CN110660919B - 钙钛矿太阳能电池的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池的封装方法，包括如下步骤：(1)将玻璃粉浆料涂覆在玻璃板的表面上，形成玻璃粉框体；(2)将玻璃板上的玻璃粉框体加热至熔融，降温，得到预烧结玻璃粉框体；(3)将钙钛矿太阳能电池板与所述玻璃板层叠放置；其中，钙钛矿太阳能电池板包括基板和位于基板的第一表面上的电池膜层，且基板的第一表面的周缘不设有电池膜层；玻璃板上的预烧结玻璃粉框体与基板的第一表面的周缘接触；(4)采用激光焊接方式将预烧结玻璃粉框体熔融，钙钛矿太阳能电池板与玻璃板被粘结在一起，从而实现封装。本发明的方法工艺简单，成本低廉，且提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。

Description

钙钛矿太阳能电池的封装方法
技术领域
本发明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提出，但是这些高效太阳能电池的制备工艺比较复杂，量产过程中品质不易控制，且对设备要求高，因此难以实现量产。除了硅太阳能电池以外，其它类型的太阳能电池例如化合物薄膜电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池等，其电池转换效率多年来未有显著突破。近年来，钙钛矿太阳能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％，且仍在不断刷新。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，这为大规模、低成本制造钙钛矿太阳能电池提供了可能。
尽管钙钛矿太阳能电池的转换效率不断提升，但相较于传统晶体硅或薄膜太阳能电池，其更易受环境因素影响。在高湿度环境中，水分渗透到没有封装的钙钛矿太阳电池中，会使得钙钛矿功能材料发生分解，从而导致太阳电池性能迅速衰减。因此，钙钛矿太阳能电池长期的稳定工作，需要相适应的组件封装技术。
现有的组件封装技术大多是采用高分子材料进行封装，防水性难以满足钙钛矿太阳能电池的要求；封装过程中常常需要高温作业，影响钙钛矿太阳能电池的性能；此外，现有的封装材料通常使用会释放有机溶剂，其容易与钙钛矿太阳能电池材料反应，影响电池性能。这对组件封装技术提出了更高的技术要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池板的封装方法，该方法无需高温加工电池工作区域，且无需有机溶剂。进一步地，该方法工艺简单，成本低廉，且提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
本发明提供一种钙钛矿太阳能电池的封装方法，包括如下步骤：
(1)将玻璃粉浆料涂覆在玻璃板的表面上，形成玻璃粉框体；
(2)将所述玻璃板上的玻璃粉框体加热至熔融，降温，得到预烧结玻璃粉框体；
(3)将钙钛矿太阳能电池板与所述玻璃板层叠放置；其中，所述钙钛矿太阳能电池板包括基板和位于所述基板的第一表面上的电池膜层，且所述基板的第一表面的周缘不设有电池膜层；所述玻璃板上的预烧结玻璃粉框体与所述基板的第一表面的周缘接触；
(4)采用激光焊接方式将所述预烧结玻璃粉框体熔融，钙钛矿太阳能电池板与玻璃板被粘结在一起，从而使所述电池膜层封装在所述基板和所述玻璃板之间。
根据本发明的封装方法，优选地，步骤(1)中，所述玻璃粉浆料为将玻璃粉组合物均匀分散在溶剂中形成的浆料，且所述玻璃粉组合物的熔点为400～500℃。优选地，所述玻璃粉组合物的熔点为400～450℃。将玻璃粉混合物的熔点控制在上述范围，更易于分散在有机溶剂中。
在本发明中，所述玻璃粉组合物包括PbO粉末、B2O3粉末、SiO2粉末和TiO2粉末，或所述玻璃粉组合物仅由上述组分组成。根据本发明的封装方法，优选地，所述玻璃粉混合物包括如下组分：PbO粉末30～60wt％，B2O3粉末10～30wt％，SiO2粉末5～20wt％和TiO2粉末1～10wt％。PbO粉末的用量优选为50～55wt％。B2O3粉末的用量优选为20～25wt％。SiO2粉末的用量优选为10～15wt％。TiO2粉末的用量优选为5～8wt％。根据本发明的一个实施方式，所述玻璃粉混合物包括仅由如下组分组成：PbO粉末30～60wt％，B2O3粉末10～30wt％，SiO2粉末5～20wt％和TiO2粉末1～10wt％；且所述玻璃粉组合物的粒径为20～100μm。
本发明的玻璃粉组合物的粒径可以低于100μm，优选低于75μm。根据本发明一个优选的实施方式，所述玻璃粉组合物的粒径为20～100μm，更优选为40～75μm。采用所述粒径的玻璃粉组合物，有利于在有机溶剂中快速分散均匀，不易结团。
本发明的溶剂优选为有机溶剂。根据本发明的一个实施方式，所述溶剂为松油醇。根据本发明的另一个实施方式，所述溶剂包括如下组分：松油醇、二乙二醇丁醚乙酸酯、邻苯二甲酸二乙酯、乙酸丁酯和硝化棉。根据本发明的再一个实施方式，所述溶剂由如下组分组成：松油醇、二乙二醇丁醚乙酸酯、邻苯二甲酸二乙酯、乙酸丁酯和硝化棉。
根据本发明的封装方法，优选地，所述溶剂包括如下组分：松油醇40～70wt％，二乙二醇丁醚乙酸酯20～40wt％，邻苯二甲酸二乙酯1～10wt％，乙酸丁酯10～20wt％和硝化棉1～4wt％。松油醇的用量优选为50～60wt％。二乙二醇丁醚乙酸酯的用量优选为25～30wt％。邻苯二甲酸二乙酯的用量优选为5～8wt％。乙酸丁酯的用量优选为10～15wt％。硝化棉的用量优选为2～3wt％。根据本发明的封装方法，优选地，所述溶剂仅由如下组分组成：松油醇40～70wt％，二乙二醇丁醚乙酸酯20～40wt％，邻苯二甲酸二乙酯1～10wt％，乙酸丁酯10～20wt％和硝化棉1～4wt％。
采用上述组成的溶剂能够使玻璃粉组合物分散更均匀，更有利于后续的涂覆操作，特别适合采用丝网印刷的涂覆操作。
根据本发明的封装方法，优选地，玻璃粉浆料中玻璃粉组合物的质量分数为5～15wt％。更优选地，质量分数为7～12wt％。采用这样的玻璃粉浆料，有利于均匀涂覆在玻璃板表面以及后续操作。本发明的涂覆可以采用多种涂覆方法，优选为丝网印刷法进行涂覆。
步骤(2)中，将所述玻璃板上的玻璃粉框体加热至熔融，可以将玻璃板全部加热，也可以仅将玻璃板上涂覆有玻璃粉框体的部分加热，从而使玻璃粉框体熔融。优选地，仅将玻璃板上涂覆有玻璃粉框体的部分加热。本发明中，加热温度高于玻璃粉组合物的熔点，优选为400～500℃。
步骤(2)中，将所述玻璃板上的玻璃粉框体加热至熔融后降温，优选地，降温至使玻璃粉框凝结；更优选降温至室温，从而简化操作。
步骤(3)中，钙钛矿太阳能电池板的基板的形状和大小可以与玻璃板相同或不同，优选为相同。所述钙钛矿太阳能电池板的电池膜层位于基板的第一表面上，但基板第一表面的周缘处并不设有电池膜层。当钙钛矿太阳能电池板与玻璃板层叠放置时，基板第一表面的周缘与玻璃板上的预烧结玻璃粉框接触，从而电池膜层全部位于玻璃板上的预烧结玻璃粉框体的内部，从而实现电池膜层的完全封装。
本发明中，当钙钛矿太阳能电池板与玻璃板层叠放置时，电池膜层的外边缘与预烧结玻璃粉框之间间隔一定距离。根据本发明的封装方法，优选地，电池膜层的外边缘与预烧结玻璃粉框之间间隔5～10mm。电池膜层的外边缘与预烧结玻璃粉框之间间隔更优选6～9mm。这样可以避免预烧结玻璃粉框在后续熔融操作时的高温破坏电池膜层。
本发明中，当钙钛矿太阳能电池板与玻璃板层叠放置时，钙钛矿太阳能电池板与玻璃板的上下相对位置不限，即钙钛矿太阳能电池板位于上方，玻璃板位于下方，或者相反均是可以的。
步骤(4)中，采用激光焊接方式将所述预烧结玻璃粉框体熔融，在位于上方的玻璃板或钙钛矿太阳能电池板的重力作用下，随着温度的降低，预烧结玻璃粉框体逐渐凝固，将玻璃板或钙钛矿太阳能电池板紧密粘接在一起，从而将电池膜层封装在基板与玻璃板之间。
本发明中，可以采用激光器针对预烧结玻璃粉框体进行激光焊接。优选地，所述激光器为1068纳米红外激光器，功率为10～500W，加工速率为1～30cm2/min。更优选地，所述激光器的功率为100～300W，加工速率为5～10cm2/min。本发明中，所述的1068纳米红外激光器是指能够发射波长为1068纳米红外激光的激光器。采用本发明的焊接方式，能够将玻璃板与钙钛矿太阳能电池板进行有效、连续封闭，避免间断出现孔洞而影响封闭效果。
本发明的钙钛矿太阳电池的封装方法能够将电池膜层有效封闭起来，使之与外界空气环境隔绝，从而外部环境中的空气、水分等无法进入基板与玻璃板之间而影响到电池膜层，从而避免电池的功能材料发生分解而影响电池性能，使电池能够长期稳定应用，提高了电池的使用寿命和稳定性。根据本发明优选的技术方案，本发明的封装方法所用有机溶剂提前挥发掉，不会与电池膜层接触，从而避免了有机溶剂对电池膜层材料的损害。此外，本发明的封装方法还避免了电池膜层的高温接触，避免了高温对电池膜层材料的损害，从而保证了电池的高性能。本发明的钙钛矿太阳能电池板的封装方法工艺简单，成本低廉，适宜工业应用，应用前景广阔。
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。
以下实施例和对比例中，光电转化效率测试方法为：利用吉时利公司的Keithley2400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)。
实施例1
将玻璃粉混合物(由PbO粉末55wt％，B2O3粉末25wt％，SiO2粉末15wt％和TiO2粉末5wt％组成，粒径40～75μm)分散在溶剂(由松油醇50wt％，二乙二醇丁醚乙酸酯30wt％，邻苯二甲酸二乙酯8wt％，乙酸丁酯10wt％，硝化棉2wt％组成)中，形成玻璃粉浆料，该玻璃粉浆料中玻璃粉混合物的质量比为10wt％。将该玻璃粉浆料以丝网印刷方式涂覆在玻璃板上，形成玻璃粉框体。将该玻璃板上有玻璃粉框体的部分加热至450℃，玻璃粉浆料熔融至液态，然后降温至室温，熔融的玻璃粉浆料凝固粘接在玻璃板上，形成预烧结玻璃粉框。
取钙钛矿太阳能电池板，其包括基板和位于基板第一表面上的电池膜层，该电池膜层位于基板第一表面的中间区域，基板的周缘不设有电池膜层。将所述玻璃板与所述钙钛矿太阳能电池板叠加放置(玻璃板在上)，且玻璃板上具有预烧结玻璃粉框的以免与钙钛矿太阳能电池板的第一表面接触，预烧结玻璃粉框将电池膜层框在内部，且电池膜层的外边缘与预烧结玻璃粉框之间间隔8mm，然后采用激光器对预烧结玻璃粉框进行激光焊接，激光器的功率为200W，加工速率为10cm2/min，加热温度为450℃，预烧结低温玻璃粉框熔融至液态，在玻璃板自身重力的作用下，随着温度的降低，预烧结玻璃粉框体逐渐凝固，玻璃板与钙钛矿太阳能电池板粘接在一起，从而电池膜层被封装在基板与玻璃板之间，得到封装的钙钛矿太阳能电池。
比较例1
将实施例1的钙钛矿太阳能电池板与玻璃板采用EVA热熔胶进行封装，得到EVA热熔胶膜封装的钙钛矿太阳能电池。
比较例2
将实施例1的钙钛矿太阳能电池板不进行任何封装，作为本实施例的未封装钙钛矿太阳能电池。
实验例
将实施例1和比较例1的封装的钙钛矿太阳能电池、比较例2的未封装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。将上述三种太阳能电池放在户外进行老化试验，并记录不同时间后光电转化效率的变化情况。结果如表1所示。
表1
Figure BDA0001713489600000071
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 (9)

1.一种钙钛矿太阳能电池的封装方法，其特征在于，所述封装方法包括如下步骤：
(1)将玻璃粉浆料涂覆在玻璃板的表面上，形成玻璃粉框体；其中，所述玻璃粉浆料为将玻璃粉组合物均匀分散在溶剂中形成的浆料，且所述玻璃粉组合物的熔点为400～500℃；所述溶剂包括松油醇40～70wt％，二乙二醇丁醚乙酸酯20～40wt％，邻苯二甲酸二乙酯1～10wt％，乙酸丁酯10～20wt％和硝化棉1～4wt％；所述玻璃粉组合物包括如下组分：PbO粉末30～60wt％，B2O3粉末10～30wt％，SiO2粉末5～20wt％和TiO2粉末1～10wt％；
(2)将所述玻璃板上的玻璃粉框体加热至熔融，降温，得到预烧结玻璃粉框体；
(3)将钙钛矿太阳能电池板与所述玻璃板层叠放置；其中，所述钙钛矿太阳能电池板包括基板和位于所述基板的第一表面上的电池膜层，且所述基板的第一表面的周缘不设有电池膜层；所述玻璃板上的预烧结玻璃粉框体与所述基板的第一表面的周缘接触，所述电池膜层全部位于所述预烧结玻璃粉框体的内部；所述电池膜层的外边缘与所述预烧结玻璃粉框体之间间隔为5～10mm；
(4)采用激光焊接方式将所述预烧结玻璃粉框体熔融，钙钛矿太阳能电池板与玻璃板被粘结在一起，从而使所述电池膜层封装在所述基板和所述玻璃板之间；采用激光器针对预烧结玻璃粉框体进行激光焊接，功率为10～500W，加工速率为1～30cm2/min。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述玻璃粉混合物包括如下组分：PbO粉末50～55wt％，B2O3粉末20～25wt％，SiO2粉末10～15wt％和TiO2粉末5～8wt％。
3.根据权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述玻璃粉组合物的粒径为20～100μm。
4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述玻璃粉混合物仅由如下组分组成：PbO粉末30～60wt％，B2O3粉末10～30wt％，SiO2粉末5～20wt％和TiO2粉末1～10wt％；且所述玻璃粉组合物的粒径为20～100μm。
5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述溶剂包括如下组分：松油醇50～60wt％，二乙二醇丁醚乙酸酯25～30wt％，邻苯二甲酸二乙酯5～8wt％，乙酸丁酯10～15wt％和硝化棉2～3wt％。
6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述溶剂仅由如下组分组成：松油醇40～70wt％，二乙二醇丁醚乙酸酯20～40wt％，邻苯二甲酸二乙酯1～10wt％，乙酸丁酯10～20wt％和硝化棉1～4wt％。
7.根据权利要求5所述的封装方法，其特征在于，所述玻璃粉浆料中玻璃粉组合物的质量分数为5～15wt％。
8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，步骤(3)中，电池膜层的外边缘与预烧结玻璃粉框体之间间隔6～9mm。
9.根据权利要求1～8任一项所述的封装方法，其特征在于，步骤(4)中，所述激光器为1068纳米红外激光器。
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