CN111029427A - 含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，在晶硅组件的表面或晶硅组件的顶部封装玻璃上沉积一层具有光下转换功能的钙钛矿量子点材料，将不能被晶硅组件所吸收的吸收可见光（550nm~560nm）下转换为能被晶硅组件吸收的红外光，进而增加晶硅组件对红外光的吸收，提升晶硅组件的能量转化效率10%左右。本发明还公开该种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，制备工艺简单，适合量产。
Description
技术领域
本发明属于晶硅太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件及其制备方法。
背景技术
目前在市场中，晶硅太阳能电池组件仍占有至少85%的比例，但对晶硅组件效率的进一步提升较难。近年来发展的将钙钛矿电池与晶硅电池做成叠层电池，制备工艺复杂，对底部的晶硅电池有一定的效率损失，顶部的钙钛矿电池为了使入射光能透过钙钛矿太阳能电池进入底部的硅电池，被硅电池所吸收，所以要求顶部的钙钛矿太阳能电池必须是透明或半透明的，造成顶部的钙钛矿太阳能电池与底部的硅太阳能电池的效率都会损失。
当入射光照射太阳能电池中，通过电池的光子，在能量比吸光材料的带隙大时，可以被吸收，但比材料的带隙大很多时，不能被吸收，造成不可避免的能量损失。这些能量损失可以被光致发光的荧光材料所利用，具有上转换功能的材料可以吸收能量较低的光子，或者吸收高能量的光子进行下转换。钙钛矿量子点可以吸收位于紫外波段高能量的光子，重新发射一个或两个低能量的在可见光到红外区的光子，进而被晶硅组件吸收，提高其能量转化效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件及其制备方法，通过简单的方法晶硅电池的表面涂覆含有量子剪裁涂层，提升晶硅电池的能量转化效率，不需要额外制备钙钛矿太阳电池与晶硅电池形成叠层结构，制备工艺简单，适合量产。
本发明是这样实现的，提供一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，包括依次上下设置的上封装玻璃、上封装胶膜、晶硅组件、下封装胶膜和下封装玻璃，所述上封装胶膜位于晶硅组件的光入射面侧，在所述上封装玻璃与上封装胶膜之间设置量子剪裁涂层，所述量子剪裁图层含有钙钛矿量子点材料，所述钙钛矿量子点材料将照射在晶硅组件表面的可见光转化成被设置在其下部的晶硅组件能吸收的红外光。
本发明是这样实现的，还提供一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，包括依次上下设置的上封装玻璃、上封装胶膜、晶硅组件、下封装胶膜和下封装玻璃，所述上封装胶膜位于晶硅组件的光入射面侧，在所述上封装胶膜与晶硅组件之间设置量子剪裁涂层，所述量子剪裁图层含有钙钛矿量子点材料，所述钙钛矿量子点材料将照射在晶硅组件表面的可见光转化成被设置在其下部的晶硅组件能吸收的红外光。
本发明利用钙钛矿量子点材料带隙可调控、下转换的特点，可将晶硅组件不能吸收的可见光转换为红外光，使晶硅组件能够更充分的利用太阳光谱，提升晶硅组件光能转换效率10%。
本发明是这样实现的，还提供一种如前所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将制备好的钙钛矿量子点材料溶于甲苯中，得到含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液；
步骤二、在上封装玻璃一侧表面上采用旋涂法、刮涂法、3D打印法、蒸镀法中任意一种加工方式沉积一层步骤一制备的含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液，干燥后成为量子剪裁涂层，得到含量子剪裁涂层的上封装玻璃；
步骤三、取一片已制备好的晶硅组件，在其上下表面分别放置上封装胶膜和下封装胶膜，再在上封装胶膜的上面放置步骤二制备的含量子剪裁涂层的上封装玻璃，量子剪裁涂层朝下放置，在下封装胶膜的下方放置下封装玻璃；
步骤四、将步骤三组装好的部件放入层压机中进行层压加工，得到含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件。
本发明是这样实现的，还提供一种如前所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、将制备好的钙钛矿量子点材料溶于甲苯中，得到含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液；
步骤B、取一片已制备好的晶硅组件，在晶硅组件的光入射面上采用旋涂法、刮涂法、蒸镀法、3D打印法、喷涂法中任意一种加工方式沉积一层步骤A制备的含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液，干燥后成为量子剪裁涂层；
步骤C、在步骤B制备的含量子剪裁涂层的晶硅组件的上下表面分别放置上封装胶膜和下封装胶膜，再在上封装胶膜的上面放置上封装玻璃，在下封装胶膜的下方放置下封装玻璃；
步骤D、将步骤C组装好的部件放入层压机中进行层压加工，得到含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件。
与现有技术相比，本发明的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件及其制备方法具有以下特点：
1）.可以用钙钛矿量子点材料吸收550nm~560nm的可见光下转换为红外光，使晶硅组件的光吸收能力增强，能量转化效率提高10%左右。
2）.晶硅电池表面不平，成金字塔状，钙钛矿量子点材料发荧光，发光路径不固定，但可以被晶硅组件完美吸收，减少晶硅电池表面和空气界面产生的菲涅尔反射(FresnelReflection)。
3）.钙钛矿量子点材料的颜色丰富，可以轻易地改变晶硅组件固有的颜色。
4）.钙钛矿量子点材料不仅可以旋涂在晶硅组件表面，也可以先在任意基底上制备。
5）.制备工艺简单，成本低，适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的第一种实施例的内部结构示意图；
图2为本发明的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的第二种实施例的内部结构示意图；
图3为本发明实施例4制备的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件与普通晶硅组件的电流-电压曲线对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参照图1所示，本发明含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的第一种较佳实施例，包括依次上下设置的上封装玻璃1、上封装胶膜2、晶硅组件3、下封装胶膜4和下封装玻璃5。所述上封装胶膜2位于晶硅组件3的光入射面侧。在所述上封装玻璃1与上封装胶膜2之间设置量子剪裁涂层6。所述量子剪裁图层6含有钙钛矿量子点材料。所述钙钛矿量子点材料将照射在晶硅组件表面的可见光转化成被设置在其下部的晶硅组件能吸收的红外光。
实施例2
请参照图2所示，本发明含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的第二种较佳实施例，包括依次上下设置的上封装玻璃1、上封装胶膜2、晶硅组件3、下封装胶膜4和下封装玻璃5。所述上封装胶膜2位于晶硅组件3的光入射面侧。在所述上封装胶膜2与晶硅组件3之间设置量子剪裁涂层6。所述量子剪裁图层6含有钙钛矿量子点材料。所述钙钛矿量子点材料将照射在晶硅组件表面的可见光转化成被设置在其下部的晶硅组件能吸收的红外光。
在前述实施例1和实施例2中，在所述钙钛矿量子点材料中含有铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿量子点聚合物、或铯铅溴碘（CsPbBrx/Iy）钙钛矿量子点聚合物、或掺入锰的铯铅氯（CsPbCl3：Mn或CsPbxMn1-xCl3）的钙钛矿量子点聚合物、或掺入镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中任意一种稀土元素的钙钛矿量子点聚合物，或掺入铋的钙钛矿量子点聚合物，式中x、y为原子数，分别为1~3之间中任意一个数字。
所述掺有稀土元素、或锰、或铋的钙钛矿量子点聚合物采用如下方法制备：
将稀土元素、或锰、或铋的卤化物（AB2/AB3）和卤化铅（PbB2）（A为稀土元素、或锰、或铋中任意一种，B为Br、Cl、I中任意一种，）混合，稀土元素、或锰、或铋的重量比在1wt%~10wt%，随后溶于油胺、油酸、十八烯中，在氮气保护下在100℃~140℃反应，随后在反应体系中注入油酸铯溶液，在140℃~200℃下反应10s~120s，随后形成掺有稀土元素、或锰、或铋的钙钛矿量子点聚合物材料。
所述晶硅组件3包括依次上下设置的表面电极层31、P型半导体层32、硅片33、N型半导体层34和背面电极层35。所述表面电极层31位于晶硅组件3的光入射面。
下面再结合具体实施例来进一步说明本发明的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法。
实施例3
本发明的第一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，包括如下步骤：
（11）、合成油酸铯前驱体：
将1g的碳酸铯，5mL的油酸和100mL油胺混合在一起，搅拌均匀后在120℃下加热30min，对反应体系抽真空，连续三次抽真空，换氮气，去除反应体系中的水气和氧气，在惰性环境中反应10min，直至反应溶液变为澄清，碳酸铯和油酸反应完全。随后在惰性环境中储存，用于后续量子点的合成。
（12）、合成铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿量子点聚合物：
另将2g碘化铅和100mL油胺充分混合后，将反应体系温度升至120℃反应1h。随后在反应体系中充入氮气。然后注入10mL的油酸和10mL的油胺，在70℃下加热。等碘化铅完全溶解后不释放气体后，将反应温度升至100℃~180℃，得到不同尺寸大小的CsPbI3量子点。将步骤（11）制备得到的油酸铯前驱体溶液加热到70℃，注入以上反应溶液中。反应溶液立刻变为深红色，随后将混合后的反应溶液置于冰浴中淬灭反应。将混合溶液离心，得到含有铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿量子点聚合物材料。离心时的转速为10000rpm，时间为10min。再将离心后的CsPbI3分散在甲苯中。通过调节对反应溶液的加热温度可以得到不同尺寸大小的CsPbI3量子点。
（13）、采用如下方法制备晶硅组件：将4英尺大的硅片浸入去离子水、双氧水（35%）和氨水（30%）中，体积比为5：1：1，加热到80℃，10min去除硅片表面有机残余物，用去离子水清洗硅片，再用氮气吹干。再将硅片浸入去离子水和氢氟酸（49%）的溶液中，比例为50：1，在室温下放置1min，去除硅片表面的氧化物，用去离子水清洗硅片，再用氮气吹干。随后再将硅片浸入去离子水、双氧水和盐酸（37%）中，体积比为5：1：1，温度为80℃，浸泡10min，去除硅片表面残余的金属离子，用去离子水清洗硅片，再用氮气吹干。最后，将硅片浸入氢氟酸溶液中浸泡1min去除残余氧化物，用去离子水清洗硅片，再用氮气吹干。将预先配置好的硼和磷的溶液分别沉积在硅片的光入射面和背面，在120℃下干燥10min，去除有机溶剂。然后将硅片放置在1000℃下烧结10min，扩散掺杂物，制作PN结，分别得到P型半导体层和N型半导体层。随后用热蒸发方法将200nm的铝蒸镀在P型半导体层表面，用模板制作栅线，得到表面电极层。最后，在N型半导体层表面蒸镀铝，在585℃下加热10min，得到背面电极层。
（14）、在上封装玻璃一侧表面上采用旋涂法、刮涂法、3D打印法、蒸镀法中任意一种加工方式沉积一层步骤（12）制备的铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿量子点聚合物的甲苯溶液，干燥后成为量子剪裁涂层，得到含量子剪裁涂层的上封装玻璃。
（15）、取一片步骤（13）已制备好的晶硅组件，在其上下表面分别放置上封装胶膜和下封装胶膜，再在上封装胶膜的上面放置步骤（14）制备的含量子剪裁涂层的上封装玻璃，量子剪裁涂层朝下放置，在下封装胶膜的下方放置下封装玻璃。
（16）、将步骤（15）组装好的部件放入层压机中进行层压加工，得到含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，其中，层压加工时的层压压力为50kpa~90kpa，温度为120℃~150℃，时间为15min~20min。
实施例4
本发明的第二种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，包括如下步骤：
（21）、合成油酸铯前驱体：同步骤（11）。
（22）、合成铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿量子点聚合物：同步骤（12）。
（23）、采用如下方法制备晶硅组件：同步骤（13）。
（24）、取一片步骤（23）已制备好的晶硅组件，在晶硅组件的光入射面上采用旋涂法、刮涂法、蒸镀法、3D打印法、喷涂法中任意一种加工方式沉积一层步骤（22）制备的铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿量子点聚合物的甲苯溶液，干燥后成为量子剪裁涂层。
（25）、在步骤（24）制备的含量子剪裁涂层的晶硅组件的上下表面分别放置上封装胶膜和下封装胶膜，再在上封装胶膜的上面放置上封装玻璃，在下封装胶膜的下方放置下封装玻璃。
（26）、将步骤（25）组装好的部件放入层压机中进行层压加工，得到含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，其中，层压加工时的层压压力为50kpa~90kpa，温度为120℃~150℃，时间为15min~20min。
将制备的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件（样品面积为4英寸）进行转化效率对比测定，得到如图3所示的电流-电压曲线对比示意图。其中，在光照为AM1.5G强度（100mW/cm2）的标准测试条件下，普通晶硅组件的能量转化效率为12.5%，而本发明的表面涂敷CsPbI3量子点的晶硅电池的能量转化效率为13.9%，效率得到明显提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，包括依次上下设置的上封装玻璃、上封装胶膜、晶硅组件、下封装胶膜和下封装玻璃，所述上封装胶膜位于晶硅组件的光入射面侧，其特征在于，在所述上封装玻璃与上封装胶膜之间设置量子剪裁涂层，所述量子剪裁图层含有钙钛矿量子点材料，所述钙钛矿量子点材料将照射在晶硅组件表面的可见光转化成被设置在其下部的晶硅组件能吸收的红外光。
2.一种含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，包括依次上下设置的上封装玻璃、上封装胶膜、晶硅组件、下封装胶膜和下封装玻璃，所述上封装胶膜位于晶硅组件的光入射面侧，其特征在于，在所述上封装胶膜与晶硅组件之间设置量子剪裁涂层，所述量子剪裁图层含有钙钛矿量子点材料，所述钙钛矿量子点材料将照射在晶硅组件表面的可见光转化成被设置在其下部的晶硅组件能吸收的红外光。
3.如权利要求1或2所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，其特征在于，在所述钙钛矿量子点材料中含有铯铅碘钙钛矿量子点聚合物、或铯铅溴碘钙钛矿量子点聚合物、或掺入锰的铯铅氯的钙钛矿量子点聚合物、或掺入镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中任意一种的钙钛矿量子点聚合物，或掺入铋的钙钛矿量子点聚合物。
4.如权利要求1或2所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件，其特征在于，所述晶硅组件包括依次上下设置的表面电极层、P型半导体层、硅片、N型半导体层和背面电极层，所述表面电极层位于晶硅组件的光入射面。
5.一种如权利要求1所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将制备好的钙钛矿量子点材料溶于甲苯中，得到含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液；
步骤二、在上封装玻璃一侧表面上采用旋涂法、刮涂法、3D打印法、蒸镀法中任意一种加工方式沉积一层步骤一制备的含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液，干燥后成为量子剪裁涂层，得到含量子剪裁涂层的上封装玻璃；
步骤三、取一片已制备好的晶硅组件，在其上下表面分别放置上封装胶膜和下封装胶膜，再在上封装胶膜的上面放置步骤二制备的含量子剪裁涂层的上封装玻璃，量子剪裁涂层朝下放置，在下封装胶膜的下方放置下封装玻璃；
步骤四、将步骤三组装好的部件放入层压机中进行层压加工，得到含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件。
6.一种如权利要求2所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、将制备好的钙钛矿量子点材料溶于甲苯中，得到含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液；
步骤B、取一片已制备好的晶硅组件，在晶硅组件的光入射面上采用旋涂法、刮涂法、蒸镀法、3D打印法、喷涂法中任意一种加工方式沉积一层步骤A制备的含钙钛矿量子点材料的甲苯溶液，干燥后成为量子剪裁涂层；
步骤C、在步骤B制备的含量子剪裁涂层的晶硅组件的上下表面分别放置上封装胶膜和下封装胶膜，再在上封装胶膜的上面放置上封装玻璃，在下封装胶膜的下方放置下封装玻璃；
步骤D、将步骤C组装好的部件放入层压机中进行层压加工，得到含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件。
7.如权利要求5或6所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿量子点材料含有铯铅碘钙钛矿量子点聚合物，所述铯铅碘钙钛矿量子点聚合物采用如下方法制备：
（1）、合成油酸铯前驱体，
将碳酸铯、油酸和油胺混合在一起，搅拌均匀后加热，并使其在惰性环境中反应，直至反应溶液变为澄清，碳酸铯和油酸反应完全，得到油酸铯前驱体溶液，随后在惰性环境中储存；
（2）、合成铯铅碘钙钛矿量子点聚合物，
另将碘化铅和油胺充分混合后，将反应体系温度升至120℃反应1h，随后在反应体系中充入氮气，然后注入油酸和油胺，在70℃下加热，等碘化铅完全溶解不释放气体后，将反应溶液的温度升至100℃~180℃，再将步骤（1）制备得到的油酸铯前驱体溶液加热到70℃后注入以上反应溶液中，随后将混合后的反应溶液置于冰浴中淬灭反应，将混合溶液离心，得到含有铯铅碘钙钛矿量子点聚合物材料。
8.如权利要求5或6所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿量子点材料含有掺有稀土元素、或锰、或铋的钙钛矿量子点聚合物，所述掺有稀土元素、或锰、或铋的钙钛矿量子点聚合物采用如下方法制备：
将稀土元素、或锰、或铋的卤化物（AB2/AB3）和卤化铅（PbB2）（A为稀土元素、或锰、或铋中任意一种，B为Br、Cl、I中任意一种，）混合，稀土元素、或锰、或铋的重量比在1wt%~10wt%，随后溶于油胺、油酸、十八烯中，在氮气保护下在100℃~140℃反应，随后在反应体系中注入油酸铯溶液，在140℃~200℃下反应10s~120s，随后形成掺有稀土元素、或锰、或铋的钙钛矿量子点聚合物材料。
9.如权利要求5或6所述的含有量子剪裁涂层的晶硅电池组件的制备方法，其特征在于，所述晶硅组件采用如下方法制备：将预先配置好的含硼和磷的溶液分别沉积在已预先清洗干净的硅片的光入射面和背面，在120℃温度下干燥，然后将硅片放置在1000℃下烧结，扩散掺杂物，制作PN结，分别得到P型半导体层和N型半导体层，随后用热蒸发方法将铝蒸镀在P型半导体层表面，用模板制作栅线，得到表面电极层，最后，在N型半导体层表面蒸镀铝，得到背面电极层。
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