一种高透明度太阳能光伏器件的制备方法与流程

1.本发明涉及太阳能电池技术领域，具体为一种高透明度太阳能光伏器件的制备方法。


背景技术：

2.光伏技术近年来取得了飞速的发展，光伏发电已逐渐成为许多国家和地区的常见能源供应模式。与不透明光伏技术相比，透明光伏技术不仅能将太阳能转化为电能，还能提供一个自然的可见光环境，为太阳能的利用提供了一种独特的方式。高透明度的特性能够使透明光伏器件(tpv)广泛应用于建筑或汽车窗户、温室、智能设备等场合。当平均可见光透过率(avt)达到70％以上时，tpv将满足在办公室或客厅窗户上使用的透过率要求。一些特殊的应用也需要在高度透明的条件下使用，比如隐形的自供电可穿戴设备等。同时，tpv的高光电转换效率可以为利用tpv作为高能耗应用的能源提供了巨大的潜力。
3.因为提高器件avt需要对太阳光谱中可见光区域的收集限制在一个非常有限的水平，所以会导致器件在可见光区域吸光减少，导致光电转化性能大幅降低。为了满足更多的应用需求，探索高透明度的光伏器件以及进一步提高器件性能是研究的重点。因此，需要对吸光材料、透明电极、器件结构的选择和使用进行探索。此外，由于实验室制备的小面积器件输出功率低(其中包含有限的开路电压以及较低的短路电流密度等)，难以在现实场合中广泛应用。因此，实际应用需要探索更大输出功率的tpv器件。


技术实现要素：

4.针对目前透明太阳能电池中因控制对可见光区域的吸收而导致光电转化效率受限的问题，本发明提供了一种高透明度太阳能器件的制备方法，采用avt大于85％的透明顶电极和具有红外吸收能力的活性层材料，通过调节吸光层给受体比例和吸光层薄膜厚度制备高透明度太阳能电池。可以实现tpv器件的avt在40％至85％范围内的任意调节，保证了在提高avt的同时，器件的光电转化性能仍然保持较好水平。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种高透明度太阳能器件的制备方法，太阳能器件结构依次为透明电极、空穴传输层、活性吸光层、电子传输层和透明电极，其特征在于：制备方法包括：
7.s1、将ito玻璃基底依次用表面活性剂，去离子水和异乙醇超声洗涤烘干，形成透明底电极；
8.s2、将pedot(4083)用去离子水或乙醇稀释，配制pedot(4083)溶液，并将pedot(4083)溶液旋涂于ito基底，形成空穴传输层；
9.s3、将活性层材料的ptb7
‑
th:ieico
‑
4f，该特定组合按质量比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶10溶于氯苯溶剂中，并加入cn溶剂调节形貌，通过同时精确调控给体和受体的特定比例和整体浓度，改变活性层的厚度，并旋涂于空穴传输层，形成活性吸光层；
10.s4、在活性吸光层上旋涂zno纳米颗粒的溶液，形成电子传输层；
11.s5、使用水系和乙醇系的ag nws以不同比例多次旋涂于电子传输层，控制纳米线密度和层间接触电阻，通过光谱调节形成最终透明电极；
12.s6、利用超快激光对s1
‑
s5形成的旋涂层进行图案化刻蚀，完成太阳能器件的制备。
13.透明电极为薄层金属薄膜、金属氧化物、导电聚合物、金属纳米线、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
14.所述活性层材料为y6或dpp2t中的一种或两种混合使用。
15.所述空穴传输层材料为pedot、cuo
x
、wo3、moo3、nio
x
、cui、cupc、znpc、ptaa、alq3、cuscn、spiro
‑
ometad中的一种或多种混合使用。
16.所述电子传输层材料为zno、tio2、mgo、nb2o5、nd2o3、sno2、wo3、zro2、zns、znse、pdino、peie、pfn
‑
br、pfso3na、pfn/pfbt中的一种或多种混合使用。
17.所述器件结构中，空穴传输层和电子传输层的位置可以互换。
18.所述太阳能器件大面积制备时，需通过对底部透明电极、电子传输层和顶部透明电极使用激光图案化方法处理，形成串并联结构。
19.本发明的有益效果为：本发明中对活性层材料和透明电极的组合进行设计，可以实现器件的avt在40％至85％范围内可任意调节，保证了在提高avt的同时，器件的光电转化性能仍然保持较好水平。其中选择的活性层材料组合不仅针对性地降低了器件在可见光区域的吸收，而且在其他光谱区域可以发挥光电转换性能。设计使用的电极透明度高，可在室温制备，制备工艺简单，重复性好并且易于大面积器件的制备。另外，通过对器件进行串并联设计，利用激光刻蚀图案化的方法，可制备大面积、高透明度且高效的tpv模组。
20.利用设计的器件结构，制备得到的太阳能电池器件avt大于70％时，其pce可高达3.8％，当器件avt大于75％时，其pce可达3.5％，当器件avt大于80％时，其pce可超1.6％。当器件活性面积为10.3cm2左右时，对于avt大于80％的tpv器件，其pce可超1.3％。得到的器件性能处于目前研究领域非常高的水平。
附图说明
21.图1是不同活性层材料的吸收谱图。
22.图2是同一活性层总浓度下不同给体
‑
受体比例的薄膜透过率谱图。
23.图3是同一给体
‑
受体比例下不同活性层总浓度薄膜的透过率谱图。
24.图4是不同给体
‑
受体比例及不同活性层浓度下的薄膜avt统计谱图。
25.图5是不同给体
‑
受体比例及不同活性层浓度下的薄膜cri统计谱图。
26.图6是不同给体
‑
受体比例及不同活性层浓度下的tpv器件且电极为ag nws的avt统计谱图。
27.图7是不同给体
‑
受体比例及不同活性层浓度下的tpv器件且电极为ph1000的avt统计谱图。
28.图8是不同给体
‑
受体比例及不同活性层浓度下的tpv器件且电极为ag nws的pce统计谱图。
29.图9是不同给体
‑
受体比例及不同活性层浓度下的tpv器件且电极为ph1000的pce统计谱图。
30.图10是活性面积约为10.3cm2的tpv器件电流密度
‑
电压曲线图。
31.图11是小面积器件中对ag nws激光处理的图案化设计。
32.图12是大面积器件中的串联设计。
33.图13是大面积器件p1、p2、p3激光裁切线的截面示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：
35.本发明以下结合具体实施例进行解说。
36.本发明的制备方法为：
37.1.ito玻璃基底依次用表面活性剂，去离子水和异乙醇超声洗涤，各10分钟。烘干后留用。
38.2.将pedot(4083)分散于去离子水或乙醇中，配制pedot(4083)溶液，将其旋涂于ito基底，4000rpm旋涂25s,100℃左右退火5分钟，冷却至室温。
39.3.将活性层材料的给体ptb7
‑
th和受体ieico
‑
4f溶于氯苯溶剂中，可加入添加剂如cn或dio,配制浓度在5
‑
40mg/ml均可。2000rpm旋涂40
‑
60s,100℃左右退火10分钟。其中，活性层材料的给体和受体可按照1:1
‑
1:20调节，40
‑
5mg/ml进行调节，如图2和图3所示，制备吸收光谱不同、厚度10
‑
200nm的活性层薄膜，在大范围调节avt和cri。
40.4.冷却后，在基底上旋涂zno纳米颗粒的溶液，4000rpm旋涂20
‑
50s。
41.5.将ag nws分散于乙醇或水溶液，配置不同浓度分散液。可使用同一种溶剂的ag nws，也可使用不同溶剂混合的ag nws，如将水系和乙醇系ag nws以不同比例及不同浓度混合，将其旋涂于zno薄膜基底上。根据需要的器件活性面积，将设计的图案输入电脑中，如图11所示，利用超快激光进行图案化刻蚀，其中，调节激光聚焦位置为20.3cm2、速度为1000mm/s、功率为15％、频率为80hz。ag nws刻蚀完成后即完成了小面积tpv器件的制备。
42.对于大面积器件的制备：
43.1、大面积器件的制备，对其进行串联设计。ito基底清洗干净后，在电脑中输入图12中p1图案，调节激光聚焦位置为20.3cm2、速度为400mm/s、功率为35％、频率为20hz。对ito层进行刻蚀。
44.2、旋涂pedot溶液，4000rpm旋涂25s,100℃左右退火5分钟，冷却至室温。
45.3、旋涂活性层溶液，如前面小面积电池的活性层旋涂方法，2000rpm旋涂40
‑
60s,100℃左右退火10分钟。
46.4、在基底上旋涂zno纳米颗粒的溶液，4000rpm旋涂20
‑
50s。在电脑中输入图12中p2图案，调节激光聚焦位置为20.3cm2、速度为1000mm/s、功率为15％、频率为20hz。
47.5、旋涂ag nws溶液，可多次旋涂。在电脑中输入图12中p3图案，p3层调节激光聚焦位置为20.3cm2、速度为1000mm/s、功率为20％、频率为80hz。进行激光图案化刻蚀，构建需要的活性面积，可串联多个器件。具体设计的图案如图12所示。(不同仪器的激光可能相应的参数有所不同)。最终制备了活性面积为10.3cm2左右的高透明度tpv器件，器件avt可超80％。
48.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
49.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。