CN110660918A - 钙钛矿太阳能电池封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池封装方法。本发明的钙钛矿太阳能电池封装方法通过聚氨酯热熔胶粘接背板层，并且在四周加装树脂边框，用有机硅胶密封，从而有效地解决了传统热熔胶与钙钛矿太阳能电池反应的问题，提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。另外，本发明的方法特别适合于基于钙钛矿类吸光材料的介观太阳能电池的封装。

Description

钙钛矿太阳能电池封装方法
技术领域
本发明钙钛矿太阳能电池领域，具体地涉及一种钙钛矿太阳能电池的封装方法。
背景技术
随着全球生态环境和能源短缺问题的日益严峻，太阳能光伏发电受到各国普遍关注。目前，产业化晶体硅的电池转换效率约为19％(单晶)和17～18％(多晶)，进一步提升效率存在技术和成本的制约瓶颈。尽管一些高效硅电池技术不断得以提出，但是这些高效太阳电池制备工艺复杂、量产中品质不易控制、对设备要求高，因此，难以实现量产。除了硅太阳电池以外，其它类型的化合物薄膜电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池等，其电池转换效率多年来未有显著突破。近年来，一种称之为“钙钛矿太阳电池”的新型电池技术引起了科研人员的广泛关注，其电池转换效率在短短的数年时间内从3.8％提升至目前的20.1％，并以月为单位不断刷新。钙钛矿体系是指一类与钙钛矿CaTiO3具有相似晶体结构的有机-无机杂化物体系的总称。钙钛矿具有复杂的电学和光学特性，其核心光电转换材料具有廉价、容易制备的特点，这为其大规模、低成本制造提供了可能。
钙钛矿太阳电池本身易受环境中水汽、氧气、灰尘、腐蚀性化学物质和外力冲击等的影响，导致损坏、性能下降甚至失效，无法长期稳定地在自然环境中工作。为了保证电池能够长期高效并且稳定地工作，必须对电池片进行封装，隔绝水分和氧气。在隔绝空气的条件下，钙钛矿太阳能电池的稳定性大幅度提升。
尽管钙钛矿太阳电池的效率不断提升，但相较传统晶体硅或薄膜太阳电池，其更易受环境因素影响。高湿度环境中，水渗透到没有封装的钙钛矿太阳电池中，使得钙钛矿功能材料发生分解，导致太阳电池性能迅速衰减。因此，钛矿太阳电池长期稳定工作，需要相适应的组件封装技术。传统的组件封装技术，防水性可能无法满足钙钛矿太阳电池的要求；封装过程中常常需要高温作业，会影响钙钛矿太阳电池的性能；酸性热熔胶容易与钙钛矿电池反应。
例如，CN 106159096 A公开了一种双面受光大面积钙钛矿太阳电池的制备方法，太阳电池正面和背面均采用透明电极的钙钛矿太阳电池，由减反射镀膜玻璃、纳米二氧化硅过渡层、氧化锡透明导电薄膜、致密层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、氧化锢透明导电薄膜、热熔密封薄膜和减反射镀膜玻璃叠合组成。热熔密封薄膜为聚醋酸乙烯或聚乙烯醇缩丁醛薄膜。
因此，需要开发新的针对钙钛矿太阳电池的特定封装方法。
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方法，该方法能够避免传统封装方式中引起的与钙钛矿电池反应的问题，提高封装稳定性。优选地，本发明的封装方式特别适合于基于钙钛矿类吸光材料的介观太阳能电池的封装。具体地，本发明包括以下内容：
一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其包括以下步骤：
(1)在钙钛矿太阳能电池片上施加聚氨酯热熔胶，通过加热设备使所述聚氨酯热熔胶在70～100℃下保持10～30分钟，得到流体熔胶；
(2)将背板层与70～100℃范围内的所述流体熔胶接触，且使所述背板层与所述流体熔胶之间无气泡产生；
(3)使所述流体熔胶冷却至室温，从而使所述钙钛矿太阳能电池片通过聚氨酯热熔胶与所述背板层固定粘接；
(4)在所述钙钛矿太阳能电池片的四周加装边框，并用密封胶固定所述边框。
步骤(1)至(4)的编号仅仅是为了说明目的，并不限定步骤(1)至(4)之间的顺序。在不影响本发明目的实现的情况下，上述步骤之间的顺序是可以改变的，甚至某些步骤是可以同时进行的。
根据本发明的方法，优选地，所述聚氨酯热熔胶为100％固体可熔性聚合物，其软化温度为70～100℃之间，且粘接强度大于1.5kgf/cm2。步骤(1)中的加热温度可以为70～100℃，优选75～95℃，更优选80～90℃。保持时间可以为10～30分钟，优选12～25分钟，更优选15～20分钟。上述加热温度和时间对于软化聚氨酯是必要的，同时能够保证钙钛矿太阳能电池片不受高温的影响。
在本发明中，所述聚氨酯热熔胶的软化温度可以为70～100℃之间，优选75～95℃，更优选80～90℃。聚氨酯热熔胶的粘接强度可以大于1.5kgf/cm2，优选大于2.0kgf/cm2，还优选大于2.5kgf/cm2。选择具有上述范围的软化温度和粘接强度的聚氨酯热熔胶对于实现有效封装是重要的。上述温度范围对于钙钛矿太阳能电池片不会产生伤害，同时能够实现有效粘接。
根据本发明的方法，优选地，所述聚氨酯为聚氨基羧酸酯，其中所述羧酸选自C1～C5羧酸，且所述密封胶为有机硅胶。在某些实施方案中，所述羧酸可以选自C1～C5羧酸，优选C1～C4羧酸，更优选C1～C3羧酸。例如，聚氨基甲酸酯、聚氨基乙酸酯。聚氨基羧酸酯可使用本领域已知的任何产品，例如广东恒升龙生产的HSL-U60。
本发明的边框的材料不特别限定，优选树脂制成的边框，这类边框更有利于与有机硅胶的粘合。优选地，用于固定边框的密封胶为有机硅胶。这样可以进一步改善封装性能。有机硅胶的实例包括但不限于天山赛可新1527、施奈仕CD1004。
本发明的钙钛矿太阳能电池可以为基于钙钛矿类吸光材料的介观太阳能电池。根据本发明的方法，优选地，钙钛矿太阳能电池包括吸收层、空穴传输层和空穴收集层，且所述吸收层为填充钙钛矿半导体材料的多孔纳米二氧化钛层，所述空穴传输层为填充钙钛矿半导体材料的多孔纳米氧化锆层和所述空穴收集层为填充钙钛矿半导体材料的多孔碳层。其中碳层为由石墨和/或碳黑制成的多孔膜层。与传统的钙钛矿太阳能电池不同，上述钙钛矿太阳能电池的空穴收集层本身包含钙钛矿半导体材料，此类材料很容易与酸性胶发生反应。因此当将其与酸性熔胶接触时会破坏钙钛矿半导体材料，严重影响其使用寿命。本发明通过选用特定软化温度和粘接强度的聚氨酯热熔胶，可将其与上述钙钛矿太阳能电池片的空穴收集层直接接触，从而避免对钙钛矿太阳能电池的破坏作用。
根据本发明的方法，优选地，所述钙钛矿半导体材料的化学式为ABX3，其中A为烷基胺，B为铅、锡中的至少一种，X为碘、溴、氯中的至少一种。烷基胺可以选自甲胺、乙胺、丙胺等。X优选为碘。钙钛矿半导体材料的实例包括但不限于碘铅甲胺、碘/溴铅甲胺。
根据本发明的方法，优选地，所述加热设备为热台或层压机。采用热台或层压机能够有效地使聚氨酯热熔胶保持在70～100℃范围内。
根据本发明的方法，优选地，所述聚氨酯热熔胶在低于70℃时为聚氨酯热熔胶薄膜，所述方法包括将所述钙钛矿太阳能电池片、所述聚氨酯热熔胶薄膜和所述背板层依次放置于所述加热设备的工作区域，然后进行加热。由于低温时(例如，低于70℃时)聚氨酯热熔胶为固体，可将聚氨酯热熔胶制成薄膜形式。在这种情况下，本发明的方法包括将钙钛矿太阳能电池片、聚氨酯热熔胶薄膜和背板层依次放置于加热设备的工作区域，然后进行加热。即，本发明的方法中，步骤(1)和(2)可同时进行。
根据本发明的方法，优选地，所述加热设备以5～10℃/分钟的升温速度升至70～100℃。更优选地，控制加热设备以6～8的℃/分钟升温速度升至70～100℃，从而保证使聚氨酯热熔胶受热均匀。
根据本发明的方法，优选地，所述背板层选自玻璃、陶瓷或有机柔性材料，且其厚度为0.5mm～5mm。有机柔性材料的实例包括但不限于TPT、TPE、FPF、FFC、PET、EVA或THV。TPT(Tedlar/PET/Tedlar)背板膜为在PET基膜两面复合Tedlar氟膜(聚氟乙烯PVF)。TPE(Tedlar/PET/EVA)背板膜为在PET基膜一面复合Tedlar氟膜，另一面复合EVA胶膜或聚烯烃薄膜。FPF(FFC/PET/FFC)背板膜为在PET两面复合FFC氟膜(聚偏二氟乙烯PVDF)。FFC背板膜为在高等级可印刷的PET薄膜表面均匀涂布一层复合饱和聚酯树脂。PET背板膜为聚酯薄膜。EVA背板膜为聚(乙烯-醋酸乙烯酯)形成的薄膜。THV背板膜为四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)与偏氟乙烯(VDF)的共聚物形成的薄膜。在本发明中，背板层优选为玻璃。背板层的厚度不特别限定，优选为0.5mm～5mm，更优选。0.8mm～4mm，更优选1mm～3mm。
根据本发明的方法，优选地，步骤(4)中，在密封胶固定边框后进行固化处理，其固化处理时间为24～60小时。固化处理时间优选为30～50小时，更优选为35～48小时。
本发明的钙钛矿太阳能电池封装方法通过聚氨酯热熔胶粘接背板层，并且在四周加装树脂边框，用有机硅胶密封，从而有效解决了传统热熔胶与钙钛矿太阳能电池反应的问题，提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。另外，本发明的方法特别适合于基于钙钛矿类吸光材料的介观太阳能电池的封装。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
聚氨酯热熔胶薄膜：广东恒升龙生产的HSL-U60。
有机硅胶：天山赛可新1527。
光电转化效率测试方法：利用吉时利公司的Keithley 2400数字源表和美国理波公司(Newport Corporation)的太阳光模拟器测得，太阳光模拟器包含一个1000W的氙弧灯，并以标准硅电池校正光强为1个标准太阳光(AM1.5，100mW·cm-2)。
粘结强度的测试方法：选用0.05mm厚胶膜，使用玻璃材料，层压机，0.2MPa，80℃，5min的条件测试。
实施例1
将钙钛矿太阳能电池片、聚氨酯热熔胶薄膜、玻璃依次逐层放置于热台工作区域，以8℃/min的速率升温至70℃，温度均匀性为±1℃，以保证聚氨酯热熔胶薄膜的温度为70℃，保持30分钟。这样保证了玻璃与聚氨酯热熔胶薄膜形成的流体熔胶之间无气泡产生。自然冷却至室温。然后，在电池片四周侧边涂覆有机硅胶，加装树脂边框并固定，在室温下，固化48小时，即完成钙钛矿太阳能电池的封装。
上述钙钛矿太阳能电池片包括吸收层、空穴传输层和空穴收集层，且吸收层为填充碘铅甲胺(具有钙钛矿结构的CH3NH3PbI3)的多孔纳米二氧化钛层，空穴传输层为填充碘铅甲胺的多孔纳米氧化锆层和空穴收集层为填充碘铅甲胺的多孔碳层。聚氨酯热熔胶薄膜为HSL-U60薄膜，其为100％的固体可熔性的聚合物，软化温度为70℃。粘接强度3.2kgf/cm2。其中背板层为普通玻璃，其厚度为1mm。
实施例2
将钙钛矿太阳能电池片、聚氨酯热熔胶薄膜、玻璃依次逐层放置于热台工作区域，以10℃/min的速率升温至80℃，温度均匀性为±1℃，以保证聚氨酯热熔胶薄膜的温度为80℃，保持10分钟。这样保证了玻璃与聚氨酯热熔胶薄膜形成的流体熔胶之间无气泡产生。自然冷却至室温。然后，在电池片四周侧边涂覆有机硅胶，加装树脂边框并固定，在室温下，固化24小时，即完成钙钛矿太阳能电池的封装。
上述钙钛矿太阳能电池片包括吸收层、空穴传输层和空穴收集层，且吸收层为填充碘铅甲胺的多孔纳米二氧化钛层，空穴传输层为填充碘铅甲胺的多孔纳米氧化锆层和空穴收集层为填充碘/溴铅甲胺的多孔碳层。聚氨酯热熔胶薄膜为HSL-U60薄膜，其为100％的固体可熔性的聚合物，软化温度为70℃。粘接强度3.2kgf/cm2。背板层为普通玻璃，其厚度为1.5mm。
实施例3
将实施例1中的钙钛矿太阳能电池片放在热台上加热30分钟，温度分别为50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃。在加热前后分别测试各块电池的光电转化效率，得到加热后光电转化效率与加热前的光电转化效率的比值如下表所示。
表1、不同温度加热前后光电转化率的比较
由表1可以看出，在70～100℃的温度下加热30分钟前后的光电转化效率变化不大，而当温度高于100℃时，加热后的光电转化效率下降明显。
比较例1
除了使用EVA热熔胶膜替换实施例1中的聚氨酯热熔胶薄膜以外，以与实施例1相同的方法封装的电池。
比较例2
将未进行任何热熔胶封装的实施例1的钙钛矿太阳能电池作为比较例2。
实验例
将实施例1和比较例1的封装好的钙钛矿太阳能电池、比较例2的未封装的钙钛矿太阳能电池放在热台上65℃加热，并观察电池由黑色开始变为黄色的时间，由此判断钙钛矿是否发生分解。结果如表2所示。
将上述三种太阳能电池放在户外进行老化试验，并记录不同时间后电转化效率的变化情况。结果如表2所示。
表2、不同电池的效果数据
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在钙钛矿太阳能电池片上施加聚氨酯热熔胶，通过加热设备使所述聚氨酯热熔胶在70～100℃下保持10～30分钟，得到流体熔胶；
(2)将背板层与70～100℃范围内的所述流体熔胶接触，且使所述背板层与所述流体熔胶之间无气泡产生；
(3)将所述流体熔胶冷却至室温，从而使所述钙钛矿太阳能电池片通过聚氨酯热熔胶与所述背板层固定粘接；
(4)在所述钙钛矿太阳能电池片的四周加装边框，并用密封胶固定所述边框。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述聚氨酯热熔胶为100％固体可熔性聚合物，其软化温度为70～100℃之间，且粘接强度大于1.5kgf/cm2。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述聚氨酯为聚氨基羧酸酯，其中所述羧酸选自C1～C5羧酸，且所述密封胶为有机硅胶。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池片包括吸收层、空穴传输层和空穴收集层，且所述吸收层为填充钙钛矿半导体材料的多孔纳米二氧化钛层，所述空穴传输层为填充钙钛矿半导体材料的多孔纳米氧化锆层，且所述空穴收集层为填充钙钛矿半导体材料的多孔碳层；其中在所述空穴收集层上施加所述聚氨酯热熔胶。
5.根据权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述钙钛矿半导体材料的化学式为ABX3，其中A为烷基胺，B为铅、锡中的至少一种，X为碘、溴、氯中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述加热设备为热台或层压机。
7.根据权利要求5所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述聚氨酯热熔胶在低于70℃时为聚氨酯热熔胶薄膜，所述方法包括将所述钙钛矿太阳能电池片、所述聚氨酯热熔胶薄膜和所述背板层依次放置于所述加热设备的工作区域，然后进行加热。
8.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述加热设备以5～10℃/分钟的升温速度升至70～100℃。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述背板层选自玻璃、陶瓷或有机柔性材料，且其厚度为0.5mm～5mm。
10.根据权利要求1～9任一项所述的钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，步骤(4)中，在密封胶固定所述边框后进行固化处理，其固化处理时间为24～60小时。
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