CN109411611A - 一种钙钛矿太阳能电池封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钙钛矿太阳能电池封装结构及封装方法，包括镀有导电层的玻璃基片、钙钛矿太阳能电池器件、玻璃背板及边缘封装胶；钙钛矿太阳能电池器件正面朝下设置在玻璃基片的导电层上；玻璃背板设置在钙钛矿太阳能电池器件的上部；玻璃背板与钙钛矿太阳能电池器件四周边缘设置边缘封装胶。本发明采用玻璃背板对钙钛矿太阳能电池的一次封装，一方面可以隔离湿气和氧气，另一方面增加了封装结构抗滑、擦的能力，避免在使用、操作电池的过程中出现划擦；采用在钙钛矿太阳能电池表面沉积一层致密的氮化硅防护层，能够起到很好的抗腐蚀，防水、氧侵入的作用，本发明其优异的封装性能大大提高了钙钛矿太阳能电池在空气环境下的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池封装技术领域，特别涉及一种钙钛矿太阳能电池封装结构及封装方法。
背景技术
有机/无机钙钛矿太阳能电池自从2009年发现以来，其光电转换效率已经从3.8％提升到如今的22％以上，其效率提升速度是市场上各种太阳能电池提升速度最快的，而且其光电转换效率已接近或超过市面上传统晶硅、铜铟镓硒以及碲化镉电池。钙钛矿太阳能电池的另一大优势就是制作工艺流程相较与传统晶硅电池大大缩短简化，并且制作成本也大幅降低。
封装技术在太阳能电池使用过程中对电池寿命有重要影响，现有的钙钛矿太阳能电池往往对湿气、氧气的稳定性较差，在大气环境中钙钛矿层极易分解失效等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池封装结构及封装方法，以解决上述现有技术中存在的问题，最大化的阻隔空气中的水和氧气，通过封装提高钙钛矿电池的稳定性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种钙钛矿太阳能电池封装结构，包括镀有导电层的玻璃基片、钙钛矿太阳能电池器件、玻璃背板及边缘封装胶；钙钛矿太阳能电池器件正面朝下设置在玻璃基片的导电层上；玻璃背板设置在钙钛矿太阳能电池器件的上部；玻璃背板与钙钛矿太阳能电池器件四周边缘设置边缘封装胶。
进一步的，玻璃背板与钙钛矿太阳能电池器件之间设有空腔，空腔内充填有惰性气体。
进一步的，还包括氮化硅防护层，氮化硅防护层设置在钙钛矿太阳能电池器件的背面。
进一步的，钙钛矿太阳能电池器件包括由下到上依次设置的负电极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层及正电极；
负电极为玻璃基片的导电层，导电层为ITO透明导电层；
电子传输层为氧化锡薄层，厚度为20-50nm；
钙钛矿活性层为AXnY3-n，其中R为烃基，A为Pb或Sn，X和Y为Cl、Br或I，n为0-3的实数，厚度为350-500nm；
正电极为铝层、银层或金层，厚度为60-100nm。
进一步的，还包括正电极引出端、负电极引出端；正电极引出端设置在钙钛矿太阳能电池器件的一端，正电极引出端与正电极连接；负电极引出端设置在钙钛矿太阳能电池器件的另一端，负电极引出端与负电极连接。
一种钙钛矿太阳能电池封装方法，包括以下步骤：
步骤1：用镀有导电层的玻璃基片作为基底，制备钙钛矿太阳能电池器件；
步骤2：在钙钛矿太阳能电池器件四周边缘涂均边缘封装胶，覆盖玻璃背板加压贴合，得到钙钛矿太阳能电池封装结构。
进一步的，步骤2采用在氮气气氛中进行；边缘封装胶采用环氧树脂胶。
进一步的，在步骤2之前，采用PECVD的方法在钙钛矿太阳能电池器件背面制备一层氮化硅防护层，工艺温度控制在60-80℃，所制备氮化硅防护层的厚度为60-80nm。
进一步的，步骤1中制备钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：
步骤11：在玻璃基片的导电层上旋涂氧化锡纳米颗粒悬浮液，经退火处理后，形成一层厚度均匀的氧化锡薄膜，作为电子传输层；
步骤12：在电子传输层上采用旋涂法制备得到钙钛矿活性层；
步骤13：在钙钛矿活性层上制备空穴传输层；
步骤14：在空穴传输层上蒸镀铝层、银层或金层任意一种，作为电池正电极；将玻璃基片101的导电层作为电池负电极，得到钙钛矿太阳能电池。
进一步的，步骤12中制备钙钛矿活性层，包括以下步骤：
1)将碘化铅-DMF溶液旋涂在电子传输层上，以75℃的温度退火2分钟，形成预设厚度的碘化铅-DMF薄膜；
2)在碘化铅-DMF薄膜上旋涂碘甲醚-氯甲胺-溴甲胺-异丙醇溶液，在环境湿度30％下，以150℃温度退火20分钟，得到钙钛矿活性层；
其中，碘甲醚、氯甲胺和溴甲胺以10:1:1的质量比溶于异丙醇溶剂中，获得碘甲醚、氯甲胺和溴甲胺总摩尔浓度为1.3mol/mL的碘甲醚-氯甲胺-溴甲胺-异丙醇溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供一种钙钛矿太阳能电池封装结构，本发明采用玻璃背板对钙钛矿太阳能电池的一次封装，一方面可以隔离湿气和氧气，另一方面玻璃背板的加入增加了封装结构抗滑、擦的能力，避免了在使用、操作电池的过程中出现的划擦现象；
进一步的，采用在钙钛矿太阳能电池背面沉积一层致密的氮化硅防护层，氮化硅防护层具有优良的化学稳定性和较高的硬度，能够起到很好的抗腐蚀，防水、氧侵入的作用；
本发明提供一种钙钛矿太阳能电池封装结构，具有安装、使用过程中太阳能电池不易破碎与损坏、工艺简便、成本低廉、密封性能好等优点；采用在氮气气氛下加压贴合玻璃背板，对钙钛矿太阳能电池进行第一层防护，采用在钙钛矿电池上沉积氮化硅防护层进行第二层防护，有效的隔离了空气中的湿气和氧气，提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为钙钛矿太阳能电池封装结构的剖视图。
具体实施方式
在描述本发明的实施方案时，为了清楚起见，使用了特定的术语，然而，本发明无意局限于所选择的特定术语。应了解每个特定原件包括类似的方法运行以实现类似目的的所有技术等同物。
下面结合附图和实例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明提供一种钙钛矿太阳能电池的封装结构，包括镀有ITO透明导电层的玻璃基片101、钙钛矿太阳能电池器件102、正电极引出端104、负电极引出端103、氮化硅防护层105、边缘封装胶106和玻璃背板107。
钙钛矿太阳能电池器件102设置在镀有ITO透明导电层的玻璃基片101的上部，钙钛矿太阳能电池器件102正面朝下紧贴玻璃基片101的ITO透明导电层设置；氮化硅防护层105设置在钙钛矿太阳能电池器件102的背面，作为钙钛矿太阳能电池器件101的第一层防护。
玻璃背板107设置在氮化硅防护层105上部，玻璃背板107与钙钛矿太阳能电池器件102四周边缘采用边缘密封胶106密封，边缘密封胶106设置在玻璃基片101和背板玻璃107之间；钙钛矿太阳能电池器件102被封装在玻璃基片101、玻璃背板107及边缘封装胶106形成的密封空间内，玻璃背板107与氮化硅防护层105之间设有空腔，空腔内充填有氮气，作为钙钛矿太阳能电池器件101的第二层防护。
钙钛矿太阳能电池器件101包括由下到上依次设置在玻璃基片ITO透明导电层上的电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层及正电极；玻璃基片101上的ITO透明导电层作为钙钛矿太阳能电池器件101的负电极为，钙钛矿活性层为AXnY3-n，其中R为烃基，A为Pb或Sn，X和Y为Cl、Br或I，n为0-3的实数，厚度为350-500nm；空穴传输层为与钙钛矿活性层材料能级匹配的有机、无机材料层，厚度为100nm；正电极为铝层、银层或金层，厚度为60-100nm。
本发明一种钙钛矿太阳能电池封装结构，还包括正电极引出端104和负电极引出端103；正电极引出端104设置在钙钛矿太阳能电池器件102的一端，正电极引出端104与钙钛矿太阳能电池器件102的正电极连接；负电极引出端103设置在钙钛矿太阳能电池器件102的另一端，负电极引出端103与钙钛矿太阳能电池器件102的负电极连接。
本发明一种钙钛矿太阳能电池封装结构的封装方法，包括以下步骤：
步骤1：用镀有导电层玻璃基片101作为基底，制备钙钛矿太阳能电池器件102；
其中：
步骤1中钙钛矿太阳能电池器件的制作步骤具体如下：
步骤11，制备电子传输层：
在玻璃基片101的ITO透明导电层一面上旋涂直径1-10nm的氧化锡纳米颗粒悬浮液，转速2000-5000rpm，时间为30-50s；然后在180℃的温度下退火30分钟，制备的电子传输层厚度在20-50nm。
步骤12，制备钛矿活性层：
钙钛矿活性层可采用旋涂法、气相沉积法、磁控溅射法或卷对卷工艺进行制备，采用旋涂法制备时，包括以下步骤：
1)将碘化铅以1.3mol/mL溶于DMF溶剂中，将碘化铅-DMF溶液旋涂在电子传输层上，转速为1500-2000rpm，时间为40-50s，以75℃的温度退火2分钟，得到碘化铅-DMF薄膜；
2)将碘甲醚、氯甲胺和溴甲胺以1.3mol/mL溶于异丙醇溶剂中，将碘甲醚-氯甲胺-溴甲胺-异丙醇溶液旋涂在碘化铅-DMF薄膜上，转速为1500-2000rpm，时间为40-50s，环境湿度为30％左右，以150℃温度退火20分钟，得到钙钛矿活性层。碘甲醚、氯甲胺和溴甲胺以10:1:1的质量比溶于异丙醇溶剂中，获得碘甲醚、氯甲胺和溴甲胺总摩尔浓度为1.3mol/mL的碘甲醚-氯甲胺-溴甲胺-异丙醇溶液。
步骤13，制备空穴传输层
空穴传输层采用旋涂法制备：将参杂的Spiro-OMeTAD溶液旋涂在钙钛矿活性层上，转速为1500-2000rpm，时间为40-50s，得到预设厚度的空穴传输层；
步骤14，制备正电极、负电极：
正电极采用真空蒸镀、ALD沉积、磁控溅射、激光沉积或卷对卷工艺进行制备。采用真空蒸镀工艺为：
将载有钙钛矿太阳能电池器件102的玻璃基片101固定在掩模板上，利用真空蒸镀设备，调节真空度至预设范围，以预设蒸镀速度，在钙钛矿活性层上蒸镀预设电极版图，正电极厚度控制在60-100nm；
负电极采用在空穴传输层制备完成后，将钙钛矿太阳能电池器件102的一端刮出，镀金作为负电极引出端103，将玻璃基片101的ITO透明导电层作为负电极。
步骤2：在钙钛矿太阳能电池器件102上制备氮化硅防护层105：
氮化硅防护层105采用在PECVD镀膜设备，在钙钛矿太阳能电池器件102背面进行制备，工艺温度为50-80℃，沉积厚度为50-80nm。
步骤3：采用在手套箱氮气氛围中，在钙钛矿太阳能电池器件102四周涂均边缘封装胶106，边缘封装胶106采用环氧树脂AB组分胶；在边缘封装胶106上覆盖玻璃背板107加压贴合，静止4h。
本发明的原理是：
利用化学稳定性极好的氮化硅薄层对钙钛矿太阳能电池进行第一层防护，对水、氧的侵入进行物理阻隔；利用氮气环境下加压贴合玻璃背板对钙钛矿太阳能电池进行第二层防护，进一步防止了钙钛矿太阳能电池阻隔水、氧的能力，同时玻璃背板的加入增加了封装结构抗滑、擦的能力。
Claims (10)
1.一种钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，包括镀有导电层的玻璃基片(101)、钙钛矿太阳能电池器件(102)、玻璃背板(107)及边缘封装胶(106)；钙钛矿太阳能电池器件(102)正面朝下设置在玻璃基片(101)的导电层上；玻璃背板(107)设置在钙钛矿太阳能电池器件(102)的上部；玻璃背板(107)与钙钛矿太阳能电池器件(102)四周边缘设置边缘封装胶(106)。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，玻璃背板(107)与钙钛矿太阳能电池器件(102)之间设有空腔，空腔内充填有惰性气体。
3.根据权利要1所述的一种钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，还包括氮化硅防护层(105)，氮化硅防护层(105)设置在钙钛矿太阳能电池器件(102)的背面。
4.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，钙钛矿太阳能电池器件(102)包括由下到上依次设置的负电极、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层及正电极；
负电极为玻璃基片(101)的导电层，导电层为ITO透明导电层；
电子传输层为氧化锡薄层，厚度为20-50nm；
钙钛矿活性层为(RNH3)AXnY3-n，其中R为烃基，A为Pb或Sn，X和Y为Cl、Br或I，n为0-3的实数，厚度为350-500nm；
正电极为铝层、银层或金层，厚度为60-100nm。
5.根据权利要求4所述的一种钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，还包括正电极引出端(104)、负电极引出端(103)；正电极引出端(104)设置在钙钛矿太阳能电池器件(102)的一端，正电极引出端(104)与正电极连接；负电极引出端(103)设置在钙钛矿太阳能电池器件(102)的另一端，负电极引出端(103)与负电极连接。
6.一种钙钛矿太阳能电池封装方法，所述封装方法用于制备权利要求1-5任意一项所述的一种钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：用镀有导电层的玻璃基片(101)作为基底，制备钙钛矿太阳能电池器件(102)；
步骤2：在钙钛矿太阳能电池器件(102)四周边缘涂均边缘封装胶(106)，覆盖玻璃背板(107)加压贴合，得到钙钛矿太阳能电池封装结构。
7.根据权利要求6所述的一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，步骤2采用在氮气气氛中进行；边缘封装胶(106)采用环氧树脂胶。
8.根据权利要求6所述的一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，在步骤2之前，采用PECVD的方法在钙钛矿太阳能电池器件(102)背面制备一层氮化硅防护层(105)，工艺温度控制在60-80℃，所制备氮化硅防护层(105)的厚度为60-80nm。
9.根据权利要求6所述的一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，步骤1中制备钙钛矿太阳能电池，包括以下步骤：
步骤11：在玻璃基片(101)的导电层上旋涂氧化锡纳米颗粒悬浮液，经退火处理后，形成一层厚度均匀的氧化锡薄膜，作为电子传输层；
步骤12：在电子传输层上采用旋涂法制备得到钙钛矿活性层；
步骤13：在钙钛矿活性层上制备空穴传输层；
步骤14：在空穴传输层上蒸镀铝层、银层或金层任意一种，作为电池正电极；将玻璃基片101的导电层作为电池负电极，得到钙钛矿太阳能电池。
10.根据权利要求9所述一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，步骤12中制备钙钛矿活性层，包括以下步骤：
1)将碘化铅-DMF溶液旋涂在电子传输层上，以75℃的温度退火2分钟，形成预设厚度的碘化铅-DMF薄膜；
2)在碘化铅-DMF薄膜上旋涂碘甲醚-氯甲胺-溴甲胺-异丙醇溶液，在环境湿度30％下，以150℃温度退火20分钟，得到钙钛矿活性层；
其中，碘甲醚、氯甲胺和溴甲胺以10:1:1的质量比溶于异丙醇溶剂中，获得浓度为1.3mol/mL的碘甲醚-氯甲胺-溴甲胺-异丙醇溶液。
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