CN107516682A - 一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种钙钛矿太阳能电池组件，包括n个钙钛矿太阳能电池；n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板并构成串联结构，且每相邻两个钙钛矿太阳能电池通过激光切割形成的沟道断开，n个钙钛矿太阳能电池的上层表面覆盖有致密绝缘陶瓷层，其中，n≥2，且n为正整数。本发明加工方法简单，可重复性强，适用于大面积钙钛矿太阳能电池组件的商业化生产，另外，可根据实际需要调整太阳能电池的电压和电流，且防水性强，降低了钙钛矿太阳能电池组件对水的敏感性，满足商业化生产需求。
Description
技术领域
本发明涉及光伏领域，特别涉及一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法。
背景技术
近年来，钙钛矿太阳能电池因其具有原料丰富、成本低廉、光电性质优越、可溶液加工、可低温制备等特点和优势，成为当今新一代光伏技术中最热门的分支。短短几年，其效率已接近传统晶硅太阳能电池的水平。
但是钙钛矿太阳能电池对水汽比较敏感，在水汽侵入的状况下，钙钛矿发电层会与水发生反应导致失去发电功能，所以钙钛矿太阳能电池的稳定性制约着商业化生产的进程。另外，受包括对水汽较敏感等的制约因素，大面积钙钛矿太阳能电池的电压和电流还不能灵活调整。因此，虽然钙钛矿太阳能电池具有可与传统晶硅太阳能电池相媲美的光电性质，但还不能满足商业化生产需求。
发明内容
本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钙钛矿太阳能电池组件，包括：n个钙钛矿太阳能电池；
所述n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板并构成串联结构，且每相邻两个所述钙钛矿太阳能电池之间通过激光切割形成的沟道切断电荷往来，其中，所述n≥2，且所述n为正整数。
本发明的有益效果是：本发明提供的钙钛矿太阳能电池组件可以使用激光切割的方式将钙钛矿太阳能电池制备成串联结构，适用于大面积钙钛矿太阳能电池组件的商业化生产，另外，可根据实际需要调整太阳能电池的电压和电流，满足商业化生产需求。同时，本发明对生产设备的要求低，且工艺简单，有利于商业化生产。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述组件从下往上依次包括所述玻璃基板、TCO层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和背电极层，其中，所述钙钛矿层包括钙钛矿材料，所述电子传输层包括电子传输材料，所述背电极层包括背电极材料。
进一步，所述空穴传输层上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第一垂直沟道，所述第一垂直沟道垂直穿过所述空穴传输层和所述TCO层，所述第一垂直沟道中填充有所述钙钛矿材料；
所述电子传输层上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第二垂直沟道，所述第二垂直沟道垂直穿过所述电子传输层和所述钙钛矿层，所述第二垂直沟道填充有所述背电极材料；
所述背电极层上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第三垂直沟道，所述第三垂直沟道垂直穿过所述背电极层、所述电子传输层和所述钙钛矿层；
其中，每相邻的所述第一垂直沟道和所述第二垂直沟道之间等间隔第一预设距离，每相邻的所述第二垂直沟道和所述第三垂直沟道之间等间隔第二预设距离。
进一步，所述第一预设距离小于1mm，所述第二预设距离小于1mm。
本发明的进一步有益效果是：相邻的第一垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm，相邻的第三垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm。此种钙钛矿太阳能电池组件的电压和电流可调，可满足商业化生产需求。每个第二垂直沟道都在相对第一垂直沟道的同一位置，第一垂直沟道与第二垂直沟道之间的距离＜1mm，每个第三垂直沟道都在相对第二垂直沟道与第一垂直沟道的同一位置，第三垂直沟道与第二垂直沟道的之间的距离＜1mm。
进一步，所述组件的上层表面覆盖有致密绝缘陶瓷层，其中，所述致密绝缘陶瓷层为SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料；
所述第三垂直沟道填充有所述SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料。
本发明的进一步有益效果：在背电极上增加一层具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层，能够将钙钛矿发电层与外部环境完全隔绝。在水汽侵入到组件的情况下，具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层可以阻挡水汽侵入到钙钛矿层，防止钙钛矿层因水汽侵入失效，加快了钙钛矿太阳能电池的工业化应用步伐，提高了钙钛矿太阳能电池的应用前景。
为解决本发明的技术问题，还提供了一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，通过激光切割的方式制备n个钙钛矿太阳能电池，所述n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板并构成串联结构。
进一步，所述方法具体包括：
步骤1、清洗表面制备有TCO层的玻璃基板；
步骤2、在所述TCO层上制备空穴传输层；
步骤3、使用激光等间隔地切割所述空穴传输层，形成n+1个第一垂直沟道，所述第一垂直沟道垂直穿过所述空穴传输层和所述TCO层；
步骤4、在所述空穴传输层上依次制备钙钛矿层和电子传输层，其中，所述钙钛矿层包括钙钛矿材料，所述第一垂直沟道中填充有所述钙钛矿材料，所述电子传输层包括电子传输材料；
步骤5、使用激光等间隔地切割所述电子传输层，形成n+1个第二垂直沟道，所述第二垂直沟道垂直穿过所述电子传输层和所述钙钛矿层；
步骤6、在所述电子传输层上制备背电极层，其中，所述背电极层包括背电极材料，所述第二垂直沟道填充有所述背电极材料；
步骤7、使用激光等间隔地切割所述背电极层，形成n+1个第三垂直沟道，所述第三垂直沟道垂直穿过所述背电极层、所述电子传输层和所述钙钛矿层；
步骤8、对所述TCO层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层和所述背电极层除边处理，得到包括n个钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池组件；
其中，每相邻的所述第一垂直沟道和所述第二垂直沟道之间等间隔第一预设距离，每相邻的所述第二垂直沟道和所述第三垂直沟道之间等间隔第二预设距离。
本发明的进一步有益效果是：通过激光切割的方式，每两个第一垂直沟道之间的距离预先计算，根据预先计算的两第一垂直沟道间距，在TCO层和空穴传输层上切割出第一垂直沟道；每两个第二垂直沟道之间的距离预先计算，根据预先计算的两第二垂直沟道间距，在钙钛矿层和电子传输层上切割出第二垂直沟道；每两个第三垂直沟道之间的距离预先计算，根据预先计算的两第三垂直沟道间距，在钙钛矿层、电子传输层和背电极层上切割出第三垂直沟道。其中，相邻的第一垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm，相邻的第三垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm。此种切割方式制备钙钛矿太阳能电池，可根据实际需要调整太阳能电池的电压和电流，满足商业化生产需求。
进一步，所述第一预设距离小于1mm，所述第二预设距离小于1mm。
进一步，所述组件的上层表面制备致密绝缘陶瓷层，其中，所述致密绝缘陶瓷层为SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料；
所述第三垂直沟道填充有所述SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料。
进一步，步骤8中，所述除边处理包括：激光除边和喷砂除边。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池组件的示意性结构图；
图2为本发明另一个实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池组件的示意性结构图；
图3为本发明一个实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法的示意性流程图；
图4为本发明另一个实施例提供的一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法的示意性流程图。
附图中，各标号所代表的元件列表如下：
110、钙钛矿太阳能电池，111、玻璃基板，112、TCO层，113、空穴传输层,114、钙钛矿层,115、电子传输层,116、背电极层，117、致密绝缘陶瓷层，120、沟道，121、第一垂直沟道，122、第二垂直沟道,123、第三垂直沟道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
一种钙钛矿太阳能电池组件100，如图1所示，包括n个钙钛矿太阳能电池110，n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板111并构成串联结构，且每相邻两个钙钛矿太阳能电池110通过激光切割形成的沟道120断开，从而切断钙钛矿太阳能电池之间的电荷往来，其中，n≥2，且n为正整数。
实施例二
一种钙钛矿太阳能电池组件100，如图2所示，包括n个钙钛矿太阳能电池110，n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板111并构成串联结构，且每相邻两个钙钛矿太阳能电池之间通过激光切割形成的沟道切断电荷往来，其中，n≥2，且n为正整数。
组件从下往上依次包括玻璃基板111、TCO层112、空穴传输层113、钙钛矿层114、电子传输层115和背电极层116。其中，钙钛矿层114包括钙钛矿材料，电子传输层115包括电子传输材料，背电极层116包括背电极材料。
空穴传输层上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第一垂直沟道，第一垂直沟道垂直穿过空穴传输层和TCO层，第一垂直沟道中填充有钙钛矿材料；电子传输层上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第二垂直沟道，第二垂直沟道垂直穿过电子传输层和钙钛矿层，第二垂直沟道填充有背电极材料；背电极层上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第三垂直沟道，第三垂直沟道垂直穿过背电极层、电子传输层和钙钛矿层。其中，每相邻的第一垂直沟道和第二垂直沟道之间等间隔第一预设距离，每相邻的第二垂直沟道和第三垂直沟道之间等间隔第二预设距离。第一预设距离小于1mm，第二预设距离小于1mm。
两个第一垂直沟道之间的预留合适距离为发电单元的宽度。其中，每相邻的第一垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm，每相邻的第三垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm。此种钙钛矿太阳能电池组件的电压和电流可调，可满足商业化生产需求。
背电极层上制备有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层117。具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层会将第三垂直沟道部分填充。具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层可以是SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或者几种材料的复合，其成膜方式是磁控溅射。
需要说明的是，钙钛矿层为发电层。在空穴传输层上涂布的钙钛矿层将第一垂直沟道(电性能)部分填充。在电子传输层上涂布的背电极层将第二垂直沟道部分填充，并与空穴传输层或TCO层接触。每个第三垂直沟道都在相对第二垂直沟道与第一垂直沟道的同一位置，第三垂直沟道与第二垂直沟道之间的距离＜1mm。
另外，需要说明的是，钙钛矿太阳能电池组件的不同方式的组合，不仅可构成串联结构，还可构成串联加并联结构。
可以根据实际需要，切割不同宽度的电池。在制作包括n个同等宽度的钙钛矿太阳能电池且各太阳能电池构成串联结构的电池组件时，则经激光切割，形成n+1个沟道后，将两边的电池去掉即可得到。
实施例三
一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，通过激光切割的方式制备n个钙钛矿太阳能电池，n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板并构成串联结构。
实施例四
一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法200，如图3所示，具体包括：
步骤210、清洗表面制备有TCO层的玻璃基板。
步骤220、在TCO层上制备空穴传输层。
步骤230、使用激光等间隔地切割空穴传输层，形成n+1个第一垂直沟道，第一垂直沟道垂直穿过空穴传输层和TCO层。
步骤240、在空穴传输层上依次制备钙钛矿层和电子传输层，其中，钙钛矿层包括钙钛矿材料，第一垂直沟道中填充有钙钛矿材料，电子传输层包括电子传输材料。
步骤250、使用激光等间隔地切割电子传输层，形成n+1个第二垂直沟道，第二垂直沟道垂直穿过电子传输层和钙钛矿层。
步骤260、在电子传输层上制备背电极层，其中，背电极层包括背电极材料，第二垂直沟道填充有所述背电极材料。
步骤270、使用激光等间隔地切割背电极层，形成n+1个第三垂直沟道，第三垂直沟道垂直穿过背电极层、电子传输层和钙钛矿层。
步骤280、对TCO层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和背电极层除边处理，得到包括n个钙钛矿太阳能电池的钙钛矿太阳能电池组件。
其中，每相邻的所述第一垂直沟道和所述第二垂直沟道之间等间隔第一预设距离，每相邻的所述第二垂直沟道和所述第三垂直沟道之间等间隔第二预设距离。
需要说明的是，钙钛矿层为发电层。在空穴传输层上涂布钙钛矿层时，钙钛矿层会将第一垂直沟道填充。在电子传输层上涂布背电极层，背电极层会将第二垂直沟道填充，并与空穴传输层或TCO层接触。每个第三垂直沟道都在相对第二垂直沟道与第一垂直沟道的同一位置，第三垂直沟道与第二垂直沟道之间的距离＜1mm，每相邻的第一垂直沟道和第二垂直沟道之间的预设距离小于1mm，每相邻的第二垂直沟道和第三垂直沟道之间的预设距离小于1mm。
根据光电性能计算公式，对每两个第一垂直沟道之间的距离预先计算，根据预先计算的两第一垂直沟道间距，两个第一垂直沟道之间合适的距离作为发电单元的宽度。通过激光切割的方式，在空穴传输层上切割，在空穴传输层和TCO层上切割出第一垂直沟道；根据光电性能计算公式，对每两个第二垂直沟道之间的距离预先计算，根据预先计算的两第二垂直沟道间距，在钙钛矿层和电子传输层上切割出第二垂直沟道；根据光电性能计算公式，对每两个第三垂直沟道之间的距离预先计算，根据预先计算的两第三垂直沟道间距，在背电极层上切割出第三垂直沟道。其中，相邻的第一垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm，相邻的第三垂直沟道和第二垂直沟道在水平方向上的等间隔小于1mm。此种切割方式制备钙钛矿太阳能电池，可根据实际需要调整太阳能电池的电压和电流，满足商业化生产需求。
另外，需要说明的是，步骤280中，除边处理包括：激光除边和喷砂除边，对钙钛矿太阳能电池组件的四边进行除边处理，以满足爬电距离需求。背电极层可以是Ag、GZO、AZO、Al、SnO2等单一材质或几种材质的组合，其成膜方式可以是真空蒸镀或磁控溅射。
步骤230中，使用1064nm波长的激光等间隔地切割空穴传输层的表面，形成n+1个第一垂直沟道，第一垂直沟道垂直穿过空穴传输层和TCO层。步骤250中，使用532nm波长的激光将钙钛矿层与电子传输层同时切断，切出的激光线作为第二垂直沟道，每个第二垂直沟道都在相对第一垂直沟道的同一位置，第一垂直沟道与第二垂直沟道之间的距离＜1mm。步骤270，使用532nm波长的激光将钙钛矿层、电子传输层与背电极层同时切断，切出的激光线作为第三垂直沟道，每个第三垂直沟道都在相对第二垂直沟道与第一垂直沟道的同一位置，第三垂直沟道与第二垂直沟道的之间的距离＜1mm。
目前，激光切割破坏了背电极的保护层，致使钙钛矿太阳能电池被水汽侵蚀的风险极高。现有的主要方法是改善封装方式，降低水汽透过的可能性。过于繁琐的封装方式，不但增加了工序，提高了成本，而且封装效果尚需要大量的实验来验证。封装方式目前是制约钙钛矿太阳能电池量产化的其中一个瓶颈。
实施例五
在实施例四的基础上，一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，如图4所示，还包括：
步骤290、在背电极层上制备致密绝缘陶瓷层，其中，致密绝缘陶瓷层为SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料，第三垂直沟道填充有SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料。
在背电极层上涂布具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层。具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层会将背电极层、电子传输层与钙钛矿层上的第三垂直沟道部分填充。具有高抗水汽侵蚀性的致密绝缘陶瓷层可以是SiC、SiN或SiO2中的任意一种材料或者几种材料的复合，其成膜方式是磁控溅射。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，包括：n个钙钛矿太阳能电池(110)；
所述n个钙钛矿太阳能电池(110)共用同一块玻璃基板(111)并构成串联结构，且每相邻两个所述钙钛矿太阳能电池(110)之间通过激光切割形成的沟道(120)切断电荷往来，其中，所述n≥2，且所述n为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述组件从下往上依次包括所述玻璃基板(111)、TCO层(112)、空穴传输层(113)、钙钛矿层(114)、电子传输层(115)和背电极层(116)，其中，所述钙钛矿层(114)包括钙钛矿材料，所述电子传输层(115)包括电子传输材料，所述背电极层(116)包括背电极材料。
3.根据权利要求2所述的一种钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述空穴传输层(113)上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第一垂直沟道(121)，所述第一垂直沟道(121)垂直穿过所述空穴传输层(113)和所述TCO层(112)，所述第一垂直沟道(121)中填充有所述钙钛矿材料；
所述电子传输层(115)上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第二垂直沟道(122)，所述第二垂直沟道(122)垂直穿过所述电子传输层(115)和所述钙钛矿层(114)，所述第二垂直沟道(122)填充有所述背电极材料；
所述背电极层(116)上等间隔的设有激光切割形成的n+1个第三垂直沟道(123)，所述第三垂直沟道(123)垂直穿过所述背电极层(116)、所述电子传输层(115)和所述钙钛矿层(114)；
其中，每相邻的所述第一垂直沟道(121)和所述第二垂直沟道(122)之间等间隔第一预设距离，每相邻的所述第二垂直沟道(122)和所述第三垂直沟道(123)之间等间隔第二预设距离。
4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述第一预设距离小于1mm，所述第二预设距离小于1mm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述组件的上层表面覆盖有致密绝缘陶瓷层(117)，其中，所述致密绝缘陶瓷层(117)为SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料；
所述第三垂直沟道(123)填充有所述SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料。
6.一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，通过激光切割的方式制备n个钙钛矿太阳能电池，所述n个钙钛矿太阳能电池共用同一块玻璃基板并构成串联结构。
7.根据权利要求6所述的一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1、清洗表面制备有TCO层的玻璃基板；
步骤2、在所述TCO层上制备空穴传输层；
步骤3、使用激光等间隔地切割所述空穴传输层，形成n+1个第一垂直沟道，所述第一垂直沟道垂直穿过所述空穴传输层和所述TCO层；
步骤4、在所述空穴传输层上依次制备钙钛矿层和电子传输层，其中，所述钙钛矿层包括钙钛矿材料，所述第一垂直沟道中填充有所述钙钛矿材料，所述电子传输层包括电子传输材料；
步骤5、使用激光等间隔地切割所述电子传输层，形成n+1个第二垂直沟道，所述第二垂直沟道垂直穿过所述电子传输层和所述钙钛矿层；
步骤6、在所述电子传输层上制备背电极层，其中，所述背电极层包括背电极材料，所述第二垂直沟道填充有所述背电极材料；
步骤7、使用激光等间隔地切割所述背电极层，形成n+1个第三垂直沟道，所述第三垂直沟道垂直穿过所述背电极层、所述电子传输层和所述钙钛矿层；
步骤8、对所述TCO层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层和所述背电极层除边处理，得到包括n个钙钛矿天阳能电池的钙钛矿太阳能电池组件；
其中，每相邻的所述第一垂直沟道和所述第二垂直沟道之间等间隔第一预设距离，每相邻的所述第二垂直沟道和所述第三垂直沟道之间等间隔第二预设距离。
8.根据权利要求7所述的一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，所述第一预设距离小于1mm，所述第二预设距离小于1mm。
9.根据权利要求6至8任一项所述的一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，所述组件的上层表面制备致密绝缘陶瓷层，其中，所述致密绝缘陶瓷层为SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料；
所述第三垂直沟道填充有所述SiC、SiN和SiO2中的任意一种材料或几种材料的复合材料。
10.根据权利要求7或8所述的一种钙钛矿太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，步骤8中，所述除边处理包括：激光除边和喷砂除边。
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