一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，在基底表面制备电子传输层，然后按(类)叉指结构图案制备菲林膜，经过微米级光刻后电铸制备图案化的金属镍箔作为掩膜板，接着将沉积有电子传输层的基底与所述掩膜板通过磁力控制器对位并固定，再进行表面蒸发镀膜，依次制备金属氧化物绝缘层及金属电极层，消磁后去除镍箔掩膜板；后续进行热氧化处理，使金属电极层的表面氧化成空穴传输层；最后制备钙钛矿吸收层，形成具有(类)叉指结构电极图案的钙钛矿太阳电池。本发明专利技术采用菲林膜作为图案化的母版通过采用工业化常用的电铸工艺有效降低了图案化工艺的成本，为微米电极结构的钙钛矿太阳能电池探索出一条可行的工艺方案。探索出一条可行的工艺方案。

【技术实现步骤摘要】
一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法


[0001]本专利技术涉及新能源材料领域，属于一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种可持续零排放的清洁能源被人类视为是替代化石能源最有竞争力的一类新能源。目前作为技术较成熟的硅基太阳能电池持续提效遇到瓶颈，钙钛矿太阳能电池因制备成本低、电池及组件制备的一体化等诸多优势近期被广泛关注。国内外研究人员在短短几年时间内已系统性的对钙钛矿太阳能电池进行材料合成、器件集成的优化，想再进一步对器件结构进行优化难度较大。而IDE(叉指型背接触)结构、Q
‑
IDE(类叉指型背接触)结构钙钛矿太阳能电池与传统的平面三明治结构钙钛矿太阳能电池相比，其具备受光面无电极遮光、相对较小的寄生吸收、钙钛矿层制备在电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)之后、钙钛矿表面可灵活选择钝化工艺，且不存在制备电极对钙钛矿膜层的损伤等特点，被越来越多研究者关注。现有技术中，普遍采用自组装光刻工艺，但是对于微结构完全不可控。而用传统光刻手段较易对器件造成损伤或光刻工艺及后续匹配工艺窗口较窄，或对硬件要求太高，甚至无法实现预期的微纳米图案化，给实现该结构的钙钛矿太阳能电池增加了许多工艺难度。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构(IDE、Q
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IDE)钙钛矿太阳能电池的方法，采用菲林膜作为图案化的母版通过工业化常用的电铸工艺有效降低了图案化工艺的成本，为微米电极结构的钙钛矿太阳能电池探索出一条可行的工艺方案。
[0004]本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
[0005]一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，包括以下步骤：
[0006](1)将基底透明导电玻璃清洗干净后，通过浸泡法或旋涂法等在其表面制备钙钛矿太阳能电池的电子传输层，得到沉积有电子传输层的基底；
[0007](2)按预先设计的电极图案使用感光干膜经过微米级光刻后电铸制备图案化的金属箔作为后续蒸发镀膜工艺的掩膜板，然后将沉积有电子传输层的基底与所述掩膜板通过磁力控制器对位并固定；
[0008](3)将步骤(2)所得固定有掩膜板的基底进行表面蒸发镀膜，依次制备金属氧化物绝缘层及金属电极层，消磁后去除掩膜板；
[0009](4)将步骤(3)所得基底进行热氧化处理，使表面的金属电极氧化形成钙钛矿太阳能电池的空穴传输层(注：金属电极层仅表面被氧化，而底层未被氧化)；
[0010](5)通过低压气相沉积或旋涂法在步骤(4)所得基底的空穴传输层上制备钙钛矿吸收层，形成具有相应图案结构的新型结构钙钛矿太阳能电池。
[0011]进一步优选地，透明导电玻璃(即导电基底)由底层的玻璃基体和表层的透明导电电极组成，可以采用市售的ITO玻璃或FTO玻璃等。本专利技术中玻璃基体作为太阳能电池的底部支撑，在透明导电电极表面沉积电子传输层。
[0012]进一步优选地，步骤(1)中，电子传输层必须透光性良好且单位面积内膜厚极差小，一般采用浸泡法或旋涂法制备SnO2薄膜或TiO2薄膜，膜厚一般控制在10nm
‑
100nm范围内。
[0013]进一步优选地，步骤(2)中，微米级光刻制备的电极图案具有周期性，形状为叉指结构或类叉指结构，周期性镂空的间距和周期性线宽均在2μm
‑
60μm范围内。此时，步骤(5)形成的新型结构钙钛矿太阳能电池具有微米级叉指结构或类叉指结构的电极图案。其中，其中，图案化的掩膜板(即金属箔)与感光干膜的图案是相对的。
[0014]进一步优选地，步骤(2)中，金属箔为镍箔或铜箔等，微米级光刻后电铸制备图案化的金属镍或铜箔作为掩膜板的具体过程为：采用卷对卷热压工艺将感光干膜(如菲林膜)覆盖在导电基底上；通过曝光、显影得到预期的图案；将暴露在外的导电基底进行除油(碱性环境)、活化(酸性环境)等前处理，清洗干净后，在硫酸镍或者硫酸铜等溶液中进行电沉积；金属镍或铜箔达到一定厚度(一般不超过50μm)后去除，使用褪菲林液浸泡去除干膜，同时镍箔或者铜箔与导电基底脱离，得到最终的电铸制备的掩膜板。
[0015]进一步优选地，步骤(3)中，附着有整面的电子传输层的基底表面，需要在周期性镂空区域上沉积厚度100nm
‑
450nm的绝缘层，同时需要在基底保持固定位置的条件下继续在周期性镂空区域蒸发镀膜制备金属电极，膜厚一般在20nm
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200nm。其中，所述绝缘层为Al2O3层，或Al2O3和SiO2的混合层等；所述电极层采用Ni电极或Cu电极等金属电极。
[0016]进一步优选地，步骤(4)中，将步骤(3)制备完金属电极层的基底迅速转移到热氧化炉，进行金属热氧化处理，温度控制在300℃
‑
550℃，氧气流量控制在1sccm
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10sccm。
[0017]进一步优选地，步骤(5)中，所述钙钛矿吸收层的厚度为500nm
‑
1μm，一般为Cs
x
FA1‑
x
PbI
y
Br3‑
y
钙钛矿材料，一般x取0
‑
0.15，y取2.85
‑
3。
[0018]上述方法制备的新型结构钙钛矿太阳电池分为周期性图案局域和非图案区域，图案区域从下到上依次为基底以及依次覆盖于基底上的电子传输层、绝缘层、金属电极、空穴传输层和钙钛矿吸收层；非图案区域从下到上依次为基底以及依次覆盖于基底上的电子传输层和钙钛矿吸收层；周期性图案优选为叉指结构或类似于叉指结构，周期性镂空的间距和周期性线宽均在2μm
‑
60μm范围内。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020](1)本专利技术没有采用常规的自组装光刻工艺以及传统光刻方法，而是光刻后把图案用电铸工艺转移到电铸板上，本专利技术中主要采用电铸镍箔或者铜箔作为电铸板，同时电铸板又作为后续工艺蒸发镀膜用的掩膜板，思路巧妙，避开了成本低但难以控制的自组装光刻，同时也避开了大面积光刻的设备和成本压力。关键是，本专利技术的图案化过程用普通传统光刻做出母版后，可以批量大面积重复地电铸制备图案化的掩膜板(即电铸板)，实现了光刻图案化的优化；然后这种批量可复制生产出来的电铸板又借鉴OLED领域常用的磁力固定的方式，在微米级的量度上将电铸板与待镀膜的基底固定住，这样就便于常规的蒸发镀
膜把金属和金属氧化物通过电铸掩膜板的选择性遮挡，形成预期的图案化。
[0021](2)本专利技术设计的新型结构钙钛矿太阳能电池，金属电极作为正极(也可以采用透明电极)，透明导电玻璃上的透明导电电极层作为负极，正负电极都在电池的同一面(即该器件的正负极均在透明导电电极一侧，而钙钛矿吸收层表面上无任何电极)，有效解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将透明导电基底清洗干净后，在其表面制备钙钛矿太阳能电池的电子传输层，得到沉积有电子传输层的基底；(2)按预设图案制备感光干膜，经过微米级光刻后电铸制备图案化的掩膜板，然后将沉积有电子传输层的基底与所述掩膜板对位固定；(3)将步骤(2)所得固定有掩膜板的基底进行表面蒸发镀膜，依次制备金属氧化物绝缘层及金属电极层，去除掩膜板；(4)将步骤(3)所得基底进行热氧化处理，使金属电极层的表面氧化形成钙钛矿太阳能电池的空穴传输层；(5)在步骤(4)所得基底的空穴传输层上制备钙钛矿吸收层，形成微米级图案化的新型结构钙钛矿太阳能电池。2.根据权利要求1所述的一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，步骤(2)中，微米级光刻制备的图案具有周期性，形状为叉指结构或类叉指结构，周期性镂空的间距在2μm
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60μm范围内，周期性线宽在2
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60μm范围内。3.根据权利要求1所述的一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述电子传输层具有透光性，采用浸泡法或旋涂法制备SnO2薄膜或TiO2薄膜，膜厚控制在10nm
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100nm范围内。4.根据权利要求1所述的一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述掩膜板为金属铜箔或镍箔。5.根据权利要求1所述的一种使用微米级电铸掩膜板制备新型结构钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于，步骤(3)中，固定有掩膜板的基底表面的周期性镂空区域沉积厚度在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈壁滔，郑国源，马斌，莫淑一，王吉林，龙飞，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：