CN108346744B - 一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法。所述制备方法包括：在清洁基板上沉积透明导电层，通过超快激光对基板进行切割，切割掉部分区域的透明导电层；清洁基板，然后在透明导电层上沉积电池功能层和金属对电极层，所述电池功能层依次为电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；通过超快激光、采用不同的激光加工参数切割两条切线，其中一条切线同时切割掉部分电池功能层和金属对电极层，另一条切线在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极层下延搭接到透明导电层上，使之构成完整的串联电池结构。

Description

一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法。
背景技术
随着全球经济的不断发展，能源危机及环境污染问题日益严重。太阳能作为一种可再生的清洁能源，受到越来越广泛的关注。研发高效低成本的新型太阳能电池，有助于实现太阳能光伏发电的广泛应用，也是改善全球气候变暖及温室效应等问题的有效手段之一。目前，硅太阳能电池占据了约90％的光伏组件市场，但是其成本过高、生产能耗过大。而钙钛矿太阳能电池则以其转换效率高、开路电压高、成本低、制备工艺简单的优点，引起了全世界的关注。
钙钛矿太阳电池现阶段的发展状况良好，短短几年时间，其光电转换效率已经从2009年的3.8％增长到了22.7％。然而目前对钙钛矿太阳能电池的研究仅局限于小面积单一电池器件上，器件的大面积组件化研究相对滞后。显然电池的放大会造成其转换效率明显下降。因此，如何制备出大面积的高转换效率的器件对于实现钙钛矿太阳能电池的工业化应用具有重要意义，而激光加工对于制备可印刷的串联大面积组件则是必不可少的。
相对于其他加工手段来说，超快激光因其非线性吸收、脉冲持续时间短、峰值功率高等特性，能够消除热影响，实现高质量的冷加工，在材料加工中得到了广泛应用。比起传统的光刻蚀法和机械刻蚀，超快激光刻蚀能够更精确地对几十纳米或微米厚的薄膜进行刻划，而且不会对下层基板造成损伤。相对于常用的掩模版技术，激光光斑直径小，切线宽度可控，能够减小电池的无效区域面积。
钙钛矿太阳能电池组件的有效面积是指电池能够有效接收光照的面积。传统的激光加工方法在制备大面积钙钛矿太阳能电池组件时，通常需要经过P1/P2/P3三次激光加工过程(如图1所示)，其中，P1过程为去除透明导电层(TCL)，清洁基板后进行电池功能层的沉积；P2过程即为去除沉积的电池功能层，但不伤害基板；P2过程后之后进行金属电极的沉积，最后的P3过程是去除金属电极层，从而在单条电池之间建立串联连接结构。P2/P3激光加工过程中包含一步沉积金属电极，因此需要要移动样品，所以精度主要靠CCD定位精度控制。如图2所示，P1/P2/P3三条切线以及切线之间的部分均为电池的无效区域，会造成电池有效面积的减小，从而影响组件整体效率。切线宽度主要与激光聚焦光斑大小有关，可以通过调整激光光斑大小来控制切线宽度。切线之间的间距主要通过CCD同轴监控来调控，通过CCD同轴监视系统，能够实现图像自动识别和自动定位切割。但是激光光斑大小调节是有一定限度的，而且CCD同轴监视系统的定位精度问题也会造成切线之间的间距过大，从而导致电池有效面积不能进一步提高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法，包括如下步骤：
(1)在清洁基板上沉积透明导电层，通过超快激光对基板进行切割，切割掉部分区域的透明导电层(TCL)；
(2)清洁基板，然后在基板上沉积电池功能层和金属对电极层，所述电池功能层依次为电子传输层(ETL)、钙钛矿吸光层和空穴传输层(HTL)；
(3)通过超快激光、采用不同的激光加工参数切割两条切线，其中一条切线同时切割掉部分电池功能层和金属对电极层，另一条切线在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极层向下延伸搭接到透明导电层上，构成完整的串联电池结构。
上述方案中，步骤(1)所述超快激光切割掉部分区域透明导电层的工艺参数为：皮秒模式，重复频率为200k～5M Hz，激光功率为14～18W，振镜扫描速度为400～1000mm/s。
上述方案中，步骤(3)所述采用超快激光切割掉部分电池功能层和金属对电极层的工艺参数为：飞秒模式，重复频率为200k～5M Hz，激光功率为10～15W，振镜扫描速度为800～2000mm/s。
上述方案中，步骤(3)所述采用超快激光切割掉电池功能层的同时使金属对电极搭接到透明导电层的工艺参数为：皮秒模式，重复频率为200k～5M Hz，激光功率为11～14W，振镜扫描速度为1500～2000mm/s。
本发明中，所述基板包括但不限于：含透明导电掺杂氟的SnO2(FTO)或氧化铟锡(ITO)镀层的玻璃基板、含透明导电ITO镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)塑料基板；所述电子传输层包括但不限于：二氧化钛、氧化锡、氧化锌等氧化物；所述的钙钛矿吸光层包括但不限于：CH3NH3PbI3(MAPbI3)、HC(NH2)2PbI3(FAPbI3)、CsPbI3等；所述的空穴传输层包括但不限于：spiro-OMeTAD、P3HT、聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等；所述的金属电极包括但不限于：金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)。
本发明的有益效果如下：本发明采用超快激光切割工艺，通过一次性同时加工两条切线，其中一条切线同时切割掉部分电池功能层和金属对电极层，另一条切线在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极层向下延伸搭接到透明导电层上，具备金属电极层的功能；本发明所述加工方法减少了使用CCD同轴监视系统进行定位的次数，降低了定位系统精度造成的误差；并且这两条切线的线间距直接可控，可以通过缩小线间距来显著提高电池有效面积，从而提高组件整体效率；相对于传统的激光加工方式来说，在镀膜过程期间，减少一次激光划线过程可以大大提高生产的效率，对于提高钙钛矿太阳能电池组件的有效面积，提供了切实可行的解决方案。
附图说明
图1为对比例1的传统的激光加工钙钛矿太阳能电池组件方法的流程图，其中1为基板，2为透明导电层(TCL)，3为电子传输层(ETL)，4为钙钛矿吸光层，5为空穴传输层(HTL)，6为金属电极层。
图2为电池无效区域与有效区域示意图。
图3为本发明所述超快激光加工方法制备钙钛矿太阳能电池组件的流程图，1为基板，2为透明导电层(TCL)，3为电子传输层(ETL)，4为钙钛矿吸光层，5为空穴传输层(HTL)，6为金属电极层。
图4为实施例1中按照本发明的激光加工方法制得的器件有效面积效率图。
图5对比例1传统激光加工钙钛矿太阳能电池组件方法制得的器件有效面积效率图。
图6为实施例2中按照本发明的激光加工方法制得的器件有效面积效率图。
图7对比例2传统激光加工钙钛矿太阳能电池组件方法制得的器件有效面积效率图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图3所示，采用本发明所述超快激光加工大面积钙钛矿太阳能电池组件方法，它包括如下步骤：
(1)通过超快激光对5cm*5cm ITO导电玻璃进行切割，剥落部分区域的透明导电层；加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15W，振镜扫描速度为1000mm/s，刻蚀线宽度为30μm；切割完成后清洗基底；
(2)在清洗干净的基底上通过Slot-die刮涂一层氧化锡电子传输层；
(3)在氧化锡电子传输层上旋涂钙钛矿和spiro-OMeTAD；
(4)在功能层上方蒸镀金(80nm)；
(5)利用超快激光对上述器件进行加工，同时切两道线：靠近TCL切线(即在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极向下延伸搭接到透明导电层)的切线加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为12W，振镜扫描速度为2000mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.01mm；另外一条切线(同时切割掉部分电池功能层和金属对电极层)的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为10W，振镜扫描速度为2000mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm；
(6)对制得的大面积钙钛矿太阳能电池进行测试，其有效面积效率如图4所示。
对比例1
如图1所示，采用传统的激光加工大面积钙钛矿太阳能电池组件方法，包括如下步骤：
(1)通过超快激光对5cm*5cm ITO导电玻璃进行切割，剥落部分区域的透明导电层，加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15W，振镜扫描速度为1000mm/s，刻蚀线宽度为30μm；切割完成后清洗基底；
(2)在清洗干净的基底上通过Slot-die刮涂一层氧化锡电子传输层；
(3)在氧化锡电子传输层上旋涂钙钛矿和spiro-OMeTAD；
(4)通过超快激光对功能层进行切割，但不对导电层造成破坏(P2)；加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为12W，振镜扫描速度为800mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm；
(5)在功能层上方蒸镀金(80nm)；
(6)通过超快激光对金和功能层进行切割，但不对导电层造成破坏(P3)，加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为10W，振镜扫描速度为2000mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm；
(7)对制得的大面积钙钛矿太阳能电池进行测试，其有效面积效率如图5所示。
实施例2
采用本发明所述超快激光加工大面积钙钛矿太阳能电池组件方法，它包括如下步骤：
(1)通过超快激光对6cm*6cm FTO导电玻璃进行切割，剥落部分区域的透明导电层，加工参数为：皮秒模式，重复频率为500k Hz，激光功率为14W，振镜扫描速度为900mm/s，刻蚀线宽度为30μm，切割完成后清洗基底；
(2)在清洗干净的基底上通过化学浴沉积的方法制备一层氧化锡电子传输层；
(3)在氧化锡电子传输层上旋涂钙钛矿和spiro-OMeTAD；
(4)在功能层上方蒸镀金(80nm)；
(5)利用超快激光对上述器件进行加工，同时切两道线：靠近TCL切线(即在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极向下延伸搭接到透明导电层)的切线加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为14W，振镜扫描速度为1500mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm；另外一条切线(同时切割掉部分电池功能层和金属对电极层)的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为13W，振镜扫描速度为1500mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm。
对制得的大面积钙钛矿太阳能电池进行测试，结果如图6所示。
对比例2
如图1所示，采用传统的激光加工大面积钙钛矿太阳能电池组件方法，包括如下步骤：
(1)通过超快激光对6cm*6cm FTO导电玻璃进行切割，剥落部分区域的透明导电层，加工参数为：皮秒模式，重复频率为500k Hz，激光功率为14W，振镜扫描速度为900mm/s，刻蚀线宽度为30μm；切割完成后清洗基底；
(2)在清洗干净的基底上通过化学浴沉积的方法制备一层氧化锡电子传输层；
(3)在氧化锡电子传输层上旋涂钙钛矿和spiro-OMeTAD；
(4)通过超快激光对功能层进行切割，但不对导电层造成破坏(P2)；加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15W，振镜扫描速度为800mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm；
(5)在功能层上方蒸镀金(80nm)；
(6)通过超快激光对金和功能层进行切割，但不对导电层造成破坏(P3)，加工参数为：皮秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为13W，振镜扫描速度为1500mm/s，刻蚀线宽度为0.2mm，填充间距为0.02mm；
(7)对制得的大面积钙钛矿太阳能电池进行测试，其有效面积效率如图7所示。
将图4和图5、图6和图7进行对比，从中可以看出：在同类基底上，两种方法制备出的电池开路电压、短路电流密度和填充因子相差不大，也就是说，本申请在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极层向下延伸搭接到透明导电层上，这样的搭接也使其具备金属电极层的功能，仍然具有良好的电池性能；同时将实施例1和对比例1、实施例2和对比例2制备所得钙钛矿太阳能电池的有效面积和器件效率进行比较，结果如表1所示：
表1钙钛矿太阳能电池的有效面积和器件效率对比结果
表1的结果显示：相对于传统激光加工方法，本发明中提出的超快激光加工方法制备出的钙钛矿太阳能电池器件的有效面积更大，组件整体效率更高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高钙钛矿太阳能电池有效面积的激光加工方法，包括如下步骤：
（1）在清洁基板上沉积透明导电层，通过超快激光对基板进行切割，切割掉部分区域的透明导电层；
（2）清洁基板，然后在透明导电层上沉积电池功能层和金属对电极层，所述电池功能层依次为电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；
（3）通过超快激光、采用不同的激光加工参数切割两条切线，其中一条切线同时切割掉部分电池功能层和金属对电极层，另一条切线在切割掉部分电池功能层的同时使金属对电极层下延搭接到透明导电层上，使之构成完整的串联电池结构。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，步骤（1）所述超快激光切割掉部分区域透明导电层的工艺参数为：皮秒模式，重复频率为200k~5M Hz，激光功率为14~18 W，振镜扫描速度为400~1000 mm/s。
3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，步骤（3）所述采用超快激光切割掉部分电池功能层和金属对电极层的工艺参数为：飞秒模式，重复频率为200k~5M Hz，激光功率为10~15 W，振镜扫描速度为800~2000 mm/s。
4.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，步骤（3）所述采用超快激光切割掉电池功能层的同时使金属对电极搭接到透明导电层的工艺参数为：皮秒模式，重复频率为200k~5M Hz，激光功率为11~14 W，振镜扫描速度为1500~2000 mm/s。
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