CN106252447B - 一种复合太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型太阳能电池，其包括依次层叠介观钙钛矿太阳能电池、热电电池和散热器，其中，所述介观钙钛矿太阳能电池与热电电池采用粘接、或者通过沉积工艺在介观钙钛矿太阳能电池的对电极上分别沉积不同P型和N型的热电材料而集成，且所述介观钙钛矿太阳能电池与热电电池串联或者并联。本发明还公开了上述太阳能电池与热电电池叠层器件的制备方法。本发明的太阳能电池及其制备方法，其采用全新的结构设计，将介观钙钛矿太阳能电池与无机材料热电池进行叠加集成，采用相应的制备方法进行集成，从而制备的太阳能电池不仅可以避免热能对器件寿命的影响，提升太阳能电池的使用寿命和稳定性，更为重要的是大大提高了对太阳能的利用率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种复合太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，由于其直接利用光能转化成电能，在能量转化的过程中不产生污染物，是一种新型的清洁能源，具有广阔的应用前景。但是，目前的太阳能电池例如硅太阳能电池，薄膜太阳能电池和有机太阳能电池等普通存在光电转换效率低、成本高、污染严重等问题。
介观太阳能电池是一种采用介孔纳米晶材料作为光阳极的太阳能电池，在这种太阳能电池中，吸光材料吸附在介孔纳米晶电极上作为光阳极，一方面将生成的光电子注入到介孔纳米晶电极并传输至导电基底中，另一方面将生成的空穴通过空穴传输层传输到空穴收集层中从而形成光电流。由于介孔纳米电极具有非常大的比表面积，因此可以吸附足够多的吸光材料从而获得较大的光电流，具有非常高的理论效率。
例如专利文献CN103441217A公开了一种基于钙钛矿类吸光材料的介观太阳能电池，该介观太阳能电池器件采取全印刷的方法制备而成，采用钙钛矿类纳米晶体作为活性吸光材料，并利用其自身的空穴传导性能在介孔绝缘间隔层中形成空穴传输层，直接将空穴传输至空穴收集层中，避免了有机P型材料的使用，可以解决目前的太阳能电池性能稳定性不够，同时采用介孔碳等相对廉价的材料作为空穴收集层，有效简化了太阳能电池器件的制备工艺并降低了制作成本。这种介观太阳能电池的理论光电转换效率高达33％。
但是，这种太阳能电池存在一个比较明显的缺陷，即其仅仅吸收太阳光中可见光波长段的光线，太阳能电池中很大一部分能量以低于其吸光材料带隙的光子，最终以热能的形势消散掉，对太阳能的利用率较低。同时，这种太阳能电池中，热能对器件性能尤其是对器件的稳定性和寿命有很大的影响，特别是在超高温条件下，必须对其中的热能进行处理，以避免对太阳能电池器件的影响。
发明内容
针对现有技术的缺点或改进需求，本发明提供了一种太阳能电池及其制备方法，其采用全新的结构设计，将介观钙钛矿太阳能电池与无机材料热电池进行复合，采用相应的制备方法进行集成，从而制备的太阳能电池不仅可以避免热能对器件寿命的影响，提升太阳能电池的使用寿命和稳定性，更为重要的是大大提高了对太阳能的利用率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种太阳能电池，其包括自上而下依次布置的介观钙钛矿太阳能电池、热电电池和散热器，其中，
所述介观钙钛矿太阳能电池与热电电池的电极采用粘接、或者通过沉积工艺在介观钙钛矿太阳能电池的对电极上分别沉积不同P型和N型的热电材料而集成，且所述介观钙钛矿太阳能电池与热电电池串联或者并联。
作为本发明的进一步优选，所述热电电池为多块，各热电电池依次串联连接，且第一块热电池热端与钙钛矿单基板太阳能电池的碳电极粘合，最后一块热电电池的冷端与散热器表面粘合。
作为本发明的进一步优选，所述介观钙钛矿太阳能电池为基于三层膜结构和平面印刷结构的印刷介观钙钛矿太阳能电池，其中三层结构具体为依次叠加布置的纳米晶层，绝缘间隔层和空穴收集层。
作为本发明的进一步优选，所述热电电池采用BiTe基等室温下优质半导体热电材料制备的热电器件。
作为本发明的进一步优选，还包括设置在散热器4下部的气冷或水冷装置5。
按照本发明的另一方面，提供一种太阳能电池的制备方法，用于制备集成介观钙钛矿太阳能电池与热电电池的复合太阳能电池，其特征在于，该方法具体包括：
其包括将介观太阳能电池和热电电池表面作擦拭清洁处理；
使用粘合剂将热电池热端与介观钙钛矿太阳能电池的碳电极相粘合、将热电电池的冷端与散热器表面粘合；
将热电池冷端与散热器粘接。
作为本发明的进一步优选，所述热电电池为多块，各热电电池依次串联连接，且第一块热电池热端与钙钛矿单基板太阳能电池的碳电极粘合，最后一块热电电池的冷端与散热器表面粘合。
作为本发明的进一步优选，所述介观钙钛矿太阳能电池为基于三层膜结构和平面印刷结构的印刷介观钙钛矿太阳能电池，其中三层结构具体为依次叠加布置的纳米晶层，绝缘间隔层和空穴收集层。
按照本发明的又一方面，提供一种太阳能电池的制备方法，用于制备集成介观钙钛矿太阳能电池与热电电池的复合太阳能电池，其特征在于，该方法具体包括：
在介观钙钛矿太阳能电池上通过沉积工艺在其对电极上分别沉积不同P型和N型的热电材料；
依次成膜和沉积电极，使得器件联接成为一个整体；
集成散热器，形成太阳能电池。
作为本发明的进一步优选，所述热电电池为多块，各热电电池依次串联连接，且第一块热电池热端与钙钛矿单基板太阳能电池的碳电极粘合，最后一块热电电池的冷端与散热器表面粘合。
作为本发明的进一步优选，所述介观钙钛矿太阳能电池为基于三层膜结构和平面印刷结构的印刷介观钙钛矿太阳能电池，其中三层结构具体为依次叠加布置的纳米晶层，绝缘间隔层和空穴收集层。
本发明的复合太阳能电池器件，在有光照的时候(主要是太阳光)，介观钙钛矿太阳能电池将光能转换成电能，而电池温度也升高，此时在复合器件中，通过热电池的组合叠加从而能够拉大热电电池上下表面的温度差，利用赛贝克效应，将热能转换为电能。另一方面，由于介观太阳能电池的碳电极对太阳光谱有几乎全吸收，因此组合器件能充分利用太阳能，实现太阳能的光电转换效率进一步的提高。同时，由于光电热电电池的复合，热电对钙钛矿太阳能电池表面温度进行热电转换利用，使得钙钛矿太阳能电池整体温度有所降低，从而解决了钙钛矿太阳能电池在高温下工作热稳定性的问题。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明中将介观钙钛矿太阳能电池与无机材料热电池进行复合集成，制备的太阳能电池不仅可以避免热能对器件寿命的影响，提升太阳能电池的使用寿命和稳定性，更为重要的是大大提高了对太阳能的利用率；
(2)本发明利用介观钙钛矿太阳能电池介孔膜结构天然优势，即碳对电极既能导电，也能几乎吸收全光谱，发热较严重，从而能够很好的与热电材料复合，提高热电转换效率；
(3)本发明利用电极修饰和界面工程，在单基板结构的钙钛矿碳电极上直接进行热电材料的连接与制备，将两个器件真正的集成在一起，减小了界面阻抗；
(4)本发明将光伏太阳能电池和热电池进行集成，利用光电热电集成器件，既可以大幅度提高太阳能的利用率，另一方面利用太阳能电池吸收特定波段的太阳光，通过光电效应转换成电能，既减缓电子产品的老化提高寿命，又通过对这部分热能的吸收利用，可以进一步提升太阳能电池的寿命。
附图说明
图1是现有技术中的一种介观钙钛矿太阳能电池结构示意图；
图2是现有技术中的一种热电电池结构示意图；
图3是本发明实施例的光电热电复合太阳能电池器件结构示意图；
图4是本发明实施例的复合电池的等效电路图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为单基板介观钙钛矿太阳能电池，2为热电电池，3为散热器，4为气冷或水冷装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例的基于介观太阳能电池与热电电池复合的太阳能电池器件结构如图3所示，器件结构从图3来看，自上而下依次为介观太阳能电池1，热电电池2，散热器3和气冷或水冷装置4。
本实施例中介观太阳能电池优选为介观钙钛矿太阳能电池，也可以为其他类型的钙钛矿太阳能电池。更优选地，介观钙钛矿太阳能电池为基于三层膜结构和平面印刷结构的印刷介观钙钛矿太阳能电池，三层结构具体为依次层叠的纳米晶层，绝缘间隔层，空穴收集层。当然，本发明中的介观钙钛矿太阳能电池并不限于此，介观钙钛矿太阳能电池在业内以有较为成熟的类型，其也可以采用其它结构类型。
将介观太阳能电池与热电电池集成的复合器件，可以同时利用光伏效应和塞贝克效应(光照温度升高)将太阳能转换为电能。
如图3所示，热电电池位于太阳能电池下面，具体集成方法可以采用直接叠加的方法，也可以采用沉积膜的方式进行太阳能电池与热电电池结合。
下面的实施例中，采用直接叠加方法对集成方式进行详细说明。
本实施例中，介观钙钛矿太阳能电池2优选使用三层膜结构或平面印刷结构的基于钙钛矿吸光材料的介观太阳能电池，当然与可以采用其他类型的介观太阳能电池。热电电池优选采用BiTe基半导体热电发生片(thermoelectric generator)或半导体热电制冷片，当然也可以采用其他类型的热电电池。
集成时，首先将介观太阳能电池和热电电池表面作擦拭清洁处理，保持表面清洁干燥无污染物。然后，使用导热硅脂，液态金属等导热性能良好的粘合剂，将热电池热端与钙钛矿单基板太阳能电池的碳电极相粘合，热电电池的冷端与散热器表面用导热硅脂、液态金属等导热性能良好的粘合剂进行粘接。
在一个实施例中，热电电池为多块，其串联叠加，相应地，制备时，第一块热电池热端与钙钛矿单基板太阳能电池的碳电极相粘合，冷端与另一块热电电池的热端用导热硅脂、液态金属等导热性能良好的粘合剂相粘，依次类推，最后一块热电电池的冷端与散热器表面用导热硅脂、液态金属等导热性能良好的粘合剂相粘。例如，如果是两块热电电池块串联组成的热电电池，则第一块热电池热端与钙钛矿单基板太阳能电池的碳电极相粘合，冷端与第二块热电电池的热端用导热硅脂、液态金属等导热性能良好的粘合剂相粘，第二块热电电池的冷端与散热器表面用导热硅脂、液态金属等导热性能良好的粘合剂相粘。
该实施例中，通过多块热电电池叠加，并且在最下面装备散热设备，从而拉大热电电池最上端和最下端的温差，根据赛贝克效应，产生的电压正比于温度差，能够显著增大转换效率。
介观钙钛矿太阳能电池与热电电池的电极、各块热电电池电极均采用串联的方式相连，另外通过对电极的处理和界面的修饰，将钙钛矿太阳能电池的正极与热电电池的负极有机的连接起来，最后引出正负极导线。
在一个优选实施例中，也可以采用薄膜层积法，即通过在已经制备的钙钛矿太阳能电池上通过沉积方法在碳对电极上分别沉积不同P型和N型的热电材料组合成一对热电偶，然后再在P型和N型热电材料上沉积电极，最后封装组成集成的光电热电器件。本实施例中，在钙钛矿太阳能电池的碳电极上直接沉积P型和N型的热电材料，使得器件的联接成为一个整体，由于采取直接沉积的方式，因此器件界面处的电荷积累和损耗可以调控而减小，一方面提升太阳能利用，有效的提升光电热电器件的光电转换效率，另一方面延长介观太阳能电池的使用寿命及稳定性。
优选地，热电电池采用在常温下ZT值较大的P型和N型热电材料组成PN对的热电器件，以得到较高的热电转换效率。
能量转换效率是器件最大输出功率与太阳光功率的比值，而在特定条件下(光强，温度)，太阳能电池与热电电池有各自的转换效率，若是简单地光伏和热电器件叠加，两者成为一个整体，内阻不匹配内损过大，各自的输出功率都小于原来的输出功率。本发明一个实施例的方案中采用直接粘连的方法，工艺简单，操作方便，制备快捷。另一个实施例的方案中相比直接粘连的方案，一方面通过对热电器件阻值的选择，调控集成器件的内阻，降低损耗；更重要一方面是，集成器件内损过主要来自两个器件连接处的界面阻抗，本发明方案中通过采用沉积工艺在钙钛矿对电极上分别沉积不同P型和N型的热电材料，将两个器件有机串联起来，可以有效减小界面阻抗，几乎没有界面阻抗，从而可以将太阳能电池与热电电池进行有效地集成。
此外，太阳能电池转换效率受温度影响较大，较高的温度会降低器件效率，而热电电池恰好可以利用太阳能电池的热量为自身发电，同时又降低了太阳能电池温度，提高了太阳能电池效率。
本发明中，将有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池和热电池通过电极连接起来做成叠层太阳能器件，不仅利用了太阳光中可见光波长段的光线，还利用了太阳光中近红外、红外光波长短的光线，实现对太阳能充分利用，从而获得较高效的光电转换效率，提升了太阳能的利用。
另外，本发明充分利用介观钙钛矿太阳能电池的优势，如：碳对电极对光全谱几乎全部吸收的特性，可以吸收几乎100％的太阳光；因此这种结构除了钙钛矿层光电转换外，碳会发热严重，通过与热电器件的叠加，可以提升光电(光伏+热电)效率；另外一方面可以利用热电器件的制冷效应，使得整个器件的温度不会增加太高，从而达到解决钙钛矿电池热条件下不稳定的目的。
同时，本发明涉及的有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池是一种较大面积，稳定，廉价和使用效率高的光伏器件，通过电极的修饰和界面处理能够很好的很热电电池连接起来，真正实现两个器件的结合，减小内阻和内部的损耗，效率可以提升近5％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种复合太阳能电池，其特征在于，其包括依次层叠的介观太阳能电池、热电电池和散热器，且所述介观太阳能电池与热电电池串联或并联连接，
其中，所述介观太阳能电池的碳对电极上通过沉积工艺分别沉积有不同P型和N型的热电电池材料而使得所述介观太阳能电池与热电电池集成；
所述介观太阳能电池为基于三层膜结构和平面印刷结构的印刷介观钙钛矿太阳能电池，其中三层结构具体为依次层叠布置的纳米晶层、绝缘间隔层和空穴收集层；
所述热电电池为多块，各块热电电池依次串联连接，且第一块热电电池热端与所述介观太阳能电池的碳对电极复合，最后一块热电电池的冷端与所述散热器表面粘合；
在所述介观太阳能电池的碳对电极上通过沉积工艺沉积热电电池材料，器件界面处的电荷积累和损耗能够调控而减小；所述碳对电极具有对光全谱吸收的特性；该复合太阳能电池通过与所述热电电池集成后，除了所述介观太阳能电池的钙钛矿层实现光电转换外，所述碳对电极会发热，通过与所述热电电池的叠加，提升光伏效率和热电效率。
2.根据权利要求1所述的复合太阳能电池，其中，还包括设置在所述散热器下部的气冷或水冷装置。
3.一种复合太阳能电池的制备方法，用于制备集成介观太阳能电池与热电电池的复合太阳能电池，其特征在于，该方法具体包括：
通过沉积工艺在所述介观太阳能电池的碳对电极上分别沉积不同P型和N型的热电材料；
在P型和N型热电材料上依次沉积电极，使得器件联接成为一个整体；以及粘合集成散热器，形成所述复合太阳能电池；
所述介观太阳能电池为基于三层膜结构和平面印刷结构的印刷介观钙钛矿太阳能电池，其中三层结构具体为依次层叠布置的纳米晶层，绝缘间隔层和空穴收集层；
所述热电电池为多块，各块热电电池依次串联连接，且第一块热电电池热端与介观太阳能电池的碳对电极复合，最后一块热电电池的冷端与所述散热器表面粘合；
在所述介观太阳能电池的碳对电极上通过沉积工艺沉积热电电池材料，器件界面处的电荷积累和损耗能够调控而减小；所述碳对电极具有对光全谱吸收的特性；该复合太阳能电池通过与所述热电电池集成后，除了所述介观太阳能电池的钙钛矿层实现光电转换外，所述碳对电极会发热，通过与所述热电电池的叠加，提升光伏效率和热电效率。
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