本實(shí)用新型涉及一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著傳統(tǒng)燃料的消耗以及引起的環(huán)境問題，可再生清潔能源的發(fā)展與利用已經(jīng)受到全世界的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能作為一種綠色、清潔、可再生能源，有潛力成為未來能源供給中的重要組成部分。因此太陽(yáng)能電池的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的硅電池已經(jīng)得到了商業(yè)化，但相對(duì)成本過高。染料敏化電池需要電解質(zhì)來傳輸載流子，在制備上有許多限制。有機(jī)小分子或者聚合物電池，雖然電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高。

近年來興起的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池具有效率高、成本低、質(zhì)量輕，制作工藝簡(jiǎn)單、可制備成大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。其中，透明電極是制約鈣鈦礦電池發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，氧化銦錫ITO是太陽(yáng)能電池中應(yīng)用最廣的透明電極。但隨著銦元素的大量開采，其價(jià)格也逐步上升，同時(shí)銦本身也有毒性，且機(jī)械柔性不好，很難與柔性襯底兼容。新型的透明電極，諸如金屬網(wǎng)格、金屬納米線、碳納米管、石墨烯以及導(dǎo)電聚合物等，在導(dǎo)電性、透光率、柔性、粗糙度以及功函數(shù)匹配等方面存在各種問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，這種透明電極具有方阻低、透光率高、柔性好、成本低以及工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，基于其制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，并具有較低的成本，制備方法工藝簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

本實(shí)用新型所涉及的一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，自下而上依次為透明襯底、超薄金屬透明電極、空穴傳輸層、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層和背電極，或者為透明襯底、超薄金屬透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和背電極；超薄金屬透明電極自下而上依次為成核籽晶層和超薄金屬兩層薄膜，超薄金屬透明電極的厚度為7～65nm；透光率為80％～92％，方塊電阻為5～100Ω/sq；

成核籽晶層為ZnO、CuSCN、GO、MoO₃、NiO、TiO₂中的一種，其厚度為3～50nm；

超薄金屬為Ag、Al、Cu、Au中的一種，其厚度為4～15nm；

空穴傳輸層厚度為10～200nm；

電子傳輸層厚度為10～200nm；

鈣鈦礦吸光層厚度為50～500nm；

背電極厚度為10～300nm。

進(jìn)一步，所述透明襯底為透明玻璃、石英、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亞胺PI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN中的任一種。

進(jìn)一步，所述鈣鈦礦吸光層材料為CH₃NH₃PbI₃、CH₃NH₃PbCl₃、CH₃NH₃PbBr₃、CH₃NH₃PbIBr₂、CH₃NH₃PbI₂Br、CH₃NH₃PbI₂Cl、CH₃NH₃PbICl₂、CH₃NH₃SnCl₃、CH₃NH₃SnBr₃、CH₃NH₃SnI₃、CH₃NH₃SnIBr₂、CH₃NH₃SnI₂Br或CH₃NH₃SnICl₂中的一種。

進(jìn)一步，所述空穴傳輸層為PEDOT:PSS、CuSCN、CuI、NiOx中的至少一種。

進(jìn)一步，所述電子傳輸層為富勒烯衍生物PCBM、TiO₂或ZnO。

進(jìn)一步，所述背電極為金、銀、鋁電極、銀納米線或?qū)щ姼叻肿颖∧ぁ?/p>

進(jìn)一步，所述的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率為12％～25％。

本發(fā)明的這種轉(zhuǎn)換率高、有機(jī)無機(jī)雜化的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有較低的成本，柔性輕質(zhì)，制備方法工藝簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

附圖說明

圖1為一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)圖，其中1為透明襯底；2為超薄金屬透明電極；3為空穴傳輸層；4為鈣鈦礦吸光層；5為電子傳輸層；6為背電極。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池其結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上包括透明襯底1、超薄金屬透明電極2、空穴傳輸層3、鈣鈦礦吸光層4、電子傳輸層5和背電極6。透明襯底1為PET薄片；超薄金屬透明電極2自下而上依次為成核籽晶層和超薄金屬兩層薄膜，成核籽晶層為ZnO，厚度為3nm，超薄金屬為Ag，厚度為4nm；空穴傳輸層3為10nm厚的PEDOT:PSS薄膜；鈣鈦礦吸光層4為厚度為50nm的CH₃NH₃PbI₃；電子傳輸層5為10nm的PCBM薄膜；背電極6為10nm厚的銀電極。

制備PET/ZnO/超薄Ag層/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/Ag鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的步驟為：

(1)將PET薄片在乙醇溶液中超聲10min，用氮?dú)獯蹈珊?，立即放入磁控濺射裝載室中，開始抽真空。

(2)等待反應(yīng)室背底真空度優(yōu)于1×10-6Torr,將樣品裝入反應(yīng)室腔體并旋轉(zhuǎn)樣品架，轉(zhuǎn)速為18rpm。以純度優(yōu)于99.99％的Ar作為沉積氣氛，采用磁控濺射法射頻濺射生長(zhǎng)金屬層，制備過程中襯底溫度為室溫，Ar壓力為0.8Pa。ZnO靶材離基底垂直距離為55mm。采用RF磁控濺射，最后生長(zhǎng)的ZnO厚度為3nm。調(diào)停ZnO靶材上的功率。在Ag靶材上加上DC功率，生長(zhǎng)4nm的Ag層后停止，調(diào)停功率。即制得ZnO/Ag超薄金屬透明電極。

(4)將PEDOT:PSS(CleviosTMP VP AI4083)以5000rpm轉(zhuǎn)速旋涂于剛制備的透明電極表面，在空氣中100℃加熱50min，得到10nm厚的PEDOT:PSS薄膜的空穴傳輸層。

(5)配制濃度為1mol/L的PbI₂溶液，溶劑為二甲基甲酰胺；配制濃度為10mg/mL的CH₃NH₃I溶液，溶于異丙醇中。在沉積有空穴傳輸層的襯底上旋涂PbI₂溶液，在70℃的上烘干后，放入CH₃NH₃I溶液中浸泡約40秒，襯底顏色迅速變?yōu)樽睾谏?，取出后放到干凈的異丙醇中，洗去多余的CH₃NH₃I，最后放置在70℃的加熱臺(tái)上烘10min，得到厚度為50nm的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦材料的吸光層。

(6)稱量10mg PCBM溶入1ml鄰二氯苯中形成PCBM鄰二氯苯溶液，磁力攪拌24小時(shí)，取PCBM鄰二氯苯溶液以5000rpm轉(zhuǎn)速旋涂于CH₃NH₃PbI₃薄膜上，得到10nm PCBM薄膜的電子傳輸層。

(7)在高真空(<10-4Pa)下，蒸鍍10nm銀電極，完成電池制備。經(jīng)測(cè)試，電池效率為15％。

在以上實(shí)施例中成核籽晶層可以用MoO₃、NiO中的任一種代替上述材料；超薄金屬可以用Al代替上述材料；透明襯底可以用石英、聚酰亞胺PI中的任一種代替上述材料；空穴傳輸層可以用CuI、NiOx中的任一種代替上述材料；鈣鈦礦吸光層可以用CH₃NH₃PbCl₃、CH₃NH₃PbBr₃、CH₃NH₃PbIBr₂、CH₃NH₃PbI₂Br、CH₃NH₃PbI₂Cl、CH₃NH₃PbICl₂、CH₃NH₃SnCl₃、CH₃NH₃SnBr₃、CH₃NH₃SnI₃、CH₃NH₃SnIBr₂、CH₃NH₃SnI₂Br或CH₃NH₃SnICl₂中的任一種代替上述材料；背電極可以用金、導(dǎo)電高分子薄膜中的任一種代替上述材料。

實(shí)施例2

一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池其結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上包括透明襯底1、超薄金屬透明電極2、空穴傳輸層3、鈣鈦礦吸光層4、電子傳輸層5和背電極6。透明襯底1為透明玻璃；超薄金屬透明電極2自下而上依次為成核籽晶層和超薄金屬兩層薄膜，成核籽晶層為CuSCN，厚度為15nm，超薄金屬為Cu，厚度為9nm；空穴傳輸層3為50nm厚的CuSCN薄膜；鈣鈦礦吸光層4為厚度為200nm厚的CH₃NH₃PbI₃；電子傳輸層5為50nm厚的TiO₂薄膜；背電極6為150nm厚的銀納米線電極。

制備PET/CuSCN/Ag/CuSCN/CH₃NH₃PbI₃/ZnO/AgNW鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的步驟為：

(1)將透明玻璃片在乙醇、丙酮等溶液中超聲10min，用氮?dú)獯蹈桑?/p>

(2)在玻璃基底上旋涂15nm厚的CuSCN，作為成核籽晶層；

(3)將上述樣品置于磁控濺射樣品室，等待反應(yīng)室背底真空度優(yōu)于1×10-6Torr,將樣品裝入反應(yīng)室腔體并旋轉(zhuǎn)樣品架，轉(zhuǎn)速為18rpm。以純度優(yōu)于99.99％的Ar作為沉積氣氛，采用磁控濺射法射頻濺射生長(zhǎng)金屬層，制備過程中襯底溫度為室溫，Ar壓力為0.8Pa。在Cu靶材上加上DC功率，生長(zhǎng)9nm的Cu層后停止，調(diào)停功率。即制得CuSCN/Ag透明電極。

(4)將CuSCN以3000rpm轉(zhuǎn)速旋涂于剛制備的透明電極表面，在空氣中100℃加熱30min，得到50nm厚的CuSCN薄膜的空穴傳輸層。

(5)配制濃度為1mol/L的PbI₂溶液，溶劑為二甲基甲酰胺；配制濃度為10mg/mL的CH₃NH₃I溶液，溶于異丙醇中。在沉積有空穴傳輸層的襯底上旋涂PbI₂溶液，在70℃的上烘干后，放入CH₃NH₃I溶液中浸泡約40秒，襯底顏色迅速變?yōu)樽睾谏〕龊蠓诺礁蓛舻漠惐贾?，洗去多余的CH₃NH₃I，最后放置在70℃的加熱臺(tái)上烘10min，得到厚度為200nm的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦材料的吸光層。

(6)將TiO₂溶于氯苯或其它溶劑得到濃度為10mg/mL的溶液，以800rpm轉(zhuǎn)速旋涂于CH₃NH₃PbI₃薄膜上，得到50nmTiO₂薄膜的電子傳輸層。

(7)在高真空(<10-4Pa)下，蒸鍍150nm銀納米線電極，完成電池制備，經(jīng)測(cè)試，柔性電池效率為14.5％。

在以上實(shí)施例中成核籽晶層可以用MoO₃、NiO中的任一種代替上述材料；超薄金屬可以用Al代替上述材料；透明襯底可以用石英、聚酰亞胺PI中的任一種代替上述材料；空穴傳輸層可以用CuI、NiOx中的任一種代替上述材料；鈣鈦礦吸光層可以用CH₃NH₃PbCl₃、CH₃NH₃PbBr₃、CH₃NH₃PbIBr₂、CH₃NH₃PbI₂Br、CH₃NH₃PbI₂Cl、CH₃NH₃PbICl₂、CH₃NH₃SnCl₃、CH₃NH₃SnBr₃、CH₃NH₃SnI₃、CH₃NH₃SnIBr₂、CH₃NH₃SnI₂Br或CH₃NH₃SnICl₂中的任一種代替上述材料；背電極可以用金、導(dǎo)電高分子薄膜中的任一種代替上述材料。

實(shí)施例3

一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池其結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上包括透明襯底1、超薄金屬透明電極2、空穴傳輸層3、鈣鈦礦吸光層4、電子傳輸層5和背電極6。透明襯底1為透明玻璃；超薄金屬透明電極2自下而上依次為成核籽晶層和超薄金屬兩層薄膜，成核籽晶層為GO，厚度為5nm，超薄金屬為Ag，厚度為9nm；空穴傳輸層3為40nm厚的CuSCN薄膜；鈣鈦礦吸光層4為厚度為300nm厚的CH₃NH₃PbI₃；電子傳輸層5為50nm厚的ZnO薄膜；背電極6為200nm厚的銀電極。

制備玻璃/GO/Ag/CuSCN/CH₃NH₃PbI₃/ZnO/Ag鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的步驟為：

(1)將透明玻璃片在乙醇、丙酮等溶液中超聲10min，用氮?dú)獯蹈桑?/p>

(2)在玻璃基底上旋涂5nm厚的GO，作為成核籽晶層；

(3)將上述樣品置于磁控濺射樣品室，等待反應(yīng)室背底真空度優(yōu)于1×10-6Torr,將樣品裝入反應(yīng)室腔體并旋轉(zhuǎn)樣品架，轉(zhuǎn)速為18rpm。以純度優(yōu)于99.99％的Ar作為沉積氣氛，采用磁控濺射法射頻濺射生長(zhǎng)金屬層，制備過程中襯底溫度為室溫，Ar壓力為0.8Pa。在Ag靶材上加上DC功率，生長(zhǎng)9nm的Ag層后停止，調(diào)停功率。即制得CuSCN/Ag透明電極。

(4)將CuSCN以3000rpm轉(zhuǎn)速旋涂于剛制備的透明電極表面，在空氣中100℃加熱30min，得到40nm厚的CuSCN薄膜的空穴傳輸層。

(5)配制濃度為1mol/L的PbI₂溶液，溶劑為二甲基甲酰胺；配制濃度為10mg/mL的CH₃NH₃I溶液，溶于異丙醇中。在沉積有空穴傳輸層的襯底上旋涂PbI₂溶液，在70℃的上烘干后，放入CH₃NH₃I溶液中浸泡約40秒，襯底顏色迅速變?yōu)樽睾谏?，取出后放到干凈的異丙醇中，洗去多余的CH₃NH₃I，最后放置在70℃的加熱臺(tái)上烘10min，得到厚度為300nm的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦材料的吸光層。

(6)將ZnO溶于甲醇或其它溶劑得到濃度為10mg/mL的溶液，以800rpm轉(zhuǎn)速旋涂于CH₃NH₃PbI₃薄膜上，得到30nmZnO薄膜的電子傳輸層。

(7)在高真空(<10-4Pa)下，蒸鍍200nm銀電極，完成電池制備，經(jīng)測(cè)試，電池效率為18.5％。

在以上實(shí)施例中成核籽晶層可以用MoO₃、NiO中的任一種代替上述材料；超薄金屬可以用Al代替上述材料；透明襯底可以用石英、聚酰亞胺PI中的任一種代替上述材料；空穴傳輸層可以用CuI、NiOx中的任一種代替上述材料；鈣鈦礦吸光層可以用CH₃NH₃PbCl₃、CH₃NH₃PbBr₃、CH₃NH₃PbIBr₂、CH₃NH₃PbI₂Br、CH₃NH₃PbI₂Cl、CH₃NH₃PbICl₂、CH₃NH₃SnCl₃、CH₃NH₃SnBr₃、CH₃NH₃SnI₃、CH₃NH₃SnIBr₂、CH₃NH₃SnI₂Br或CH₃NH₃SnICl₂中的任一種代替上述材料；背電極可以用金、導(dǎo)電高分子薄膜中的任一種代替上述材料。

實(shí)施例4

一種基于超薄金屬透明電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，自下而上包括透明襯底、超薄金屬透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和背電極。透明襯底為PEN薄片；超薄金屬透明電極自下而上依次為成核籽晶層和超薄金屬兩層薄膜，成核籽晶層為TiO₂，厚度為50nm，超薄金屬為15nm厚的Au；電子傳輸層為200nm厚的ZnO；鈣鈦礦吸光層為厚度為500nm的CH₃NH₃PbI₃；空穴傳輸層為200nm的CuSCN薄膜；背電極為300nm厚的鋁電極。

制備PEN/TiO₂/Au/ZnO/CH₃NH₃PbI₃/CuSCN/Al鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的步驟為：

(1)將PEN薄片在乙醇溶液中超聲10min，用氮?dú)獯蹈珊?，立即放入磁控濺射裝載室中，開始抽真空。

(2)將樣品裝入反應(yīng)室腔體并旋轉(zhuǎn)樣品架，轉(zhuǎn)速為18rpm。以純度優(yōu)于99.99％的Ar作為沉積氣氛，采用磁控濺射法射頻濺射生長(zhǎng)金屬層，制備過程中襯底溫度為室溫，Ar壓力為0.8Pa。TiO₂靶材離基底垂直距離為55mm。采用RF磁控濺射，最后生長(zhǎng)的TiO₂厚度為50nm。調(diào)停TiO₂靶材上的功率。在Au靶材上加上DC功率，生長(zhǎng)15nm的Au層后停止，調(diào)停功率。即制得TiO₂/Au超薄金屬透明電極。

(3)調(diào)停Au靶材上的功率。在TiO₂靶材上加上射頻功率，生長(zhǎng)200nm的ZnO層后停止，調(diào)停功率。

(4)配制濃度為1mol/L的PbI₂溶液，溶劑為二甲基甲酰胺；配制濃度為10mg/mL的CH₃NH₃I溶液，溶于異丙醇中。在沉積有空穴傳輸層的襯底上旋涂PbI₂溶液，在70℃的上烘干后，放入CH₃NH₃I溶液中浸泡約40秒，襯底顏色迅速變?yōu)樽睾谏〕龊蠓诺礁蓛舻漠惐贾?，洗去多余的CH₃NH₃I，最后放置在70℃的加熱臺(tái)上烘10min，得到厚度為500nm的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦材料的吸光層。

(5)在鈣鈦礦薄膜上面旋涂200nm的CuSCN薄膜，作為空穴傳輸層。

(6)在高真空(＜10-4Pa)下，蒸鍍300nm鋁電極，完成電池制備,經(jīng)測(cè)試，柔性電池效率為16.5％。

在以上實(shí)施例中成核籽晶層可以用MoO₃、NiO中的任一種代替上述材料；超薄金屬可以用Al代替上述材料；透明襯底可以用石英、聚酰亞胺PI中的任一種代替上述材料；空穴傳輸層可以用CuI、NiOx中的任一種代替上述材料；鈣鈦礦吸光層可以用CH₃NH₃PbCl₃、CH₃NH₃PbBr₃、CH₃NH₃PbIBr₂、CH₃NH₃PbI₂Br、CH₃NH₃PbI₂Cl、CH₃NH₃PbICl₂、CH₃NH₃SnCl₃、CH₃NH₃SnBr₃、CH₃NH₃SnI₃、CH₃NH₃SnIBr₂、CH₃NH₃SnI₂Br或CH₃NH₃SnICl₂中的任一種代替上述材料；背電極可以用金、導(dǎo)電高分子薄膜中的任一種代替上述材料。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。