矿层的接触较差，其光电转换效率在10％左右。例如，CN104795498A，CN105489767A、CN106229327A、CN106410032A和CN106129251A均是在柔性钙钛矿太阳能电池的设计上主要针对透明电极材料上进行替换，采用更耐弯折的透明导电薄膜替代易脆的金属氧化物薄膜。经过优化处理后的电池器件效率可以与金属氧化物透明电池器件效率相匹配，但是并没有针对更易脆的钙钛矿层的稳定性进行设计，对于器件整体的稳定性设计仍缺乏考虑。CN105870333A公开了一种基于氧化钨的柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该专利技术在所述柔性衬底上设置氧化钨电子提取层，采用金属氧化钨电子提取层仅仅是易于低温结晶，且兼顾具有合适的价带、良好的稳定性和高电子传输能力，同样没有针对更易脆的钙钛矿层的稳定性进行设计，对于器件整体的稳定性设计仍缺乏考虑，而且光电转化效率是在只有0.1cm2的面积大小的电池上实现的，难以在大于1cm2的面积上实现10％以上的能量转换效率。另一方面，采用低温透明聚合物基底的柔性结构，其多以高效率平面结构为主体，是当前柔性电池结构中效率最高的一种结构，可是这些高效率是在只有0.1cm2的面积大小的电池上实现的，还难以在大于1cm2的面积上实现10％以上的能量转换效率，再则，平面结构的设计忽略了柔性器件力学结构稳定性和大面积可重复性，现有的柔性结构很难实现大面积化制备，另外，当器件结构大于1cm2的面积，在1cm曲率半径下经1000次弯折力学测试后，电池效率都大幅衰减到50％以下。例如，CN106206949A公开了一种柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该专利技术通过钙钛矿前驱液中掺杂有机聚合物大分子材料，超长的分子链在晶体材料中起到缓冲弯折应力，支撑材料结构等作用，大大减少了弯折中钙钛矿所受到的应力，改善了器件的力学稳定性，但在1cm曲率半径下经1000次弯折力学测试后，电池效率大幅衰减到50％以下，可见针对器件大面积重复性的钙钛矿本身材料易脆的关键点尚未充分实现。综上，造成基于柔性基底的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率较低的原因是器件本身的结构设计上的力学稳定性差，从而在钙钛矿太阳能电池的制备加工和测试环节中，力学结构的破坏大幅降低了器件的光电转换效率。因此，若要提高大面积柔性钙钛矿太阳能电池的性能，需要从其结构的根本出发，兼顾光电转换效率与力学稳定性的特点，设计特有的柔性电池结构，实现钙钛矿太阳能的大面积制备，以实现太阳能电池商业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中存在的柔性太阳能电池力学稳定性差和大面积器件光电转换效率低的问题，提供一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其结构从下至上依次包括柔性透明电极、纳米蜂巢支架、钙钛矿层和金属电极层。本专利技术第二方面提供一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)对柔性透明电极进行表面改性处理，提高电极表面亲水性；(2)在表面处理后的柔性透明电极表面上制备聚合物模板层；(3)在聚合物模板层上填充纳米蜂巢支架材料，然后去除聚合物模板层，制得纳米蜂巢支架；(4)在纳米蜂巢支架上层依次沉积钙钛矿层、可选的界面传输层以及金属电极，制得柔性钙钛矿太阳能电池。本专利技术第三方面提供一种由上述方法制备得到的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池有效面积大于1cm2。与现有技术相比，本专利技术通过引入纳米蜂巢支架，可以改善电池器件的光谱利用率，不仅可作为光学谐振腔，提高大面积器件的光电转换效率和可重复性，而且还可作为力学缓冲层，有效释放弯折过程中所产生的应力，保护钙钛矿晶体层，从而有效提高电池器件的力学稳定性。附图说明图1是实施例1中制备的纳米蜂巢支架的扫描电子显微镜照片。图2是实施例1中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图3是实施例2中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图4是实施例3中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图5是实施例4中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图6是实施例5中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图7是实施例6中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图8是实施例7中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图9是对比例1中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。图10是对比例2中制备的柔性钙钛矿太阳能电池J-V曲线。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。根据本专利技术提供的一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其结构从下至上依次包括柔性透明电极、纳米蜂巢支架、钙钛矿层和金属电极层。在一种优选实施方式中，所述大面积柔性钙钛矿太阳能电池的结构中，在所述钙钛矿层和所述金属电极层之间还设置有界面传输层。在本专利技术中，所述界面传输层是与纳米蜂巢支架相对应的界面传输层。在本专利技术中，专利技术人构思的出发点在于现有技术中大面积柔性钙钛矿太阳能电池经多次弯折后器件效率下降的一个很重要的原因是ITO本身的破裂，以往为了提高柔性钙钛矿太阳能的弯折性能，均是尝试使用其他透明材料来代替易碎的ITO的设计，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其结构从下至上依次包括柔性透明电极、纳米蜂巢支架、钙钛矿层和金属电极层。

【技术特征摘要】
1.一种大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其结构从下至上依次包括柔性透明电极、纳米蜂巢支架、钙钛矿层和金属电极层。2.根据权利要求1所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在所述钙钛矿层和所述金属电极层之间还设置有界面传输层。3.根据权利要求1或2所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米蜂巢支架的层数在三层以内结构，优选为单层结构。4.根据权利要求1或2所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米蜂巢支架中单个六边形尺寸为100-2000nm，所述纳米蜂巢支架的厚度为30-1000nm；优选地，所述纳米蜂巢支架中单个六边形尺寸为200-500nm，所述纳米蜂巢支架的厚度为50-300nm。5.根据权利要求1或2所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述纳米蜂巢支架的材料选自空穴传输材料或电子传输材料；优选地，所述空穴传输材料选自聚噻吩衍生物或三苯胺衍生物；优选地，所述电子传输材料选自富勒烯衍生物、石墨烯衍生物、碳纳米管衍生物或吡咯并吡咯二酮衍生物。优选地，所述纳米蜂巢支架的材料是掺杂溶剂的分散液。6.根据权利要求1或2所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述柔性透明电极的材料选自导电高分子材料、导电纳米碳材料或铟锡氧化物，优选为导电高分子材料。更优选地，所述导电高分子材料为PEDOT∶PSS。7.根据权利要求1或2所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述柔性透明电极的基底材料选自聚酯、聚苯二甲酸乙二醇酯或聚醚砜，优选为聚酯。8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的大面积柔性钙钛矿太阳能电池的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡笑添，李风煜，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11