一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组及其制备方法

本发明属于光伏器件，具体涉及一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组及其制备方法。

背景技术：

1、钙钛矿材料由于其具有优异的光电特性，在太阳能电池、光电二极管、忆阻器、光电晶体管等光电器件领域受到广泛关注。其中，钙钛矿太阳能电池器件具有高的能量转化效率、低廉的工艺设备成本、制备流程简单、可溶液法制备等优势，成为太阳能电池领域的新研究热点。经过短短十几年的发展，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从最初的3.8%快速突破至26.1%，已经可以和单晶硅电池相媲美。但是，优异的光电性能仅表现在小面积器件上，大面积模组的效率远低于前者。同时小面积高效率器件的制备方法主要通过溶液旋涂法实现，并不适用于大面积，因此钙钛矿太阳能电池模组的研究是其商业化发展过程中的重要一环。作为光吸收层，钙钛矿薄膜的成膜质量和传输性能决定着电池器件的好坏，同样作为功能层的空穴传输层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，主要作用是阻挡电子、收集钙钛矿吸光层注入的空穴并将其传输至金属电极，实现电子-空穴的有效分离，其空穴传输性能是决定钙钛矿太阳能光伏性能的关键因素之一，同时空穴传输层对器件性能和长期稳定性也起着主导作用。在p-i-n型器件结构中，空穴传输材料应具有合适的能带结构，高载流子迁移率，以及具有良好的抗光和抗热性能。

2、目前，用于反式钙钛矿太阳能电池模组的主流空穴传输材料有p3ht、ptaa、pedot:pss、niox和spiro-ttb等。p3ht、ptaa和pedot:pss这类共轭聚合物空穴传输材料，其繁琐的合成路线和提纯步骤困难，导致材料成本高，且属于有机物材料，其稳定性较差；此外，这类材料一般通过旋涂法制备，该工艺制备的大面积薄膜均匀性差，缺陷密度大，从而影响器件性能，不适合产业化生产制备。niox作为一种氧化物空穴传输材料，相比有机聚合物材料，其导电性和薄膜稳定性较优；niox薄膜一般通过溶液法和磁控溅射法制备，溶液法制备的大面积薄膜的均匀性且结晶差，不适合大规模工业化生产，同时磁控溅射设备的购置和维护成本很高，导致其产业化成本较高。目前低成本产业化制备工艺多采用真空热蒸发沉积法制备，其工艺简单、成本低、且重复性好。spiro-ttb空穴传输层常用真空热蒸发沉积法制备，该方法制备的薄膜均匀性好、缺陷少，但spiro-ttb材料作为有机材料对水汽、温度和光照等环境因素都十分敏感，导致钙钛矿太阳电池稳定性差；此外该材料的合成与提纯过程十分复杂，生产成本高，限制了应用范围。因此，如何实现低成本可产业化应用的钙钛矿太阳能电池模组技术是迫切需要的。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，包括步骤：

3、s1、刻蚀透明电极层形成若干第一沟槽，所述若干第一沟槽将所述透明电极层分割为若干子电池区域；

4、s2、在所述若干子电池区域的表面和所述若干第一沟槽中沉积空穴传输材料，形成空穴传输层；其中，所述空穴传输层的材料包括合金化氧化碲，所述合金化氧化碲由se、s、p、as、mg、fe、al中任一种合金元素和氧化碲混合形成；

5、s3、在所述空穴传输层的表面沉积钙钛矿吸光层；

6、s4、在所述钙钛矿吸光层的表面沉积电子传输层；

7、s5、刻蚀所述电子传输层、所述钙钛矿吸光层和所述空穴传输层直至所述透明电极层，露出所述若干子电池区域中第一端部子电池区域的部分表面和第二端部子电池区域的部分表面，并在所述若干子电池区域的中间子电池区域上方形成第二沟槽；

8、s6、沉积金属电极层，其中，所述金属电极层的一端从所述电子传输层表面延伸至所述第一端部子电池区域的表面，另一端从所述电子传输层表面延伸至所述第二端部子电池区域的表面，且填充在所述第二沟槽中；

9、s7、刻蚀所述第一端部子电池区域的金属电极层直至所述透明电极层，使得所述第一端部子电池区域表面的金属电极层与所述空穴传输层之间相距预设距离，同时刻蚀每个中间子电池区域上方的金属电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层直至所述透明电极层以形成第三沟槽，得到通过所述第二沟槽中的金属电极层互连的若干子电池。

10、在本发明的一个实施例中，步骤s1包括：

11、激光刻蚀所述透明电极层，刻蚀深度大于或等于所述透明电极层的厚度，形成所述若干第一沟槽；其中，激光频率为300-500khz，刻蚀速度为1800-2200mm/s，刻蚀次数为2次，激光波长为1064nm；

12、清洗所述透明电极层。

13、在本发明的一个实施例中，所述合金化氧化碲中，氧化碲的质量为280-320mg，合金元素的质量为8-24mg。

14、在本发明的一个实施例中，步骤s2包括：

15、利用真空热蒸发沉积法，在真空压力为3×10-4-5×10-4pa，蒸镀速率为0.4-0.6å/s的条件下，在所述若干子电池区域的表面和所述若干第一沟槽中沉积70-90nm的空穴传输材料，形成空穴传输层；

16、对所述空穴传输层退火处理，退火环境为空气，退火温度为150-250℃，退火时间为20-40min。

17、在本发明的一个实施例中，所述钙钛矿吸光层材料的结构通式为abx3，其中，a为阳离子且a选自ma+、fa+、rb+、cs+中的一种或多种；b为阳离子且b选自pb2+、sn2+中的一种或多种；c为阴离子且选自cl-、br-、i-的一种或多种；

18、当所述钙钛矿吸光层采用cs0.05fa0.70ma0.25pbi2.75br0.25时，步骤s3包括：

19、利用真空热蒸发沉积法，在压力为3×10-4-5×10-4pa，蒸镀速率为0.8-1.2å/s的条件下，在所述空穴传输层的表面沉积总厚度为310-350nm的pbi2和csi；然后在蒸镀速率为0.8-1.2å/s的条件下沉积210-250nm的fai；最后在蒸镀速率为0.4-0.6å/s的条件下沉积30-50nm的mabr；并在110-130℃的空气环境中退火15-30min，得到组分为cs0.05fa0.70ma0.25pbi2.75br0.25的钙钛矿吸光层。

20、在本发明的一个实施例中，步骤s4包括：

21、利用真空热蒸发沉积法，在压力为3×10-4-5×10-4pa，蒸镀速率为0.4-0.6å/s的条件下，在所述钙钛矿吸光层的表面沉积20-40nm的电子传输材料，然后在蒸镀速率为0.1-0.2å/s的条件下，沉积5-10nm的界面修饰材料，形成所述电子传输层。

22、在本发明的一个实施例中，步骤s5包括：

23、激光刻蚀所述电子传输层、所述钙钛矿吸光层和所述空穴传输层直至所述透明电极层，露出所述若干子电池区域中第一端部子电池区域的部分表面和第二端部子电池区域的部分表面，并在所述若干子电池区域的中间子电池区域上方形成第二沟槽；

24、其中，激光频率为800-1200khz，刻蚀速度为600-1000mm/s，刻蚀次数为1次，激光波长为355nm。

25、在本发明的一个实施例中，步骤s6包括：

26、利用真空热蒸发沉积法，在压力为3×10-4-5×10-4pa，蒸镀速率为0.6-1.0å/s的条件下沉积130-160nm的金属电极层。

27、在本发明的一个实施例中，步骤s7包括：

28、激光刻蚀所述第一端部子电池区域的金属电极层直至所述透明电极层，使得所述第一端部子电池区域表面的金属电极层与所述空穴传输层之间相距预设距离，同时激光刻蚀每个中间子电池区域上方的金属电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层直至所述透明电极层以形成第三沟槽，得到通过所述第二沟槽中的金属电极层互连的若干子电池；

29、其中，激光频率为400-800khz，刻蚀速度为2200-2600mm/s，刻蚀次数为1次，激光波长为355nm。

30、本发明的另一个实施例提供了一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组，由上述实施例所述的制备方法制备得到，包括：基底、透明电极层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和金属电极层，其中，所述透明电极层位于所述基底上，所述透明电极层中形成有若干第一沟槽，所述若干第一沟槽将所述透明电极层分割为若干子电池区域；

31、所述空穴传输层位于若干所述子电池区域中中间子电池区域的表面、第一端部子电池区域的部分表面和第二端部子电池区域的部分表面，且填充在所述若干第一沟槽中；所述空穴传输层的材料合金化氧化碲，所述合金化氧化碲由se、s、p、as、mg、fe、al中任一种合金元素和氧化碲混合形成；

32、所述钙钛矿吸光层、所述电子传输层依次层叠在所述空穴传输层的表面；每个所述中间子电池区域上方均形成有第二沟槽，所述第二沟槽贯穿所述电子传输层、所述钙钛矿吸光层和所述空穴传输层；

33、所述金属电极层填充若干所述第二沟槽，且同时从所述电子传输层的表面延伸至所述第二端部子电池区域的表面；位于所述第一端部子电池区域表面的金属电极层与所述空穴传输层之间相距预设距离；

34、每个所述中间子电池区域上方均形成有第三沟槽，所述第三沟槽贯穿所述金属电极层、所述电子传输层、所述钙钛矿吸光层和所述空穴传输层，以形成若干通过所述第二沟槽中的金属电极层互连的若干子电池。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果：

36、1、本发明空穴传输层的材料采用se、s、p、as、mg、fe、al中任一种合金元素和氧化碲混合形成合金化氧化碲；第一，合金化氧化碲的迁移率高，能够有效提升钙钛矿太阳能电池模组的电荷传输能力，从而提升大面积钙钛矿太阳能电池模组的效率；第二，合金化氧化碲为氧化物材料，其对空气氧化不敏感，具有良好的空气稳定性和热稳定性；第三，合金化氧化碲的原料价格低廉，成本较低，适合真空热蒸发沉积法大规模生产；因此，本发明采用合金化氧化碲作为空穴传输层，能够实现高性能、高稳定性和低成本的钙钛矿太阳能电池模组。

37、2、本发明的空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、金属电极层均采用真空热蒸发沉积法制备，适用于制备大面积的高可重复性的钙钛矿太阳能电池模组的制备；第一，真空热蒸发沉积法中薄膜在真空条件下制备，具有出色的薄膜均匀性，避免了杂质和气体的污染，有利于薄膜和器件的高性能和高稳定性；第二，制备过程可以精确控制薄膜厚度，可控性和重复性高，不含有毒溶剂以及具有出色的器件再现性和可扩展性，适用于大面积模组器件制备，显著提升钙钛矿太阳能电池模组产业应用的高良品率；第三，相比于其他沉积技术，真空热蒸发沉积设备的结构相对简单，维护成本低；因此，本发明实现了全真空热蒸发沉积法制备钙钛矿太阳能电池模组，有利于实现钙钛矿太阳能电池模组的产业化发展。

技术特征：

1.一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，步骤s1包括：

3.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，所述合金化氧化碲中，氧化碲的质量为280-320mg，合金元素的质量为8-24mg。

4.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，步骤s2包括：

5.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿吸光层材料的结构通式为abx3，其中，a为阳离子且a选自ma+、fa+、rb+、cs+中的一种或多种；b为阳离子且b选自pb2+、sn2+中的一种或多种；c为阴离子且选自cl-、br-、i-的一种或多种；

6.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，步骤s4包括：

7.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，步骤s5包括：

8.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，步骤s6包括：

9.根据权利要求1所述的产业化应用钙钛矿太阳能电池模组的制备方法，其特征在于，步骤s7包括：

10.一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组，其特征在于，由如权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到，包括：基底、透明电极层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和金属电极层，其中，所述透明电极层位于所述基底上，所述透明电极层中形成有若干第一沟槽，所述若干第一沟槽将所述透明电极层分割为若干子电池区域；

技术总结
本发明涉及一种产业化应用钙钛矿太阳能电池模组及其制备方法，制备方法包括：刻蚀透明电极层形成若干第一沟槽；利用真空热蒸发沉积法沉积空穴传输层；空穴传输层材料包括合金化氧化碲，合金化氧化碲由Se、S、P、As、Mg、Fe、Al中任一种合金元素和氧化碲混合形成；在空穴传输层表面沉积钙钛矿吸光层；在钙钛矿吸光层表面沉积电子传输层；刻蚀形成第二沟槽；沉积金属电极层；刻蚀形成第三沟槽，得到互连的若干子电池。该方法采用合金化氧化碲作为空穴传输层，利用全真空热蒸发沉积法制备高性能、高稳定性、低成本和可大面积生产的钙钛矿太阳能电池模组，有利于实现钙钛矿太阳能电池模组的产业化发展。

技术研发人员：周龙,眭梦佳,张娇娇,李培咸,张春福
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23