CN107611265B - 一种单节钙钛矿太阳能电池及其模块结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单节钙钛矿太阳能电池及其模块结构。其中，钙钛矿太阳能电池模块由若干单节钙钛矿太阳能电池组成，在该单节钙钛矿太阳能电池的一端，导电层的断开端覆盖有底部电荷传输层，底部电荷传输层的断开端覆盖有中部钙钛矿光吸收层，中部钙钛矿光吸收层的断开端覆盖有顶部电荷传输层；且中部钙钛矿光吸收层的断开端和顶部电荷传输层的断开端不与导电层相接触，顶部电荷传输层的断开端不与底部电荷传输层的断开端相接触。采用该结构，可以使得钙钛矿太阳能电池模块具有了较高的器件稳定性和开路电压。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种单节钙钛矿太阳能电池及其模块结构。
背景技术
钙钛矿太阳电池光电转换效率在短短几年的研究效率如此迅速的提升，这在太阳能电池研究领域是没有先例的，已经引起了国内外学术界和工业界广泛关注和兴趣。这种新型太阳能电池是包括透明导电基底(透明基底上沉积导电层)，在该导电基底上形成的上半导体层(顶部电荷传输层)、钙钛矿光电转换层(中部钙钛矿光吸收层)、下半导体层(底部电荷传输层)和对电极层。钙钛矿太阳能电池的结构主要分为正式和反式两种。正式太阳能电池基本结构是TCO/电子传输层(如二氧化钛)/钙钛矿/空穴传输层(如Spiro-MeTAD)/金属电极(如Au)；反型钙钛矿电池基本结构是ITO或FTO/空穴传输层(如PEDOT:PSS)/钙钛矿/电子传输层(如PCBM)/金属电极(如Ag)。
相比于其他太阳能电池，钙钛矿薄膜太阳能电池具有以下优势：(1)较高的能量转换效率，现阶段其效率已经超过20％；(2)其核心光电转换材料具有廉价、可溶液制备的特点，便于采用不需要真空条件的技术制备，这为钙钛矿薄膜太阳能电池的大规模、低成本制造提供可能；(3)钙钛矿薄膜太阳能电池还可以制备在柔性衬底上，便于应用在各种柔性电子产品中，例如可穿戴的电子设备、折叠式军用帐篷等；(4)与染料敏化太阳电池相比，钙钛矿薄膜太阳能电池不需要液体电解质，不用担心太阳电池的漏液问题；(5)与有机光伏器件相比，钙钛矿薄膜太阳能电池的核心光电转换材料是有机-无机杂化材料，材料的耐候性可能会优于有机光伏器件中使用的有机半导体材料。
钙钛矿太阳能电池在电池效率、器件结构和制备方法上有了迅速进步和发展。但是现在报道的钙钛矿电池的有效面积相对比较小(0.2cm2以下)、并且器件稳定性差，因此这类太阳能电池产业化任重而道远。另外，现阶段报道的钙钛矿太阳能电池模块组件效率比较小，基本小于10％，而且面积也相对比较小(小于20平方厘米)。主要原因是因为钙钛矿太阳能电池本身结构的特殊性，需要合理设计适合于钙钛矿太阳能电池模块结构和制备方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单节钙钛矿太阳能电池。该电池具有较高的稳定性和开路电压。
本发明的另一目的是提供一种包括上述单节钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池模块。
本发明的又一目的是提供上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法。
为达到上述目的，一种单节钙钛矿太阳能电池，该单节钙钛矿太阳能电池包括基底、导电层、对电极层，以及设于所述导电层和对电极之间用于实现电子传输、光吸收和空穴传输功能的光生电单元；所述光生电单元包括底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层和顶部电荷传输层；其中，在该单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述导电层的断开端覆盖有底部电荷传输层，所述底部电荷传输层的断开端覆盖有中部钙钛矿光吸收层，所述中部钙钛矿光吸收层的断开端覆盖有顶部电荷传输层；且所述中部钙钛矿光吸收层的断开端和顶部电荷传输层的断开端不与导电层相接触，顶部电荷传输层的断开端不与底部电荷传输层的断开端相接触。
本发明方案通过特殊的结构设计，不仅实现了中部钙钛矿光吸收层与导电层隔离，钙钛矿光吸收层与对电极层的隔离；而且，也成功隔离了底部电荷传输层与顶部电荷传输层；同时，还使得矿光吸收层的断开端和顶部电荷传输层的断开端不会与导电层相接触，顶部电荷传输层的断开端不与底部电荷传输层的断开端相接触，因此，可以使钙钛矿太阳能电池具有较高的稳定性和开路电压。
在现有技术中，由于钙钛矿吸光层是电池结构中最重要的光电转换部分，因此，为了提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，现有的研究一方面是集中在如何开发出性能更优的钙钛矿材料，另一方面是如何对电池中的钙钛矿材料进行保护，以防止钙钛矿材料的分解。而本发明提供的方案跳出了现有研究的常规思维，利用钙钛矿层所处位置的特殊性，将其作为优化电池模块的结构设计的手段，提高电池的性能。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，覆盖断开端的材料的厚度可根据实际情况进行调整，一般越厚越有利于钙钛矿吸光层与对电极层的分隔，但是，太厚会降低电池的有效面积率，因此，具体应用时，可结合实际情况进行合理调整。具体地：
在本发明提供的一种优选实施方式中，在该单节钙钛矿太阳能电池的一端，导电层的断开端覆盖有不小于10nm厚的底部电荷传输层。
在本发明提供的一种优选实施方式中，底部电荷传输层的断开端覆盖有不小于30nm厚的中部钙钛矿光吸收层；优选为不小于100nm。
在本发明提供的一种优选实施方式中，中部钙钛矿光吸收层的断开端覆盖有不小于10nm厚的顶部电荷传输层。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，在该单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述导电层的断开端具有第一斜坡结构；更优选地，所述中部钙钛矿光吸收层的断开端具有第二斜坡结构；进一步优选地，所述顶部电荷传输层的断开端具有第三斜坡结构。
在常规的钙钛矿太阳能电池中，一般都是直角蚀刻，但这种方式容易造成后续的覆盖层在直角处产生过薄或局部断开等缺陷；这些缺陷对电池器件的影响因子和稳定性都存在较大影响。为此，本发明通过蚀刻产生第一斜坡结构、第二斜坡结构、第三第三斜坡结构，即可大大减少上述缺陷，进一步增加了钙钛矿太阳能电池器件的影响因子和稳定性。在本发明提供的一种优选实施方式中，第一斜坡结构的坡面、第二斜坡结构的坡面或第三斜坡结构的坡面分别与基底呈110-170°；优选为呈120-160°；进一步优选为呈130-155°。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，在该单节钙钛矿太阳能电池的另一端，所述中部钙钛矿光吸收层的断开端具有第四斜坡结构，且至少在部分所述第四斜坡结构上覆盖有顶部电荷传输层。由于钙钛矿光吸收层的断开端的斜坡结构，可以使顶部电荷传输材料覆盖于钙钛矿断开端，蚀刻时通过尽量保留覆盖部分，可制得相应结构。由于该结构可以减少钙钛矿材料的裸露面积，因此，对电池的稳定性具有提高作用。在本发明提供的一优选实施方式中，第四斜坡结构的坡面与基底呈110-170°；优选为呈120-160°；进一步优选为呈130-155°。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述底部电荷传输层为电子传输层，所述顶部电荷传输层为空穴传输层；或，所述底部电荷传输层为空穴传输层，所述顶部电荷传输层为电子传输层。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述基底、导电层、对电极层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层或顶部电荷传输层之间设置有辅助层，所述辅助层用于改善相应层材料的强度、平整度、粘接性或透光率。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述导电层选自氧化铟锡层、掺杂铝的氧化锌层或掺杂氟的氧化锡层。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述基底的材质包括玻璃、金属、陶瓷或耐高温有机聚合物。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述电子传输层选自无机电子传输材料或有机电子传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机电子传输材料包括TiO2、ZnO或SnO2；所述有机电子传输材料包括PCBM。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述空穴传输层选自无机空穴传输材料或有机空穴传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机空穴传输材料包括NiO、Cu2O、NiMgLiO或MoO3；所述有机空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS或PTAA。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述钙钛矿光吸收层中包含一种或几种钙钛矿材料ABX3，A为NH＝CHNH3、CH3NH3或Cs；B为Pb或Sn；X为I、Cl或Br。
在上述单节钙钛矿太阳能电池中，优选地，所述对电极层为金属电极或非金属电极，所述金属电极包括Al、Ag、Au、Mo和Cr中的一种或多种的组合；所述非金属电极包括碳电极。
本发明还提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，其中，该钙钛矿太阳能电池模块包括两个以上上述单节钙钛矿太阳能电池；各单节钙钛矿太阳能电池分置于一块整体基底材料上。由于在一块整体基底上可以一次性制备包含若干单节钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池模块，将本发明提供特殊结构应用于钙钛矿太阳能电池模块的制造工艺中，可以使钙钛矿太阳能电池模块具有较高的器件稳定性和电池效率。
在上述钙钛矿太阳能电池模块中，优选地，相邻的单节钙钛矿太阳能电池之间为串联连接；更优选地，所述串联连接的具体方式为：前一个单节钙钛矿太阳能电池的对电极层与后一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层联通。
本发明另提供了一种上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法，其中，该方法是在基底上依次覆盖和蚀刻导电层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层、顶部电荷传输层和对电极层；同时，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，前一个单节钙钛矿太阳能电池的底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层和顶部电荷传输层进行蚀刻后，可满足对前一层断开端处进行覆盖的要求。
在本发明提供的一优选实施方式中，上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法包括以下步骤：
(1)对基底上覆盖的导电层进行蚀刻，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的沟道区；
(2)在所述导电层和沟道区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；
(3)对沟道区上覆盖的底部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料，从而形成用于分隔导电层断开端和中部钙钛矿光吸收层断开端的第一隔离区；
(4)在所述导电层和沟道区裸露部分上覆盖中部钙钛矿材料，获得中部钙钛矿光吸收层；
(5)对沟道区裸露部分上覆盖的中部钙钛矿光吸收层进行蚀刻，保留覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料，从而形成用于分隔底部电荷传输层断开端和顶部电荷传输层断开端的第二隔离区；
(6)在中部钙钛矿光吸收层和沟道区裸露部分上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；
(7)对沟道区裸露部分上覆盖的顶部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料，从而形成用于分隔中部钙钛矿光吸收层断开端和对电极层断开端的第三隔离区；
(8)在顶部电荷传输层和沟道区裸露部分上覆盖对电极材料，获得对电极层；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻，形成第四隔离区；最终制得钙钛矿太阳能电池模块。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法中，对于导电层、对电极层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层的蚀刻区域(包括蚀刻宽度、蚀刻位置、蚀刻深度等)，按照本领域的常规设置即可。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法中，优选地，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，将前一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层或顶部电荷传输层的断开端蚀刻成斜坡状。优选为采用机械蚀刻方式蚀刻斜坡结构。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法中，优选地，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，将后一个单节钙钛矿太阳能电池的中部钙钛矿光吸收层的断开端蚀刻成斜坡状。进一步优选地，将后一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层的断开端蚀刻成斜坡状。
在上述钙钛矿太阳能电池模块的制备方法中，优选地，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，对后一个单节钙钛矿太阳能电池的对电极层进行蚀刻时，至少使中部钙钛矿光吸收层斜坡状的断开端的一部分，保留有顶部电荷传输材料。
附图说明
图1为实施例1中钙钛矿太阳能电池模块的部分结构示意图；
图2a为实施例1中钙钛矿太阳能电池模块的前半部分制备流程示意图；
图2b为实施例1中钙钛矿太阳能电池模块的后半部分制备流程示意图；
图3为对比例1中钙钛矿太阳能电池模块的部分结构示意图；
图4a为对比例1中钙钛矿太阳能电池模块的前半部分制备流程示意图；
图4b为对比例1中钙钛矿太阳能电池模块的后半部分制备流程示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块(结构如图1所示)，具体制备步骤包括(制备过程如图2a和图2b所示)：
(1)对基底上覆盖的导电层进行蚀刻，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的沟道区；具体为：
将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与投射激光的角度为45°，通过控制软件设定蚀刻位置和参数，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，蚀刻宽度为100μm；
(2)在所述导电层和沟道区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层(第一半导体层)；具体为：
通过喷涂、旋涂、丝网印刷或蒸镀的方法制备电子传输层，电子传输层为TiO2层(厚度为20nm致密层和150nm多孔层)；
(3)对沟道区上覆盖的底部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料，从而形成用于分隔导电层断开端和中部钙钛矿光吸收层断开端的第一隔离区；具体地，
机械蚀刻电子传输层：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为145°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度大概为100-170nm(整体平均为140nm左右)的覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料；
(4)在所述导电层和沟道区裸露部分上覆盖中部钙钛矿材料，获得中部钙钛矿光吸收层(第二半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备中部钙钛矿光吸收层，钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3(厚度为500nm)；
(5)对沟道区裸露部分上覆盖的中部钙钛矿光吸收层进行蚀刻，保留覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料，从而形成用于分隔底部电荷传输层断开端和顶部电荷传输层断开端的第二隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为145°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为300-500nm(整体平均为400nm左右)的覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料；
(6)在所述中部钙钛矿光吸收层和沟道区裸露部分上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层(第三半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备空穴传输层，空穴传输层为Spiro-OMeTAD(厚度为200nm)；
(7)对沟道区裸露部分上覆盖的顶部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料，从而形成用于分隔中部钙钛矿光吸收层断开端和对电极层断开端的第三隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为145°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为50-150nm(整体平均为100nm左右)的覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料；
(8)在所述顶部电荷传输层和沟道区裸露部分上覆盖对电极材料，获得对电极层；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻，形成第四隔离区；具体地，
通过蒸镀的方法制备对电极层，对电极层为Au电极(厚度100nm)；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻时，尽量保留中部钙钛矿光吸收层斜坡状的断开端上的顶部电荷传输材料；
具体是采用机械蚀刻，将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻出第四隔离区。
按照上述步骤分别制备三块钙钛矿太阳能电池模块，分别记为A1、A2和A3。
实施例2
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，具体制备步骤包括：
(1)对基底上覆盖的导电层进行蚀刻，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的沟道区；具体为：
将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与投射激光的角度为45°，通过控制软件设定蚀刻位置和参数，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，蚀刻宽度为100μm；
(2)在所述导电层和沟道区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层(第一半导体层)；具体为：
通过蒸镀的方法制备空穴传输层，空穴传输层为NiO层(厚度为20nm)；
(3)对沟道区上覆盖的底部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料，从而形成用于分隔导电层断开端和中部钙钛矿光吸收层断开端的第一隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为120°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为10-20nm(整体平均为15nm左右)的覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料；
(4)在所述导电层和沟道区裸露部分上覆盖中部钙钛矿材料，获得中部钙钛矿光吸收层(第二半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备中部钙钛矿光吸收层，钙钛矿吸光层为CH3NH3PbI3(厚度为500nm)；
(5)对沟道区裸露部分上覆盖的中部钙钛矿光吸收层进行蚀刻，保留覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料，从而形成用于分隔底部电荷传输层断开端和顶部电荷传输层断开端的第二隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为120°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为300-500nm(整体平均为400nm左右)的覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料；
(6)在所述中部钙钛矿光吸收层和沟道区裸露部分上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层(第三半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备电子传输层，电子传输层为PCBM/BCP(厚度为120nm)；
(7)对沟道区裸露部分上覆盖的顶部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料，从而形成用于分隔中部钙钛矿光吸收层断开端和对电极层断开端的第三隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为120°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为50-120nm(整体平均为90nm左右)的覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料；
(8)在所述顶部电荷传输层和沟道区裸露部分上覆盖对电极材料，获得对电极层；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻，形成第四隔离区；具体地，
通过蒸镀的方法制备对电极层，对电极层为Au电极(厚度100nm)；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻时，尽量保留中部钙钛矿光吸收层斜坡状的断开端上的顶部电荷传输材料；
具体是采用机械蚀刻，将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻出第四隔离区。
按照上述步骤分别制备三块钙钛矿太阳能电池模块，分别记为B1、B2和B3。
实施例3
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，具体制备步骤包括：
(1)对基底上覆盖的导电层进行蚀刻，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的沟道区；具体为：
将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与投射激光的角度为45°，通过控制软件设定蚀刻位置和参数，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，蚀刻宽度为100μm；
(2)在所述导电层和沟道区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层(第一半导体层)；具体为：
通过蒸镀的方法制备空穴传输层，空穴传输层为NiO层(厚度为20nm)；
(3)对沟道区上覆盖的底部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料，从而形成用于分隔导电层断开端和中部钙钛矿光吸收层断开端的第一隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为160°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为10-20nm(整体平均为15nm左右)的覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料；
(4)在所述导电层和沟道区裸露部分上覆盖中部钙钛矿材料，获得中部钙钛矿光吸收层(第二半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备中部钙钛矿光吸收层，钙钛矿吸光层为NH2CH＝NH2PbI3(厚度为500nm)；
(5)对沟道区裸露部分上覆盖的中部钙钛矿光吸收层进行蚀刻，保留覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料，从而形成用于分隔底部电荷传输层断开端和顶部电荷传输层断开端的第二隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为160°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为300-500nm(整体平均为400nm左右)的覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料；
(6)在所述中部钙钛矿光吸收层和沟道区裸露部分上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层(第三半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备电子传输层，电子传输层为PCBM/BCP(厚度为120nm)；
(7)对沟道区裸露部分上覆盖的顶部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料，从而形成用于分隔中部钙钛矿光吸收层断开端和对电极层断开端的第三隔离区；具体地，
机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为160°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为50-120nm(整体平均为90nm左右)的覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料；
(8)在所述顶部电荷传输层和沟道区裸露部分上覆盖对电极材料，获得对电极层；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻，形成第四隔离区；具体地，
通过蒸镀的方法制备对电极层，对电极层为Au电极(厚度100nm)；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻时，尽量保留中部钙钛矿光吸收层斜坡状的断开端上的顶部电荷传输材料；
具体是采用机械蚀刻，将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻出第四隔离区。
按照上述步骤分别制备三块钙钛矿太阳能电池模块，分别记为C1、C2和C3。
实施例4
本实施例提供了一种钙钛矿太阳能电池模块，具体制备步骤包括：
(1)对基底上覆盖的导电层进行蚀刻，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的沟道区；具体为：
将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与投射激光的角度为45°，通过控制软件设定蚀刻位置和参数，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，蚀刻宽度为100μm；
(2)在所述导电层和沟道区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层(第一半导体层)；具体为：
通过蒸镀的方法制备空穴传输层，空穴传输层为NiMgLiO层(厚度为20nm)；
(3)对沟道区上覆盖的底部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料，从而形成用于分隔导电层断开端和中部钙钛矿光吸收层断开端的第一隔离区；具体地，
机械蚀刻空穴传输层：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为5-20nm(整体平均为12nm左右)的覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料；
(4)在所述导电层和沟道区裸露部分上覆盖中部钙钛矿材料，获得中部钙钛矿光吸收层(第二半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备中部钙钛矿光吸收层，钙钛矿吸光层为(NH2CH＝NH2PbI3)0.15(CH3NH3PbI3)0.85(厚度为500nm)；
(5)对沟道区裸露部分上覆盖的中部钙钛矿光吸收层进行蚀刻，保留覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料，从而形成用于分隔底部电荷传输层断开端和顶部电荷传输层断开端的第二隔离区；具体地，
机械蚀刻空穴传输层：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；保留厚度为200-500nm(整体平均为350nm左右)的覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料；
(6)在所述中部钙钛矿光吸收层和沟道区裸露部分上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层(第三半导体层)；具体地，
通过旋涂的方法制备电子传输层，电子传输层为PCBM/TiO2(厚度为120nm)；
(7)对沟道区裸露部分上覆盖的顶部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料，从而形成用于分隔中部钙钛矿光吸收层断开端和对电极层断开端的第三隔离区；具体地，
激光蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与投射激光的角度为90°，将激光光束聚焦在PCBM/TiO2电子传输层表面，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻参数具体为功率为200mW，速度50mm/s，频率50000Hz；保留厚度为30-50nm(整体平均为40nm左右)的覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料；
(8)在所述顶部电荷传输层和沟道区裸露部分上覆盖对电极材料，获得对电极层；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻，形成第四隔离区；具体地，
通过蒸镀的方法制备对电极层，对电极层为Au电极(厚度100nm)；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻时，尽量保留中部钙钛矿光吸收层斜坡状的断开端上的顶部电荷传输材料；
具体是采用机械蚀刻，将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻出第四隔离区。
按照上述步骤分别制备三块钙钛矿太阳能电池模块，分别记为D1、D2和D3。
对比例1
本实施例提供了一种现有技术中的钙钛矿太阳能电池模块(结构如图3所示)，具体制备步骤包括(制备过程如图4a和图4b所示)：
(1)对基底上覆盖的导电层进行刻蚀，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的绝缘区；具体为：
将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与投射激光的角度为45°，通过控制软件设定蚀刻位置和参数，然后按照设定参数进行蚀刻；蚀刻参数具体为功率为3000mW，速度100mm/s，频率30000Hz，蚀刻宽度为100μm；
(2)在所述导电层和绝缘区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层(第一半导体层)；所述底部电荷传输层为氧化镍层，厚度为20nm。
(3)在所述底部电荷传输层上覆盖钙钛矿吸光材料，获得中部钙钛矿吸光层(第二半导体层)；钙钛矿吸光层为NH2CH＝NH2PbI3，厚度为500nm。
(4)对底部电荷传输层和中部钙钛矿吸光层进行蚀刻，采用机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；
(5)在所述钙钛矿吸光层上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层(第三半导体层)；所示顶部电荷传输层为PCBM/BCP，厚度为120nm。
(6)对顶部电荷传输层进行刻蚀；采用机械蚀刻：将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻；
(7)在所述顶部电荷传输层和刻蚀沟道上覆盖对电极材料，获得对电极层；对电极层为Au，厚度为100nm。
(8)对刻蚀沟道中的对电极材料进行刻蚀，获得所述钙钛矿太阳能电池模块具体为：
具体是采用机械蚀刻，将透明导电玻璃放置于夹具之中，调整导电玻璃与机械蚀刻的刀具角度为90°，然后按照设定参数进行蚀刻。
按照上述步骤分别制备三块钙钛矿太阳能电池模块，分别记为E1、E2和E3。
测试例1
本测试例提供了实施例1-4和对比例1制备的钙钛矿太阳能电池模块的性能测试实验，具体如下：
在标准的相同测试条件下，对各钙钛矿太阳能电池模进行测试，具体测试结果见表1、表2、表3、表4和表5。
表1实施例1中钙钛矿太阳能电池模块性能(电池面积36cm-2)
| 短路电流(mA cm<sup>-2</sup>) | 开路电压(V) | 影响因子 | 效率(％) | |
| A1 | 2.02 | 10.55 | 0.71 | 15.13 |
| A2 | 2.01 | 10.56 | 0.72 | 15.28 |
| A3 | 2.01 | 10.54 | 0.72 | 15.25 |
表2实施例2中钙钛矿太阳能电池模块性能(电池面积36cm-2)
| 短路电流(mA cm<sup>-2</sup>) | 开路电压(V) | 影响因子 | 效率(％) | |
| B1 | 2.11 | 10.47 | 0.69 | 15.24 |
| B2 | 2.12 | 10.46 | 0.69 | 15.30 |
| B3 | 2.1 | 10.44 | 0.68 | 14.91 |
表3实施例3中钙钛矿太阳能电池模块性能(电池面积36cm-2)
| 短路电流(mA cm<sup>-2</sup>) | 开路电压(V) | 影响因子 | 效率(％) | |
| C1 | 2.02 | 10.46 | 0.73 | 15.42 |
| C2 | 2.02 | 10.46 | 0.73 | 15.42 |
| C3 | 2.01 | 10.45 | 0.72 | 15.12 |
表4实施例4中钙钛矿太阳能电池模块性能(电池面积36cm-2)
| 短路电流(mA cm<sup>-2</sup>) | 开路电压(V) | 影响因子 | 效率(％) | |
| D1 | 2.11 | 10.41 | 0.72 | 15.81 |
| D2 | 2.12 | 10.42 | 0.69 | 15.24 |
| D3 | 2.09 | 10.41 | 0.68 | 14.79 |
表5对比例1中钙钛矿太阳能电池模块性能(电池面积36cm-2)
| 短路电流(mA cm<sup>-2</sup>) | 开路电压(V) | 影响因子 | 效率(％) | |
| E1 | 1.99 | 10.01 | 0.65 | 12.94 |
| E2 | 1.91 | 10.05 | 0.65 | 12.47 |
| E3 | 1.72 | 10.02 | 0.62 | 10.68 |
通过表1-表5的测试数据可知，实施1-4中制备的钙钛矿太阳能电池模块的性能全面优于对比例1钙钛矿太阳能电池模块。
Claims (18)
1.一种钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，该钙钛矿太阳能电池模块包括两个以上的单节钙钛矿太阳能电池；各单节钙钛矿太阳能电池分置于一块整体基底材料上；
相邻的单节钙钛矿太阳能电池之间为串联连接；
所述串联连接的具体方式为：前一个单节钙钛矿太阳能电池的对电极层与后一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层联通；
所述单节钙钛矿太阳能电池包括基底、导电层、对电极层，以及设于所述导电层和对电极之间用于实现电子传输、光吸收和空穴传输功能的光生电单元；所述光生电单元包括底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层和顶部电荷传输层；
在该钙钛矿太阳能电池模块的前一个单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述导电层的断开端覆盖有底部电荷传输层，所述底部电荷传输层的断开端覆盖有中部钙钛矿光吸收层，所述中部钙钛矿光吸收层的断开端覆盖有顶部电荷传输层；
且所述中部钙钛矿光吸收层的断开端和顶部电荷传输层的断开端不与导电层相接触，顶部电荷传输层的断开端不与底部电荷传输层的断开端相接触；
该钙钛矿太阳能电池模块的制备方法包括以下步骤：
(1)对基底上覆盖的导电层进行蚀刻，以形成相邻单节钙钛矿太阳能电池之间的沟道区；
(2)在所述导电层和沟道区上覆盖底部电荷传输材料，获得底部电荷传输层；
(3)对沟道区上覆盖的底部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于导电层相应断开端处的底部电荷传输材料，从而形成用于分隔导电层断开端和中部钙钛矿光吸收层断开端的第一隔离区；
(4)在所述导电层和沟道区裸露部分上覆盖中部钙钛矿材料，获得中部钙钛矿光吸收层；
(5)对沟道区裸露部分上覆盖的中部钙钛矿光吸收层进行蚀刻，保留覆盖于底部电荷传输层相应断开端处的中部钙钛矿材料，从而形成用于分隔底部电荷传输层断开端和顶部电荷传输层断开端的第二隔离区；
(6)在中部钙钛矿光吸收层和沟道区裸露部分上覆盖顶部电荷传输材料，获得顶部电荷传输层；
(7)对沟道区裸露部分上覆盖的顶部电荷传输层进行蚀刻，保留覆盖于中部钙钛矿光吸收层相应断开端处的顶部电荷传输材料，从而形成用于分隔中部钙钛矿光吸收层断开端和对电极层断开端的第三隔离区；
(8)在顶部电荷传输层和沟道区裸露部分上覆盖对电极材料，获得对电极层；对连接后一节单节钙钛矿太阳能电池的对电极材料进行蚀刻，形成第四隔离区；最终制得钙钛矿太阳能电池模块；
上述的进行蚀刻过程中，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，将前一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层或顶部电荷传输层的断开端蚀刻成斜坡状。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：在该钙钛矿太阳能电池模块的前一个单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述导电层的断开端覆盖有不小于10nm厚的底部电荷传输层。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：在该钙钛矿太阳能电池模块的前一个单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述底部电荷传输层的断开端覆盖有不小于30nm厚的中部钙钛矿光吸收层。
4.根据权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述底部电荷传输层的断开端覆盖有不小于100nm厚的中部钙钛矿光吸收层。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：在该钙钛矿太阳能电池模块的前一个单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述中部钙钛矿光吸收层的断开端覆盖有不小于10nm厚的顶部电荷传输层。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：在该钙钛矿太阳能电池模块的前一个单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述导电层的断开端具有第一斜坡结构；
所述中部钙钛矿光吸收层的断开端具有第二斜坡结构；
所述顶部电荷传输层的断开端具有第三斜坡结构。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述第一斜坡结构的坡面、所述第二斜坡结构的坡面或所述第三斜坡结构的坡面分别与基底呈110-170°。
8.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述第一斜坡结构的坡面、所述第二斜坡结构的坡面或所述第三斜坡结构的坡面分别与基底呈120-160°。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述第一斜坡结构的坡面、第二斜坡结构的坡面或第三斜坡结构的坡面分别与基底呈130-155°。
10.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：在该钙钛矿太阳能电池模块的后一个单节钙钛矿太阳能电池的一端，所述中部钙钛矿光吸收层的断开端具有第四斜坡结构，且至少在部分所述第四斜坡结构上覆盖有顶部电荷传输层。
11.根据权利要求10所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述第四斜坡结构的坡面与基底呈110-170°。
12.根据权利要求11所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述第四斜坡结构的坡面与基底呈120-160°。
13.根据权利要求12所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述第四斜坡结构的坡面与基底呈130-155°。
14.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述底部电荷传输层为电子传输层，所述顶部电荷传输层为空穴传输层；或
所述底部电荷传输层为空穴传输层，所述顶部电荷传输层为电子传输层。
15.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述基底、导电层、对电极层、底部电荷传输层、中部钙钛矿光吸收层或顶部电荷传输层之间设置有辅助层，所述辅助层用于改善层材料的强度、平整度、粘接性或透光率。
16.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于：所述导电层包括氧化铟锡层、掺杂铝的氧化锌层或掺杂氟的氧化锡层；
所述基底包括玻璃基底、金属基底、陶瓷基底或耐高温有机聚合物基底；
所述电子传输层选自无机电子传输材料或有机电子传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机电子传输材料包括TiO2、ZnO或SnO2；所述有机电子传输材料包括PCBM；
所述空穴传输层选自无机空穴传输材料或有机空穴传输材料中的一种或几种的组合；其中，所述无机空穴传输材料包括NiO、Cu2O、NiMgLiO或MoO3；所述有机空穴传输材料包括Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS或PTAA；
所述钙钛矿光吸收层中包含一种或几种钙钛矿材料ABX3，A为NH＝CHNH3、CH3NH3或Cs；B为Pb或Sn；X为I、Cl或Br；
所述对电极层为金属电极或非金属电极，所述金属电极的材料包括Al、Ag、Au、Mo和Cr中的一种或多种的组合；所述非金属电极包括碳电极。
17.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，将后一个单节钙钛矿太阳能电池的中部钙钛矿光吸收层的断开端蚀刻成斜坡状；
将后一个单节钙钛矿太阳能电池的导电层的断开端蚀刻成斜坡状。
18.根据权利要求17所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，在相邻的单节钙钛矿太阳能电池的连接处，对后一个单节钙钛矿太阳能电池的对电极层进行蚀刻时，至少使中部钙钛矿光吸收层斜坡状的断开端的一部分，保留有顶部电荷传输材料。
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