CN110246965A - 一种大面积钙钛矿太阳电池组件及其制备方法 - Google Patents

一种大面积钙钛矿太阳电池组件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钙钛矿太阳电池组件及其制备方法。所述钙钛矿太阳电池组件具有依次层叠的多层薄膜结构，包含衬底、顶电极、顶阻挡层、光敏层、背阻挡层、背电极。所述组件具有阵列结构，相邻单元的背电极和顶电极依次连通，单元之间的顶电极、背电极彼此不连通。本发明所述组件的串联沟道通过激光方法制备，所述沟道具有电阻低、宽度窄的特点，使得所述组件具有较低的欧姆损耗和较小的死区面积等优势。

Description

一种大面积钙钛矿太阳电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种大面积钙钛矿太阳电池组件的制备技术。
背景技术
通过激光将多个面积较小的子电池串联，是一种常用的薄膜太阳电池组件制备方法。在薄膜电池制备的不同阶段，通过激光选择性地去除部分薄膜材料，可以实现子电池的串联形成组件。
氧化钛是制备高效钙钛矿太阳电池重要材料，对于基于氧化钛的钙钛矿太阳电池而言，由于氧化钛薄膜具有带隙宽、化学性质稳定等特点，难以通过传统激光方法完全去除。残留在器件中的氧化钛会显著增加子电池间串联电阻，从而限制大面积钙钛矿器件性能的提升。
目前包含氧化钛的大面积钙钛矿电池，其内联工艺普遍通过降低氧化钛层厚度以降低第二激光去除线电阻，或使用机械方法部分去除氧化钛薄膜形成第二激光去除线沟道，或在制备氧化钛层时预留出第二激光去除线沟道。上述方法均存在弊端，第一种方式中较薄的氧化钛层难以形成良好的空穴阻挡能力，从而降低器件性能。后两种方式制备的第二激光去除线沟道宽度较大，会产生较大面积的死区，从而减低大面积钙钛矿组件的光电转化效率。
本专利所述技术通过激光工艺使氧化钛表面形成裂痕，从而使第二激光去除线沟道具有极低的串联电阻。本专利所述技术制备的钙钛矿太阳电池组件第二激光去除线沟道串联电阻低、宽度窄，可以有效提升大面积器件光电转化效率。
发明内容
一种钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：包含依次层叠的衬底、顶电极、顶阻挡层、光敏层、背阻挡层、背电极；所述顶电极具有N+1个相互间隔互不连接的呈阵列结构排列的顶电极有效区A(0)～A(N)，所述背电极具有N+1个相互间隔互不连接的呈阵列结构排列的背电极有效区B(1)～B(N+1)；
顶电极有效区A(0)与背电极有效区B(1)相对应设置，它们之间依次层叠设有顶阻挡层、光敏层、背阻挡层，构成第一单元；顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)相对应设置，它们之间的依次层叠设有顶阻挡层、光敏层、背阻挡层，构成第x单元；不同单元的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层均分别相互间隔互不连接；
顶电极有效区阵列和背电极有效区阵列分别于衬底上投影，相对应的顶电极有效区A(1)～A(N)和背电极有效区B(1)～B(N)的重叠投影区域对应的分别为光电有效区C(1)～C(N)，两者不重叠投影区域对应的分别为死区D(0)～D(N+1)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)彼此连通；N为大于等于2的正整数，x为0至N之间的整数。
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述组件相对应的死区D(x)面积与光电有效区C(x)面积之比不大于1％；
不同单元的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层分别于衬底上投影，形成三者的重叠投影区域，光电有效区位于三者的重叠投影区域内。
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：衬底采用透明材质，厚度介于1μm～10mm之间，材质为石英、玻璃、有机玻璃、乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)中的一种或多种的组合。
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述顶电极具有阵列结构的顶电极有效区单元，不同单元之间顶电极有效区相互不连通；所述顶电极为导电薄膜材料，位于衬底和顶阻挡层之间，厚度在50nm～5μm之间，材质可以为掺杂氧化锡、掺杂的氧化锌、掺杂氧化铟、掺杂氧化钨等半导体薄膜材料或钙、钛、钨、铬、金、银、铝、铜、钛、镉、铟、镓等金属薄膜材料中的一种或多种组合；
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：具有阵列结构的单元，不同单元之间顶阻挡层相互不连通；所述顶阻挡层位于顶电极和光敏层之间，厚度介于5nm～50μm之间，由一层或多层带隙在0.5～4.5eV之间的半导体薄膜组成，暗态电导率介于10-10～105S/cm之间；所述顶阻挡层材质优选但不限于硅薄膜(如a-Si、a-SiGe、a-SiC、nc-Si、nc-SiOx等)、硫化镉、铜铟镓硒系列材料(CIGS、CZTS等)、金属氧化物(NiOx、TiOx、Al2O3、ZnO等)、有机材料(如PDPP3T、PTB7、PCBM、Spiro-OMeTAD、PEDOT等)中的一种或多种组合。
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述光敏层具有阵列结构的单元，不同单元之间顶阻挡层相互不连通。所述光敏层为半导体薄膜材料，位于顶阻挡层和背阻挡层之间，厚度在5nm～50μm之间，材质为有机-无机杂化钙钛矿材料，优选但不限于MAPbI3、FAPbI3、MASnI3、MAPbBr3、MAPbCl3等。
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述背阻挡层具有阵列结构的单元，不同单元之间背阻挡层相互不连通。所述背阻挡层位于光敏层和背电极之间，厚度介于5nm～50μm之间，由一层或多层带隙在0.5～4.5eV之间的半导体薄膜组成，暗态电导率介于10-10～105S/cm之间；所述顶阻挡层材质优选但不限于硅薄膜(如a-Si、a-SiGe、a-SiC、nc-Si、nc-SiOx等)、硫化镉、铜铟镓硒系列材料(CIGS、CZTS等)、金属氧化物(NiOx、TiOx、Al2O3、ZnO等)、有机材料(如PDPP3T、PTB7、PCBM、Spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS等)中的一种或多种组合。
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述背电极为具有阵列结构的单元，不同单元之间背电极相互不连通；所述背电极为导电薄膜材料，厚度在50nm～5μm之间，材质可以为掺杂氧化锡、掺杂的氧化锌、掺杂氧化铟、掺杂氧化钨等半导体薄膜材料或钙、钛、钨、铬、金、银、铝、铜、钛、镉、铟、镓等金属薄膜材料中的一种或多种的组合。
所述保护层特征在于：于背电极远离顶电极的一侧表面设有保护层，背电极位于背阻挡层和保护层之间，所述保护层位于背电极表面，其于衬底上投影覆盖光电有效区全部区域，覆盖顶电极有效区和背电极有效区部分区域或全部区域；其材质可以为下列有机物聚乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯/四氟乙烯共聚物(ETFE)有机物中的一种或多种的组合，或为玻璃、不锈钢、铝、铜中的一种或多种和上述有机物中一种或多种的组合。
所述阵列结构是指当激光刻划电池形成激光去除线时，电池各层被激光去除线间隔的各部分形成的结构。
所述钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于：
使用激光部分去除顶电极形成第一激光去除线，使顶电极形成阵列排布的顶电极有效区A(0)～A(N)；
在顶电极表面依次制备顶阻挡层、光敏层和背阻挡层，使用激光在各第一激光去除线靠近A(0)一侧刻划，去除相应位置的光敏层和背阻挡层并使相应位置的顶阻挡层产生裂痕，形成第二激光去除线，产生串联沟道；
在背阻挡层表面制备背电极，使用激光在各第二激光去除线靠近A(0)一侧刻划，去除相应位置的光敏层、背阻挡层和背电极，形成第三激光去除线，产生阵列排布的背电极有效区B(1)～B(N+1)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)通过串联沟道依次连通。
所述制备方法其特征在于：所述激光为脉冲或连续激光器，激光波长介于200～1200nm之间，激光功率介于20mW～20W之间，脉冲激光频率介于5～50kHz之间，激光光斑尺寸介于1～100μm之间，切割速率介于10～1000mm/s之间。
本发明的有益效果为：
本发明所述的组件的串联沟道通过激光方法制备，所述沟道具有电阻低、宽度窄的特点，使得所述组件具有较低的欧姆损耗和较小的死区面积等优势。
附图说明：
图1为所述钙钛矿太阳电池组件结构示意图。
图2为所述钙钛矿太阳电池组件剖面结构示意图，其中1为衬底、2为顶电极、3为顶阻挡层、4为光敏层、5为背阻挡层、6为背电极、7为保护层。
图3为所述钙钛矿太阳电池组件顶电极有效区示意图。
图4为所述钙钛矿太阳电池组件背电极有效区示意图。
图5为所述钙钛矿太阳电池组件光电有效区示意图。
图6为所述钙钛矿太阳电池组件死区示意图。
图7为具有不同子电池数量的组件的电压-电流曲线。
图8为具有不同子电池数量的组件的光电转化效率。
具体实施方式
实施例1：
洗净FTO玻璃并将其切割成5×5cm大小。使用激光部分去除FTO顶电极形成第一激光去除线阵列，FTO形成具有阵列结构的顶电极有效区A(0)～A(6)。激光波长355nm，激光功率100mW，频率30kHz，光斑尺寸50μm，切割速率100mm/s。
在FTO顶电极表面依次使用磁控溅射制备TiO2顶阻挡层；使用真空蒸镀和直接接触反应法制备钙钛矿光敏层(蒸镀PbCl2厚度为500nm，随后采用直接接触法制备钙钛矿薄膜，将已经蒸镀好PbCl2的样品将PbCl2朝下扣在铺好MAI粉的反应器上面，控制反应时间和温度直至得到均匀的钙钛矿薄膜。反应完毕后，将样品在异丙醇中浸润清洗)；使用旋涂方法制备Spiro-OMeTAD背阻挡层(厚度400nm)。使用激光在第一激光去除线靠近A(0)的一侧依次刻划第二激光去除线，激光去除光敏层、背阻挡层并使对应位置的顶阻挡层产生裂痕，形成串联沟道阵列。
使用蒸镀方法在背阻挡层表面沉积Au背电极，厚度200nm。使用激光在各第二激光去除线靠近A(0)一侧依次刻划第三激光去除线，去除对应位置的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层和背电极，产生阵列排布的背电极有效区B(1)～B(7)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)通过串联沟道依次连通(x为0～6间的整数)。激光波长532nm，激光功率800mW，频率30kHz，光斑尺寸50μm，切割速率100mm/s。
该方法实现六个子电池串联的大面积钙钛矿太阳电池的组件结构，对此类电池进行电压-电流测试，器件的输出电流是27.08mA，开路电压5.84V,填充因子是59％，最大输出功率达到93.4mW；
结果和结构如图1-8所示，上述阵列为从左至右的平行长方形构成的阵列。
实施例2：
洗净FTO玻璃并将其切割成5×5cm大小。使用激光部分去除FTO顶电极形成第一激光去除线阵列，FTO形成具有阵列结构的顶电极有效区A(0)～A(6)。激光波长355nm，激光功率100mW，频率30kHz，光斑尺寸50μm，切割速率100mm/s。
在FTO顶电极表面依次使用磁控溅射制备TiO2顶阻挡层；使用真空蒸镀和直接接触反应法制备钙钛矿光敏层(蒸镀PbCl2厚度为500nm，随后采用直接接触法制备钙钛矿薄膜，将已经蒸镀好PbCl2的样品将PbCl2朝下扣在铺好MAI粉的反应器上面，控制反应时间和温度直至得到均匀的钙钛矿薄膜。反应完毕后，将样品在异丙醇中浸润清洗)；使用旋涂方法制备Spiro-OMeTAD背阻挡层(厚度400nm)。采用刀刻的方法在各第一激光去除线靠近A(0)的一侧依次刻划串联沟道，去除对应位置的光敏层、背阻挡层和顶阻挡层，并用氮气枪吹扫干净。
使用蒸镀方法在背阻挡层表面沉积Au背电极，厚度200nm。使用激光在各第二激光去除线靠近A(0)一侧依次刻划第三激光去除线，去除对应位置的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层和背电极，产生阵列排布的背电极有效区B(1)～B(7)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)通过串联沟道依次连通(x为0～6间的整数)。激光波长532nm，激光功率800mW，频率20kHz，光斑尺寸40μm，切割速率100mm/s。
该方法实现六个子电池串联的大面积钙钛矿太阳电池的组件结构，对此类电池进行电压-电流测试，器件的输出电流是9.9mA，开路电压5.77V,填充因子是39％，最大输出功率达到22.15mW；
实施例3：
洗净FTO玻璃并将其切割成5×5cm大小。使用激光部分去除FTO顶电极形成第一激光去除线阵列，FTO形成具有阵列结构的顶电极有效区A(0)～A(6)。激光波长355nm，激光功率100mW，频率30kHz，光斑尺寸50μm，切割速率100mm/s。
在第一激光去除线一侧分别粘贴胶带(宽度约1mm)，在FTO顶电极表面依次使用磁控溅射制备TiO2顶阻挡层；使用真空蒸镀和直接接触反应法制备钙钛矿光敏层(蒸镀PbCl2厚度为500nm，随后采用直接接触法制备钙钛矿薄膜，将已经蒸镀好PbCl2的样品将PbCl2朝下扣在铺好MAI粉的反应器上面，控制反应时间和温度直至得到均匀的钙钛矿薄膜。反应完毕后，将样品在异丙醇中浸润清洗)；使用旋涂方法制备Spiro-OMeTAD背阻挡层(厚度400nm)。取下胶带，同时去除对应位置的顶阻挡层、光敏层和背阻挡层形成串联沟道阵列。
使用蒸镀方法在背阻挡层表面沉积Au背电极，厚度200nm。使用激光在各第二激光去除线靠近A(0)一侧依次刻划第三激光去除线，去除对应位置的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层和背电极，产生阵列排布的背电极有效区B(1)～B(7)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)通过串联沟道依次连通(x为0～6间的整数)。激光波长532nm，激光功率800mW，频率20kHz，光斑尺寸40μm，切割速率100mm/s。
该方法实现六个子电池串联的大面积钙钛矿太阳电池的组件结构，对此类电池进行电压-电流测试，器件的输出电流是0.97mA，开路电压5.42V,填充因子是45％，最大输出功率达到2.37mW。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：包含依次层叠的衬底、顶电极、顶阻挡层、光敏层、背阻挡层、背电极；所述顶电极具有N+1个相互间隔互不连接的呈阵列结构排列的顶电极有效区A(0)～A(N)，所述背电极具有N+1个相互间隔互不连接的呈阵列结构排列的背电极有效区B(1)～B(N+1)；
顶电极有效区A(0)与背电极有效区B(1)相对应设置，它们之间依次层叠设有顶阻挡层、光敏层、背阻挡层，构成第一单元；顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)相对应设置，它们之间的依次层叠设有顶阻挡层、光敏层、背阻挡层，构成第x单元；不同单元的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层均分别相互间隔互不连接；
顶电极有效区阵列和背电极有效区阵列分别于衬底上投影，相对应的顶电极有效区A(1)～A(N)和背电极有效区B(1)～B(N)的重叠投影区域对应的分别为光电有效区C(1)～C(N)，两者不重叠投影区域对应的分别为死区D(0)～D(N+1)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)彼此连通；N为大于等于2的正整数，x为0至N之间的整数。
2.按照权利要求1所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述组件相对应的死区D(x)面积与光电有效区C(x)面积之比不大于1％；
不同单元的顶阻挡层、光敏层、背阻挡层分别于衬底上投影，形成三者的重叠投影区域，光电有效区位于三者的重叠投影区域内。
3.按照权利要求1所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：衬底采用透明材质，厚度介于1μm～10mm之间，材质为石英、玻璃、有机玻璃、乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)中的一种或多种的组合。
4.按照权利要求1所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述顶电极具有阵列结构的顶电极有效区单元，不同单元之间顶电极有效区相互不连通；所述顶电极为导电薄膜材料，位于衬底和顶阻挡层之间，厚度在50nm～5μm之间，材质可以为掺杂氧化锡、掺杂的氧化锌、掺杂氧化铟、掺杂氧化钨等半导体薄膜材料或钙、钛、钨、铬、金、银、铝、铜、钛、镉、铟、镓等金属薄膜材料中的一种或多种组合；
所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：具有阵列结构的单元，不同单元之间顶阻挡层相互不连通；所述顶阻挡层位于顶电极和光敏层之间，厚度介于5nm～50μm之间，由一层或多层带隙在0.5～4.5eV之间的半导体薄膜组成，暗态电导率介于10-10～105S/cm之间；所述顶阻挡层材质优选但不限于硅薄膜(如a-Si、a-SiGe、a-SiC、nc-Si、nc-SiOx等)、硫化镉、铜铟镓硒系列材料(CIGS、CZTS等)、金属氧化物(NiOx、TiOx、Al2O3、ZnO等)、有机材料(如PDPP3T、PTB7、PCBM、Spiro-OMeTAD、PEDOT等)中的一种或多种组合。
5.按照权利要求1所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述光敏层具有阵列结构的单元，不同单元之间顶阻挡层相互不连通。所述光敏层为半导体薄膜材料，位于顶阻挡层和背阻挡层之间，厚度在5nm～50μm之间，材质为有机-无机杂化钙钛矿材料，优选但不限于MAPbI3、FAPbI3、MASnI3、MAPbBr3、MAPbCl3等。
6.按照权利要求1所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述背阻挡层具有阵列结构的单元，不同单元之间背阻挡层相互不连通。所述背阻挡层位于光敏层和背电极之间，厚度介于5nm～50μm之间，由一层或多层带隙在0.5～4.5eV之间的半导体薄膜组成，暗态电导率介于10-10～105S/cm之间；所述顶阻挡层材质优选但不限于硅薄膜(如a-Si、a-SiGe、a-SiC、nc-Si、nc-SiOx等)、硫化镉、铜铟镓硒系列材料(CIGS、CZTS等)、金属氧化物(NiOx、TiOx、Al2O3、ZnO等)、有机材料(如PDPP3T、PTB7、PCBM、Spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS等)中的一种或多种组合。
7.按照权利要求1所述钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述背电极为具有阵列结构的单元，不同单元之间背电极相互不连通；所述背电极为导电薄膜材料，厚度在50nm～5μm之间，材质可以为掺杂氧化锡、掺杂的氧化锌、掺杂氧化铟、掺杂氧化钨等半导体薄膜材料或钙、钛、钨、铬、金、银、铝、铜、钛、镉、铟、镓等金属薄膜材料中的一种或多种的组合。
8.按照权利要求1所述保护层特征在于：于背电极远离顶电极的一侧表面设有保护层，背电极位于背阻挡层和保护层之间，所述保护层位于背电极表面，其于衬底上投影覆盖光电有效区全部区域，覆盖顶电极有效区和背电极有效区部分区域或全部区域；其材质可以为下列有机物聚乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯/四氟乙烯共聚物(ETFE)有机物中的一种或多种的组合，或为玻璃、不锈钢、铝、铜中的一种或多种和上述有机物中一种或多种的组合。
9.一种权利要求1～8所述钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于：
a)使用激光部分去除顶电极形成第一激光去除线，使顶电极形成阵列排布的顶电极有效区A(0)～A(N)；
b)在顶电极表面依次制备顶阻挡层、光敏层和背阻挡层，使用激光在各第一激光去除线靠近A(0)一侧刻划，去除相应位置的光敏层和背阻挡层并使相应位置的顶阻挡层产生裂痕，形成第二激光去除线，产生串联沟道；
c)在背阻挡层表面制备背电极，使用激光在各第二激光去除线靠近A(0)一侧刻划，去除相应位置的光敏层、背阻挡层和背电极，形成第三激光去除线，产生阵列排布的背电极有效区B(1)～B(N+1)，顶电极有效区A(x)和背电极有效区B(x+1)通过串联沟道依次连通。
10.按照权利要求9所述制备方法，其特征在于：所述激光为脉冲或连续激光器，激光波长介于200～1200nm之间，激光功率介于20mW～20W之间，脉冲激光频率介于5～50kHz之间，激光光斑尺寸介于1～100μm之间，切割速率介于10～1000mm/s之间。
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