本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種柔性鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著全球氣候日益惡化，不可再生能源的持續(xù)消耗，人們對(duì)清潔可再生能源的利用迫在眉睫。太陽能因其清潔、儲(chǔ)量大，分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。對(duì)太陽能的利用中，太陽能電池占據(jù)了很大比例。近年來，鈣鈦礦電池因其制備技術(shù)簡單，成本低廉，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢成為了研究熱點(diǎn)。

目前研究的鈣鈦礦電池主要沉積在導(dǎo)電玻璃(FTO，ITO)上，由于玻璃的易碎性，大大的限制了鈣鈦礦電池的應(yīng)用。可穿戴電子設(shè)備的逐漸發(fā)展，柔性光電子器件研發(fā)受到了人們的重視。鈣鈦礦電池屬于薄膜電池，其在一定程度上具有彎曲的能力，因而，柔性鈣鈦礦電池器件的制備成為可能。

柔性基底一般為有機(jī)聚合物，其耐熱性能較差，而在常規(guī)的鈣鈦礦電池中，金屬氧化物界面層需要很高的燒結(jié)溫度(500-600℃)，這個(gè)溫度會(huì)對(duì)柔性基底產(chǎn)生毀滅性的損壞。另外柔性鈣鈦礦電池常用ITO作為底電極，ITO方塊電阻為10Ω/sq～50Ω/sq，阻值較大，對(duì)于大面積器件的效率影響較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種柔性鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)，其目的在于通過采用高電導(dǎo)率的金屬作為底電極取代傳統(tǒng)的導(dǎo)電性較差的ITO，減小底電極電阻，使其具備制備大面積器件的潛能；本發(fā)明還通過采用無需高溫加熱的摻雜電子收集層收集電子，解決了柔性基底耐熱性差的難題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種柔性鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)，其由柔性基底、金屬底電極、摻雜電子收集層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層和透明導(dǎo)電高分子頂電極，按從下往上順序構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述柔性基底可選用多種的柔性基底材料，包括但不限于PET、PES或PEN。

進(jìn)一步的，所述金屬底電極為通過磁控濺射、熱蒸發(fā)、噴涂或3D打印方法沉積的一層50-100nm的金屬材料。

進(jìn)一步的，所述金屬底電極和摻雜電子收集層之間，設(shè)有低功函數(shù)界面修飾層，用于使金屬底電極和電子收集層之間能級(jí)匹配，便于載流子的傳輸，電池性能更好。

進(jìn)一步的，所述低功函數(shù)界面修飾層材料包括但不限于PEI即聚醚酰亞胺，PFN即9,9-二辛基芴-9,9-雙(N,N-二甲基胺丙基)芴。

進(jìn)一步的，所述摻雜電子收集層的主體材料為電子遷移率高、最低空軌道LUMO能級(jí)低的有機(jī)小分子材料或聚合物材料，包括但不限于富勒烯、苝酰亞胺類；摻雜劑為胺類、銨鹽類小分子材料或銨鹽類聚合物材料。

進(jìn)一步的，所述鈣鈦礦層采用旋涂、熱蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷方法制備。

進(jìn)一步的，所述空穴傳輸層HTL采用P3HT即聚-3己基噻吩或Sprio-OMeTAD即2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴。

進(jìn)一步的，所述透明導(dǎo)電高分子頂電極采用透光性好的高電導(dǎo)率的有機(jī)導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS。

相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種柔性鈣鈦礦太陽能電池制作方法，包括如下步驟：

(1)底電極的制備：在潔凈的柔性基底采用熱蒸發(fā)方法，沉積一層50-100nm的Ag電極，作為底電極；

(2)低功函數(shù)界面修飾層的制備：采用旋涂法、浸泡法或噴涂法在柔性基底上制備一層厚度為5-15nm厚度的PEI或PEIE，并在70-100℃溫度下干燥5-10min；

(3)摻雜的電子收集層的制備：采用旋涂法、浸泡法或噴涂法在PEI或PEIE上面制備一層厚度為50-80nm的n-doped PCBM，在80-100℃溫度下干燥5-10min；

(4)鈣鈦礦吸光層的制備：采用旋涂法、絲網(wǎng)印刷法、刮涂法或噴霧沉積法在n-doped PCBM上制備鈣鈦礦吸光層，并在90-110℃溫度下干燥5-10min，得到厚度為250-350nm的鈣鈦礦層；

(5)空穴傳輸層的制備：采用旋涂法、噴涂法或絲網(wǎng)印刷法在鈣鈦礦層上得到厚度為150-200nm左右的空穴傳輸層，所用材料包括但不限于P3HT和Spiro-OMeTAD；

(6)透明導(dǎo)電高分子頂電極的制備：在PH1000中添加適量的表面活性劑，包括但不限于PEG、乙二醇，得到電導(dǎo)率為700S/cm的PH1000溶液，然后通過轉(zhuǎn)膜的方法得到透明的50-70nm的透明導(dǎo)電高分子頂電極。

進(jìn)一步的，所述步驟(6)中的轉(zhuǎn)膜方法具體為：在聚二甲基硅氧烷PDMS上旋涂電導(dǎo)率為600-800S/cm的PH1000溶液，然后切割成所需電極大小形狀，再將PDMS反過來貼到氧等離子體處理過的空穴傳輸層表面，揭下PDMS，高導(dǎo)電的PH1000薄膜粘附在空穴傳輸層上成為透明導(dǎo)電透明導(dǎo)電高分子頂電極。

其中，所述電子收集層采用n-doped PCBM，PCBM是一個(gè)富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester。由于它的較好的溶解性，高的電子遷移率，是有機(jī)太陽能電池的電子受體的標(biāo)準(zhǔn)物。但要作為電子收集層，其電導(dǎo)率還不夠。通過CTAB即十六烷基三甲基溴化銨或SDBAC即十八烷基二甲基芐基溴化銨的摻雜，能有效改善PCBM的電導(dǎo)率。調(diào)節(jié)CTAB，SDBAC的比例不同，可以調(diào)節(jié)PCBM電導(dǎo)率。

本發(fā)明提出的電池的結(jié)構(gòu)底電極金屬Ag，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電阻低，還具備反射入射光的功能，能有效的用于大面積器件，減小串聯(lián)電阻，還能有效增加光吸收，反射第一次鈣鈦礦層沒有吸收完全的光進(jìn)行二次吸收。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)采用摻雜電子收集層作為陰極修飾層，無需高溫加熱，規(guī)避了金屬氧化物的使用，使電池能夠在低溫下制備整個(gè)制備過程都只需低溫(≤150℃)處理，使大多數(shù)柔性基底都能滿足這個(gè)溫度條件；

(2)金屬Ag作為底電極，電阻小，可反光，能夠很好的減小串聯(lián)電阻，提高電池短路電流；

(3)器件可以應(yīng)用在曲面墻壁，汽車頂端等不能用剛性材料的發(fā)電裝置上，能夠在不影響器件性能的情況下彎曲。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的柔性鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)一種示意圖；

圖2是本發(fā)明的柔性鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)另一種示意圖；

圖3是本發(fā)明柔性鈣鈦礦太陽能電池的電流電壓曲線；

圖4是本發(fā)明柔性鈣鈦礦太陽能電池在彎折不同次數(shù)下的參數(shù)變化曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1

按照圖1結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述的柔性鈣鈦礦太陽能電池制備方法如下：

(1)底電極的制備：在潔凈的柔性基底采用熱蒸發(fā)法上沉積一層70nm的Ag電極，作為底電極；

(2)低功函數(shù)界面修飾層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在柔性基底上得到一層厚度為10nm厚度的PEIE，并在100℃干燥10min；

(3)摻雜的電子收集層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在PEIE上面得到一層厚度為70nm的n-doped PCBM，80℃干燥5min；

(4)鈣鈦礦吸光層的制備：采用反溶劑法在n-doped的PCBM上制備鈣鈦礦吸光層，并在100℃干燥10min，獲得厚度為270nm左右的鈣鈦礦層；

(5)空穴傳輸層(HTL)的制備：在鈣鈦礦層上用旋涂一層sprio-OMeTAD作為空穴傳輸層，并置于干燥箱中氧化12h；

(6)透明導(dǎo)電高分子頂電極的制備：將摻有5％乙二醇和0.1％的表面活性劑的電導(dǎo)率為700S/cm的PH1000溶液旋涂在PDMS上，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)膜得到面積為4mm²透明導(dǎo)電高分子頂電極。

利用本實(shí)例方法制備的柔性鈣鈦礦電池器件的電流電壓如圖3，Voltage代表電壓，current density代表電流密度，開路電壓V_oc＝1.04V，電流密度J_sc＝15.79mA cm^-2，填充因子FF＝67.1％，效率PCE＝11.02％。

實(shí)施例2

按照圖1結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述的柔性鈣鈦礦太陽能電池制備方法如下：

(1)底電極的制備：在潔凈的柔性基底采用熱蒸發(fā)法上沉積一層50nm的Ag電極，作為底電極；

(2)低功函數(shù)界面修飾層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在柔性基底上得到一層厚度為5nm厚度的PEIE，并在70℃干燥10min；

(3)摻雜的電子收集層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在PEIE上面得到一層厚度為50nm的n-doped PCBM，80℃干燥10min；

(4)鈣鈦礦吸光層的制備：采用反溶劑法在n-doped的PCBM上制備鈣鈦礦吸光層，并在90℃干燥10min，獲得厚度為250nm左右的鈣鈦礦層；

(5)空穴傳輸層(HTL)的制備：在鈣鈦礦層上用旋涂一層200nm的sprio-OMeTAD作為空穴傳輸層，并置于干燥箱中氧化12h；

(6)透明導(dǎo)電高分子頂電極的制備：將摻有5％乙二醇和0.1％的表面活性劑的電導(dǎo)率為600S/cm的PH1000溶液旋涂在PDMS上，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)膜得到面積為4mm²透明導(dǎo)電高分子頂電極。

實(shí)施例3

按照圖1結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述的柔性鈣鈦礦太陽能電池制備方法如下：

(1)底電極的制備：在潔凈的柔性基底采用熱蒸發(fā)法上沉積一層100nm的Ag電極，作為底電極；

(2)低功函數(shù)界面修飾層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在柔性基底上得到一層厚度為15nm厚度的PEIE，并在100℃干燥5min；

(3)摻雜的電子收集層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在PEIE上面得到一層厚度為80nm的n-doped PCBM，100℃干燥5min；

(4)鈣鈦礦吸光層的制備：采用反溶劑法在n-doped的PCBM上制備鈣鈦礦吸光層，并在110℃干燥5min，獲得厚度為350nm左右的鈣鈦礦層；

(5)空穴傳輸層(HTL)的制備：在鈣鈦礦層上用旋涂一層sprio-OMeTAD作為空穴傳輸層，并置于干燥箱中氧化12h；

(6)透明導(dǎo)電高分子頂電極的制備：將摻有5％乙二醇和0.1％的表面活性劑的電導(dǎo)率為800S/cm的PH1000溶液旋涂在PDMS上，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)膜得到面積為4mm²透明導(dǎo)電高分子頂電極。

實(shí)施例4

制備大面積的柔性鈣鈦礦器件，方法如下：

(1)底電極的制備：在一個(gè)相對(duì)較大的柔性基底上蒸鍍一層70nm的Ag作為底電極，也方便大面積器件的制備；

(2)低功函數(shù)界面修飾層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在柔性基底上得到一層厚度為10nm厚度的PEIE，并在100℃干燥10min；

(3)摻雜的電子收集層的制備：采用旋涂法，浸泡法，噴涂法在PEIE上面得到一層厚度為70nm的n-doped PCBM，80℃干燥5min；

(4)鈣鈦礦吸光層的制備：采用反溶劑法在n-doped的PCBM上制備鈣鈦礦吸光層，并在100℃干燥10min，獲得厚度為270nm左右的鈣鈦礦層；

(5)空穴傳輸層(HTL)的制備：在鈣鈦礦層上用旋涂一層sprio-OMeTAD作為空穴傳輸層，并置于干燥箱中氧化12h；

(6)透明導(dǎo)電高分子頂電極的制備：將摻有5％乙二醇和0.1％的表面活性劑的電導(dǎo)率電導(dǎo)率為700S/cm的PH1000溶液旋涂在PDMS上，轉(zhuǎn)面積較大的高電導(dǎo)率的PEDOT作為透明導(dǎo)電高分子頂電極。

實(shí)施例5

按照圖2結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述的柔性鈣鈦礦太陽能電池制備方法如下：

(1)底電極的制備：在潔凈的柔性基底采用熱蒸發(fā)法上沉積一層70nm的Ag電極，作為底電極；

(2)電子收集層的制備：采用旋涂法，用3000rpm繼續(xù)旋涂一層70nm厚度的CTAB摻雜的PCBM，80℃干燥5min；

(3)鈣鈦礦吸光層的制備：采用反溶劑法在n-doped的PCBM上制備鈣鈦礦吸光層，并在100℃干燥10min，獲得厚度為270nm左右的鈣鈦礦層；

(4)空穴傳輸層(HTL)的制備：在鈣鈦礦層上用旋涂一層sprio-OMeTAD作為空穴傳輸層，并置于干燥箱中氧化12h；

(5)透明導(dǎo)電高分子頂電極的制備：將摻有5％乙二醇和0.1％的表面活性劑的電導(dǎo)率為800S/cm的PH1000溶液旋涂在PDMS上，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)膜得到面積為4mm²透明導(dǎo)電高分子頂電極。

實(shí)施例6

按照實(shí)施例1中的方法制備柔性鈣鈦礦電池，對(duì)制得的器件進(jìn)行彎折測試，在曲率半徑10mm下彎曲1000次，并在途中測量器件電流電壓曲線，器件參數(shù)隨著彎曲次數(shù)變化的曲線見圖4，圖示中，bending cycles表示彎折次數(shù)，normalized parameters表示歸一化后的參數(shù)?？梢钥吹狡骷?000次彎折后，性能較穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本發(fā)明提出的柔性電池結(jié)構(gòu)可實(shí)施性強(qiáng)，制備的太陽能電池，在標(biāo)準(zhǔn)太陽光下，效率達(dá)到11.02％；彎折性能強(qiáng)，在半徑為10mm的曲率下，彎折1000次以上，電池性能衰減很小。本發(fā)明是一種有效的柔性鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)。

上述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不能以此來限定本發(fā)明保護(hù)的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。