CN109216556A - 一种特定结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钙钛矿太阳能技术领域,具体涉及一种特定结构的的钙钛矿太阳能电池及其封装方法。所述钙钛矿太阳能电池由导电基体、电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2、电极层、阻隔/封装复合层和覆盖层组成,所述导电基体上依次生长有电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2、电极层,所述电极层上设有阻隔/封装复合层,将所述电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2和电极层覆盖在其下,所述阻隔/封装复合层上覆盖了覆盖层。本发明采用由阻隔层与封装层构成的复合层对电池进行封装,利用刚性阻隔层和塑性高分子封装层的有机复合,结合外覆盖层,实现了钙钛矿电池稳定性大幅提升,大大提高了钙钛矿电池效率。
Description
技术领域
本发明属于钙钛矿电池技术领域,具体涉及一种特定结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前,研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池,但由于其制备工艺复杂、能耗大,使得生产成本长期居高不下,并且生产过程中会对环境造成污染,因此其应用受到了很大的限制。近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅速,其转换效率突破20%,并且制备条件简单(可通过溶液旋涂、印刷、3D打印技术制备),可操作调控性广,易于实现大面积制备,因而是目前最有希望实现产业化的太阳能电池。但是由于钙钛矿材料本身的性质对水氧敏感,导致暴露在空气中的钙钛矿电池效率衰减很快,放置在空气中一段时间后效率大幅下降,这就限制了钙钛矿电池发展,为了克服这一问题急需一种钙钛矿电池封装工艺,能让电池稳定高效的工作。当前电池器件主要结构不具备良好的抗湿特性,另外普通结构的电池由于钙钛矿的低熔点特性,易受到封装过程的影响,显著降低效率。通过本发明使用的复合结构能显著提升器件对水氧稳定性及减少封装工艺对器件性能的影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,目的在于提供一种新结构的钙钛矿太阳能电池和封装方法,利用具有刚性特征的阻隔层,实现功能层和封装层的分离,同时达到阻隔特性和电池功能的保护。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种特定结构的钙钛矿太阳能电池,所述钙钛矿太阳能电池由导电基体、电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2、电极层、阻隔/封装复合层和覆盖层组成,所述导电基体上生长有电子传输层1,所述电荷传输层1上设有钙钛矿层,所述钙钛矿层上设有电荷传输层2,所述电荷传输层2上设有电极层,所述电极层上设有阻隔/封装复合层,将所述电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2和电极层覆盖在其下,所述阻隔/封装复合层上覆盖了覆盖层。
上述方案中,所述导电基体采用FTO导电玻璃或ITO导电玻璃或导电PET。
上述方案中,所述钙钛矿层为ABX3(A=HC(NH2)2 +、CH3NH3 +等,B=Pb2+、Sn2+等,X=F-、Cl-、Br-、I-等),所述钙钛矿层的厚度为600~800nm。
上述方案中,当所述电荷传输层1为电子传输层时,所述电荷传输层2为空穴传输层;当所述电荷传输层1为空穴传输层时,所述电荷传输层2为电子传输层。
上述方案中,所述电子传输层的厚度20~100nm,空穴传输层的厚度为70~150nm。
上述方案中,所述空穴传输层采用Spiro-OMeTAD或者PEDOT:PSS等
上述方案中,所述电极层为采用金或银的金属电极层。
上述方案中,所述阻隔/封装复合层由阻隔层和封装层复合而成,首先在电极层上覆盖阻隔层、随后覆盖封装层,经压制后形成阻隔/封装复合层,所述阻隔层和封装层的厚度之比为1:1~1:10。
上述方案中,所述阻隔层采用PET膜、铝塑膜、阻隔膜、或金属箔片,所述阻隔层的厚度为0.02mm~0.2mm。
上述方案中,所述封装层采用PIB胶或EVA胶,所述封装层的厚度为0.1~2mm。
上述方案中,所述覆盖层采用钠钙玻璃或柔性薄膜,所述覆盖层的厚度为0.5~2mm。
上述特定结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法,包括如下步骤:
(1)制备钙钛矿电池:通过分布涂布或沉积方式制备各功能层:在导电基体上制备电荷传输层1;在电荷传输层1上制备钙钛矿层;在钙钛矿层上制备电荷传输层2;在电荷传输层2和导电基体上制备电极层;
(2)在电极层上覆盖一层阻隔层,所述阻隔层将电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2和电极层覆盖在其下;在阻隔层表面覆盖一层封装层;然后施加压力和温度,阻隔层和封装层紧密结合形成复合层;
(3)在复合层表面盖上一层覆盖层;
(4)将电池进行真空层压封装。
上述方案中,步骤(4)所述真空层压封装的参数设置为:温度25℃,压强40kPa。
本发明的有益效果如下:本发明采用三明治结构对钙钛矿太阳能电池进行封装,钙钛矿太阳能电池包含导电基体、电子传输层、钙钛矿层、空穴导电层、金属电极层,同时采用由阻隔层与封装层构成的复合层进行封装,利用刚性阻隔层和塑性高分子封装层的有机复合,结合外覆盖层,实现了钙钛矿电池稳定性大幅提升,且本发明所述三明治结构设计显著增加了电池器件针对水氧侵蚀的工作稳定性,同时避免了传统热压封装过程对钙钛矿电池性能的恶化作用,大大提高了钙钛矿电池效率。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图。
图2为本发明的俯视示意图。
图1和图2中,1-导电基体,2-电荷传输层1,3-钙钛矿层,4-电荷传输层2,5-电极层,6-阻隔层,7-封装层,8-覆盖层。
图3为实施例2中采用PET阻隔膜/封装层复合层与采用单一封装层的电池归一化效率对比图。
图4为使用铝塑膜作为阻隔层的电池封装实例。
图5为使用PET膜作为阻隔层的电池封装实例。
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,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种特定结构的钙钛矿太阳能电池,包括:导电基体、金属电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、阻隔/封装复合层和覆盖层,其制作过程如下:
1)以FTO玻璃为基体材料,切割成5×5cm的尺寸,用洗洁精水溶液、去离子水、乙醇依次超声清洗各15min,氮气流吹干;
2)在处理后的基板上喷涂一层致密二氧化钛层作为电子传输层,厚度为70nm;
3)在真空手套箱中用反溶剂法旋涂钙钛矿层,100℃退火1h,钙钛矿层厚度为600nm;
4)在真空手套箱中旋涂Spiro-OMeTAD空穴导电层,膜厚为100nm;
5)在空穴传输层上制备金属电极层,利用掩膜板将基板固定放置于高电阻真空镀膜仪中,待高电阻真空镀膜仪内的真空度达到10-5~10-4Pa后,加热金电极,以1A/s的蒸发速率在空穴导电层的表面沉积一层金电极层;
6)裁剪四边均多于金电极区域0.5mm的铝塑膜平铺覆盖于金电极层上,膜厚为0.1mm;
7)使用PIB胶覆盖于铝塑膜之上,超出铝塑膜四边1mm,PIB胶的厚度为1mm;
8)25℃、20KPa下压制形成阻隔层/封装层复合层,其中阻隔层与封装层厚度之比为1:10;
9)使用厚度为2mm的钠钙玻璃覆盖于PIB胶上;
10)将电池置于真空层压机中层压封装,热板温度为25℃,压强差为40KPa。
实施例2
一种特定结构的钙钛矿太阳能电池,包括:导电基体、金属电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、阻隔/封装复合层和覆盖层,其制作过程如下:
1)以FTO玻璃为基体材料,切割成5×5cm的尺寸,用洗洁精水溶液、去离子水、乙醇依次超声清洗各15min,氮气流吹干;
2)在处理后的基板上浸泡一层氧化锡层,厚度为70nm;
3)在真空手套箱中用反溶剂法旋涂钙钛矿层,100℃退火1h,钙钛矿层厚度为600nm;
4)在真空手套箱中旋涂Spiro-OMeTAD,膜厚为100nm;
5)在空穴导电层上制备金属电极层,利用掩膜板将基板固定放置于高电阻真空镀膜仪中,待高电阻真空镀膜仪内的真空度达到10-5~10-4Pa后,加热金电极,以1A/s的蒸发速率在空穴导电层的表面沉积一层金电极层;
6)裁剪四边均多于金电极区域0.5mm的PET膜平铺覆盖于金电极上,膜厚为0.2mm;
7)使用PIB胶覆盖于PET膜之上,超出PET膜四边1mm,胶的厚度为1mm;
8)压制形成阻隔层/封装层复合层,其形成的复合层中阻隔层与封装层厚度之比为1:5;
9)使用厚度为2mm的钠钙玻璃覆盖于PIB胶上;
10)将电池置于真空层压机中层压封装,热板温度为25℃,压强差为40KPa。
实施例3
反式钙钛矿太阳能电池,制作过程如下:
1)以FTO玻璃为基体材料,切割成1.5×2cm的尺寸,用洗洁精水溶液、去离子水、乙醇依次超声清洗各15min,氮气流吹干;
2)在处理过的基板上旋涂一层PEDOT:PSS薄膜作为空穴传输层,膜厚100nm;
3)在真空手套箱中用反溶剂法旋涂钙钛矿层,100℃退火10min,120℃退火50min,钙钛矿层厚度为650nm;
4)钙钛矿光吸收层制备完成后,旋涂一层PCBM薄膜作为电子传输层;
5)在PCBM上分别蒸镀8nmBCP,80nmCu,BCP作为阻挡层阻挡空穴的传输,Cu作为背电极;
6)裁剪四边均多于金电极区域0.5mm的PET膜平铺覆盖于金电极上,膜厚为0.2mm;
7)使用PIB胶覆盖于PET膜之上,超出PET膜四边1mm,胶的厚度为1mm;
8)压制形成阻隔层/封装层复合层,其形成的复合层中阻隔层与封装层厚度之比为1:5;
9)使用厚度为2mm的钠钙玻璃覆盖于PIB胶上;
10)将电池置于真空层压机中层压封装,热板温度为25℃,压强差为40KPa。
对比例
一种钙钛矿太阳能电池,包括:导电基体、金属电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、封装层和覆盖层,其制作过程如下:
1)以FTO玻璃为基体材料,切割成5×5cm的尺寸,用洗洁精水溶液、去离子水、乙醇依次超声清洗各15min,氮气流吹干;
2)在处理后的基板上浸泡一层氧化锡层,厚度为70nm;
3)在真空手套箱中用反溶剂法旋涂钙钛矿层,100℃退火1h,钙钛矿层厚度为600nm;
4)在真空手套箱中旋涂Spiro-OMeTAD,膜厚为100nm;
5)在空穴导电层上制备金属电极层,利用掩膜板将基板固定放置于高电阻真空镀膜仪中,待高电阻真空镀膜仪内的真空度达到10-5~10-4Pa后,加热金电极,以1A/s的蒸发速率在空穴导电层的表面沉积一层金电极层;
6)在金电极层表面覆盖一层PIB胶,厚度为1.5mm;
7)使用厚度为2mm的钠钙玻璃覆盖于PIB胶上;
8)将电池置于真空层压机中层压封装,热板温度为25℃,压强差为40KPa。
图3为实施例2中制备所得钙钛矿太阳能电池与对比例制备所得钙钛矿太阳能电池的电池归一化效率对比图。从图3可以看出:使用PET阻隔膜/PIB胶复合层的电池具有良好的长期稳定性,使用PET阻隔膜/PIB胶复合层的电池比对比例的电池封装后效率更高;采用由阻隔层与封装层构成的复合层进行封装,利用刚性阻隔层和塑性高分子封装层的有机复合,结合外覆盖层,实现了钙钛矿电池稳定性大幅提升,且本发明所述三明治结构设计显著增加了电池器件针对水氧侵蚀的工作稳定性,同时避免了传统热压封装过程对钙钛矿电池性能的恶化作用,大大提高了钙钛矿电池效率。
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 (9)
1.一种特定结构的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述钙钛矿太阳能电池由导电基体、电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2、电极层、阻隔/封装复合层和覆盖层组成,所述导电基体上生长有电子传输层1,所述电荷传输层1上设有钙钛矿层,所述钙钛矿层上设有电荷传输层2,所述电荷传输层2上设有电极层,所述电极层上设有阻隔/封装复合层,将所述电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2和电极层覆盖在其下,所述阻隔/封装复合层上覆盖了覆盖层。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,导电基体采用FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或导电PET。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述钙钛矿层为ABX3,其中A为 HC(NH2)2 +、或CH3NH3 +,B为Pb2+、或Sn2+,X为F-、Cl-、Br-、或I-,其中所述钙钛矿层的厚度为300~800nm。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,当所述电荷传输层1为电子传输层时,所述电荷传输层2为空穴传输层;当所述电荷传输层1为空穴传输层时,所述电荷传输层2为电子传输层,所述电子传输层的厚度20~100nm,空穴传输层的厚度为70~150nm。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述阻隔/封装复合层是由阻隔层和封装层复合而成,首先在电极层上覆盖阻隔层,然后覆盖封装层,经压制后形成阻隔/封装复合层,所述阻隔层和封装层的厚度之比为1:1~1:10。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述阻隔层采用PET膜、铝塑膜、阻隔膜、或金属箔片,所述阻隔层的厚度为0.02mm~0.2mm。
7.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述封装层采用PIB胶或EVA胶,所述封装层的厚度为0.1~2mm。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池,其特征在于,所述覆盖层采用钠钙玻璃或柔性薄膜,所述覆盖层的厚度为0.5~2mm。
9.权利要求1~8任一项所述钙钛矿太阳能电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)制备钙钛矿电池:通过分布涂布或沉积方式制备各功能层:在导电基体上制备电荷传输层1;在电荷传输层1上制备钙钛矿层;在钙钛矿层上制备电荷传输层2;在电荷传输层2和导电基体上制备电极层;
(2)在电极层上覆盖一层阻隔层,所述阻隔层将电荷传输层1、钙钛矿层、电荷传输层2和金属电极层覆盖在其下;在阻隔层表面覆盖一层封装层;然后施加压力和温度,阻隔层和封装层紧密结合形成复合层;
(3)再在复合层表面盖上一层覆盖层;
(4)将电池进行真空层压封装。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190115 |