基于ITO与石墨烯多层结构的钙钛矿电池顶电极及其制备方法与流程

本技术属于太阳能薄膜电池制造设备，具体涉及基于ito与石墨烯多层结构的钙钛矿电池顶电极及其制备方法。

背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池具有光电转换效率提升快、制备成本较低等特点，其典型结构包括透明导电电极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层和背电极。透明导电电极用于使入射光进入活性层，并收集、传输光生载流子。目前，掺锡氧化铟因兼具透光性和导电性，被广泛用于钙钛矿电池的透明顶电极。为进一步改善透明电极性能，现有技术通常采用调整ito膜层厚度及沉积条件，或者将化学气相沉积石墨烯与ito层复合的方式，利用石墨烯的高载流子迁移率增强电极的导电能力。

2、然而，随着钙钛矿电池向大面积和模组化方向发展，光生载流子需要在顶电极中横向传输较长距离，ito有限的载流子迁移率容易造成较大的横向电阻损耗，进而影响电池的填充因子和光电转换效率。现有ito与连续石墨烯复合电极虽然能够降低方阻，但连续石墨烯会吸收入射光，增加石墨烯层数还会进一步降低透光率，难以兼顾导电性能和透光性能；同时，该类复合结构通常未针对载流子的长距离横向集流方向构建定向低电阻传输路径。因此，如何在保持透明顶电极较高透光率的同时降低大面积钙钛矿电池的横向电阻损耗，仍是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术针对现有钙钛矿电池透明顶电极难以在保持较高透光率的同时降低大面积电极中载流子横向传输电阻损耗的技术问题，提供一种基于ito与石墨烯多层结构的钙钛矿电池顶电极及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本技术采用以下技术方案予以实现：

3、本技术提供一种基于ito与石墨烯多层结构的钙钛矿电池顶电极，包括沿远离钙钛矿层的方向依次层叠设置的第一ito层、图案化石墨烯栅线夹层和第二ito层；

4、第一ito层和第二ito层均为覆盖电极区域的连续薄膜；

5、图案化石墨烯栅线夹层包括间隔设置的若干个石墨烯栅线，若干个石墨烯栅线呈平行线条或交叉网格分布，相邻石墨烯栅线之间形成透光间隙，石墨烯栅线沿顶电极中的载流子横向集流方向延伸；

6、第二ito层覆盖石墨烯栅线以及第一ito层位于相邻石墨烯栅线之间的区域，使石墨烯栅线嵌设于第一ito层与第二ito层之间，若干个石墨烯栅线构成载流子横向传输的低电阻通道。

7、进一步，石墨烯栅线的线宽为5~50μm，相邻石墨烯栅线中心线的间距为100~500μm。

8、进一步，石墨烯栅线的线宽为10~20μm，相邻石墨烯栅线中心线的间距为200~300μm。

9、进一步，石墨烯栅线包括1~3层化学气相沉积石墨烯。

10、进一步，第一ito层的厚度为40~80nm，第二ito层的厚度为30~70nm；第一ito层和第二ito层在可见光范围内的折射率为1.8~2.1。

11、进一步，顶电极包括至少一个中间ito层和至少两个图案化石墨烯栅线夹层；第一ito层、中间ito层和第二ito层与各图案化石墨烯栅线夹层沿远离钙钛矿层的方向交替层叠设置，相邻两个ito层之间设置有一个图案化石墨烯栅线夹层，第一ito层位于交替层叠结构的最底层，第二ito层位于交替层叠结构的最顶层。

12、本技术还提供一种上述钙钛矿电池顶电极的制备方法，包括以下步骤：

13、在钙钛矿层上形成覆盖电极区域的连续第一ito层；

14、在承载基体上形成包括间隔设置的若干个石墨烯栅线的图案化石墨烯栅线夹层；

15、将图案化石墨烯栅线夹层从承载基体转移至第一ito层；

16、在图案化石墨烯栅线夹层以及第一ito层位于相邻石墨烯栅线之间的区域上形成连续第二ito层，得到钙钛矿电池顶电极。

17、进一步，在承载基体上形成图案化石墨烯栅线夹层，包括：

18、在生长有化学气相沉积石墨烯的铜箔上旋涂光刻胶；

19、对光刻胶进行曝光和显影，在光刻胶中形成栅线图案；

20、以形成有栅线图案的光刻胶为掩膜，采用氧等离子体刻蚀石墨烯，形成若干个间隔设置的石墨烯栅线；

21、去除光刻胶，得到承载有图案化石墨烯栅线夹层的铜箔。

22、进一步，将图案化石墨烯栅线夹层从承载基体转移至第一ito层，包括：

23、在图案化石墨烯栅线夹层表面贴合热释放胶带；

24、刻蚀铜箔，得到由热释放胶带承载的图案化石墨烯栅线夹层；

25、对由热释放胶带承载的图案化石墨烯栅线夹层进行清洗和干燥；

26、将图案化石墨烯栅线夹层与第一ito层对位并贴合；

27、加热至热释放胶带的释放温度，移除热释放胶带，使图案化石墨烯栅线夹层保留于第一ito层上。

28、进一步，在将图案化石墨烯栅线夹层转移至第一ito层之后，在当前位于最上层的图案化石墨烯栅线夹层上形成中间ito层，并在中间ito层上转移图案化石墨烯栅线夹层；重复执行形成中间ito层以及转移图案化石墨烯栅线夹层的步骤，使第一ito层与第二ito层之间形成至少一个中间ito层和至少两个图案化石墨烯栅线夹层，且各ito层与各图案化石墨烯栅线夹层交替层叠设置；在当前位于最上层的图案化石墨烯栅线夹层上形成第二ito层。

29、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

30、本技术通过在连续的第一ito层与第二ito层之间嵌设图案化石墨烯栅线夹层，使石墨烯栅线沿载流子横向集流方向构成定向低电阻通道。光生载流子在ito层内横向传输至石墨烯栅线所在区域后，可优先进入载流子迁移率较高、电阻较低的石墨烯栅线，并沿石墨烯栅线快速传输至金属栅线或集流点，从而缩短载流子在ito层内的高阻横向传输路径，降低大面积钙钛矿电池顶电极的横向电阻损耗，提高载流子收集和传输效率。同时，石墨烯以间隔分布的栅线形式设置，相邻石墨烯栅线之间形成透光间隙，由ito层及透光间隙区域保证光线透过，避免连续石墨烯层因增加层数而持续降低透光率，由此实现顶电极透光性能与导电性能的协同改善。在给定设计条件下，顶电极可实现超过90%的透光率和低于20ω/sq的方阻，并有利于使横向传输损耗降低50%以上、载流子有效横向传输距离提高3~5倍，进而改善大面积钙钛矿电池的填充因子和光电转换性能。

31、本技术先在承载基体上形成具有预定间距和分布形式的图案化石墨烯栅线夹层，再将该图案化石墨烯栅线夹层整体转移至连续第一ito层，最后在石墨烯栅线及相邻石墨烯栅线之间暴露的第一ito层上形成连续第二ito层，从而能够稳定制得第一ito层、图案化石墨烯栅线夹层和第二ito层依次层叠的复合顶电极。该方法将石墨烯栅线的图案形成过程与钙钛矿电池基体分开实施，减少直接在钙钛矿电池上进行图案化处理对其功能层造成影响的风险，并便于控制石墨烯栅线的线宽、间距、延伸方向及图案完整性。第二ito层形成后，石墨烯栅线被嵌设于两层连续ito层之间，有利于提高石墨烯栅线与ito层之间的电接触连续性，使制得的顶电极形成稳定的定向低电阻横向传输通道，同时保留栅线之间的透光区域，由此保证本技术提供的钙钛矿电池顶电极透光性能与横向导电性能协同提升的技术效果。