CN111403608B - 钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，制备得到钙钛矿太阳能电池，采用激光划线的方法将第一位置下方的金属电极、功能层和透明导电层全部去掉，然后通过激光转印的方法将绝缘材料转移到去除的功能层和透明导电层的位置，形成P1层；采用激光划线的方法将第二位置下方的金属电极和功能层去掉，然后通过激光转印的方法将绝缘材料转移到去除的功能层的位置，形成P2层；通过激光转印的方法将导电材料转印到P1层和P2层的上方；采用激光划线的方法将第三位置下方的金属电极去除，形成P3层；最终形成钙钛矿太阳能电池串联组件。本发明能减少工艺带来的误差，提高太阳能电池组件的有效面积，提高生产效率。

Description

钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池加工领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，与染料敏化电池相比，具有工艺简单、光电转化效率高、制备过程耗能少、便于封装的优点，很适合大面积的生产应用。目前来说，钙钛矿太阳能电池的小面积效率提升特别大，在不足10年间，电池效率已经突破25%，但是相较于电池效率来说，大面积串联组件化进程相对落后。
太阳能电池组件的有效面积是指太阳能电池能够有效的接收太阳光照的面积。传统加工钙钛矿太阳能串联组件一般都是通过三次刻蚀、三次定位的方法来实现的，但是在实际操作过程中，即使有机械卡位和CCD同轴检测系统，还是会有一定的误差，从而减少了太阳能电池组件的有效面积。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，提高太阳能电池组件的有效面积。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、制备得到钙钛矿太阳能电池，包括从下到上依次设置的透明导电层、功能层和金属电极；
S2、在金属电极的上方的第一位置进行第一次定位，采用激光划线的方法，将第一位置下方的金属电极、功能层和透明导电层全部去掉，然后通过激光转印的方法，将绝缘材料转移到去除的功能层和透明导电层的位置，形成P1层；
S3、在金属电极的上方的第二位置进行第二次定位，采用激光划线的方法，将第二位置下方的金属电极和功能层去掉，然后通过激光转印的方法，将绝缘材料转移到去除的功能层的位置，形成P2层；
S4、通过激光转印的方法，将导电材料转印到所述P1层和P2层的上方，作为导电电极，导电电极与所述的金属电极连接；
S5、在金属电极的上方的第三位置进行第三次定位，采用激光划线的方法，将第三位置下方的金属电极去除，形成P3层；
最终形成钙钛矿太阳能电池串联组件。
按上述方法，S2中的激光划线的方法的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200 ~500 kHz，激光功率为18 ~ 20W，振镜扫描速度为400 ~ 800 mm/s，刻蚀线宽度为30 ~40μm。
按上述方法，S3中的激光划线的方法的加工参数为：飞秒模式，重复频率为200kHz，激光功率为15~ 18W，振镜扫描速度为500~ 1000mm/s，刻蚀线宽度为30 ~40μm；
第二位置与第一位置的距离为10~30μm。
按上述方法，S5中的激光划线的方法的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200kHz，激光功率为14~ 20W，振镜扫描速度为6000~ 8000 mm/s，刻蚀线宽度为50μm；
第三位置与第二位置的距离为10~30μm，且第二位置位于第一位置和第三位置之间。
按上述方法，S1中的透明导电层选自如下的一种：含掺杂氟的SnO 2镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯透明导电塑料基板、含氧化铟锡镀层的聚萘二甲酸乙二醇酯透明导电塑料基板。
按上述方法，S1中的功能层包括电子传输层、光吸收层和空穴传输层。
按上述方法，所述的电子传输层为二氧化钛、氧化锡、氧化锌或有机电子传输材料。
按上述方法，所述的光吸收层为有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜。
按上述方法，所述的有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜选自如下组分中的一种：MAPbI 3 、FAPbI 3 、FA 0.85 MA 0.15 Pb(I 0.85 Br 0.15 ) 3 、Cs 0.05(FA 0.85 MA 0.15 ) 0.95Pb(I 0.85 Br 0.15 ) 3 ；其中MA是指甲胺，FA是指甲脒。
按上述方法，所述的空穴传输层为spiro-OMeTAD、P3HT或PEDOT:PSS。
本发明的有益效果为：通过采用激光加工工艺，每次定位后一次刻蚀即可将对应的金属电极、功能层和透明导电层刻蚀掉，然后采用激光转印方法实现串联结构，减少机械卡位和CCD同轴检测系统的使用次数，从而减少工艺带来的误差，提高太阳能电池组件的有效面积；同时减少激光划线的次数，大大提高太阳能电池组件的生产效率。
附图说明
图1 为钙钛矿太阳能电池结构示意图。
图2为P1刻蚀过程示意图。
图3为P2刻蚀过程示意图。
图4为导电材料转印过程示意图。
图5为P3刻蚀后的结构示意图。
图中：1-基板，2-透明导电层，3-功能层，4-金属电极，5-激光束，6-绝缘材料，7-导电材料，8-P1层，9-P2层，10-导电电极，11-P3层，12-辅助基板。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备得到钙钛矿太阳能电池，如图1所示，包括从下到上在基板1上依次设置的透明导电层2、功能层3和金属电极4。
透明导电层2选自如下的一种：含掺杂氟的SnO 2（FTO）镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡（ITO）镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡（ITO）镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）透明导电塑料基板、含氧化铟锡（ITO）镀层的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）透明导电塑料基板。
功能层3包括电子传输层、光吸收层和空穴传输层。电子传输层为二氧化钛、氧化锡、氧化锌或有机电子传输材料。光吸收层为有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜。所述的有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜选自如下组分中的一种：MAPbI 3 、FAPbI 3 、FA 0.85 MA 0.15 Pb(I 0.85 Br 0.15 ) 3 、Cs 0.05(FA 0.85 MA 0.15 ) 0.95 Pb(I 0.85 Br 0.15 ) 3 ；其中MA是指甲胺，FA是指甲脒。空穴传输层为spiro-OMeTAD、P3HT或PEDOT:PSS。
本实施例中，将导电玻璃切成50mm x 50mm的正方形导电玻璃板，然后清洗导电玻璃上透明电极FTO；在干净的FTO上面沉积一层SiO2,作为电子传输层；在SiO2电子传输层上通过旋涂的方法旋涂钙钛矿作为光吸收层和旋涂spiro-OMeTAD作为空穴传输层；在空穴传输层上蒸镀Au作为金属顶电极。
S2、如图2所示，在金属电极4的上方的第一位置进行第一次定位，采用激光划线的方法，利用激光束5将第一位置下方的金属电极4、功能层3和透明导电层2全部去掉，然后通过激光转印的方法，将绝缘材料6转移到去除的功能层和透明导电层的位置，形成P1层8。激光划线的方法的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200 ~ 500 kHz，激光功率为18 ~ 20W，振镜扫描速度为400 ~ 800 mm/s，刻蚀线宽度为30 ~40μm。加工参数根据不同的绝缘材料可进行相应的调整。
本实施例中，将制备好的钙钛矿太阳能电池固定位置放到超快激光器上，将激光器的参数调整为：皮秒模式，重复频率为200kHz,功率为20W，振镜扫描速度为500mm/s，激光扫描一遍，去除透明导电层2、功能层3、金属电极4，完成P1刻蚀。然后将制备好的钙钛矿薄膜作为隔离材料，附着在辅助基板12上然后盖在太阳能电池上，调整激光参数为皮秒模式，重复频率为200kHz，功率为12W，振镜扫描速度为1000mm/s，激光扫描一遍，将绝缘材料转印到将金属电极、功能层、透明导电层去除的位置（P1位置）。
S3、如图3所示，在金属电极4的上方的第二位置进行第二次定位，采用激光划线的方法，利用激光束5将第二位置下方的金属电极4和功能层3去掉，然后通过激光转印的方法，将绝缘材料6转移到去除的功能层3的位置，形成P2层9。激光划线的方法的加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15~ 18W，振镜扫描速度为500~ 1000mm/s，刻蚀线宽度为30 ~40μm，第二位置与第一位置的距离为10~30μm。加工参数根据不同的绝缘材料可进行相应的调整。
本实施例中，调整激光扫描位置，距离为20μm，将激光器的参数调整为：飞秒模式，重复频率为200kHz，功率为20W，振镜扫描速度为400mm/s，激光扫描一遍，去除功能层3、金属电极4。然后将制备好的钙钛矿薄膜作为隔离材料，附着在辅助基板12上然后盖在太阳能电池上，调整激光参数为皮秒模式，重复频率为200kHz，功率为12W，振镜扫描速度为1000mm/s，激光扫描一遍，将绝缘材料转印到将金属电极4、功能层3去除后的位置，完成P2刻蚀。
S4、如图4所示，通过激光转印的方法，将导电材料7转印到所述P1层8和P2层9的上方，作为导电电极10，导电电极10与所述的金属电极4连接。加工参数可以根据不同的导电材料进行相应的调整。
本实施例中，导电材料7使用有机导电材料PEDOT:PSS，将制备好的有机导电材料PEDOT:PSS盖在钙钛矿太阳能电池上，在P1层8、P2层9位置上，这个步骤可以通过调节激光扫描位置来确定，不必担心误差问题。调整激光参数为：皮秒模式，重复频率为200kHz，功率为8W，振镜扫描速度为1000mm/s，激光扫描一遍，将导电材料7转印到P1层8、P2层9位置上。
S5、如图5所示，在金属电极4的上方的第三位置进行第三次定位，采用激光划线的方法，将第三位置下方的金属电极4去除，形成P3层11，最终形成钙钛矿太阳能电池串联组件。激光划线的方法的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200 kHz，激光功率为14~ 20W，振镜扫描速度为6000~ 8000 mm/s，刻蚀线宽度为50μm，第三位置与第二位置的距离为10~30μm，且第二位置位于第一位置和第三位置之间。加工参数根据不同的绝缘材料可进行相应的调整。
本实施例中，调整激光扫描位置，距离为20μm，将激光器的参数调整为：皮秒模式，重复频率为200kHz，功率为20W，振镜扫描速度为8000mm/s，激光扫描一遍，去除金属电极4。完成P3刻蚀。这样就完成了超快激光一步法加工钙钛矿太阳能电池串联组件。
所述的金属电极4为金电极、银电极、或铜电极。转印所需的绝缘材料6包括光吸收层材料、PDMS等具有隔绝导电功能的材料。转印所需的导电材料包括金电极、银电极、铜以及PEDOT:PSS有机导电材料等具有优良导电性能的材料。
本发明使用了超快激光加工工艺，可以大大提高加工精度；本发明采用一次定位的同时，一次刻蚀三条刻蚀线，一条刻蚀功能层和透明导电层，一条刻蚀功能层，最后一条刻蚀金属电极，同时采用超快激光转印的方法来实现钙钛矿太阳能电池的串联结构。本发明可以减少机械卡位和CCD同轴检测系统的使用次数，可以显著提高钙钛矿太阳能电池的有效面积，从而提高钙钛矿太阳能电池的整体效率。此外，在实际生产过程中，减少激光划线的次数，就可以大大提高太阳能电池的生产效率。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、制备得到钙钛矿太阳能电池，包括从下到上依次设置的透明导电层、功能层和金属电极；
S2、在金属电极的上方的第一位置进行第一次定位，采用激光划线的方法，将第一位置下方的金属电极、功能层和透明导电层全部去掉，然后通过激光转印的方法，将绝缘材料转移到去除的功能层和透明导电层的位置，形成P1层；
S3、在金属电极的上方的第二位置进行第二次定位，采用激光划线的方法，将第二位置下方的金属电极和功能层去掉，然后通过激光转印的方法，将绝缘材料转移到去除的功能层的位置，形成P2层；
S4、通过激光转印的方法，将导电材料转印到所述P1层和P2层的上方，作为导电电极，导电电极与所述的金属电极连接；
S5、在金属电极的上方的第三位置进行第三次定位，采用激光划线的方法，将第三位置下方的金属电极去除，形成P3层；
最终形成钙钛矿太阳能电池串联组件。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：S2中的激光划线的方法的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200 ~ 500 kHz，激光功率为18 ~20W，振镜扫描速度为400 ~ 800 mm/s，刻蚀线宽度为30 ~40μm。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：S3中的激光划线的方法的加工参数为：飞秒模式，重复频率为200k Hz，激光功率为15~ 18W，振镜扫描速度为500~ 1000mm/s，刻蚀线宽度为30 ~40μm；
第二位置与第一位置的距离为10~30μm。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：S5中的激光划线的方法的加工参数为：皮秒模式，重复频率为200 kHz，激光功率为14~ 20W，振镜扫描速度为6000~ 8000 mm/s，刻蚀线宽度为50μm；
第三位置与第二位置的距离为10~30μm，且第二位置位于第一位置和第三位置之间。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：S1中的透明导电层选自如下的一种：含掺杂氟的SnO 2镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡镀层的透明导电玻璃基板、含氧化铟锡镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯透明导电塑料基板、含氧化铟锡镀层的聚萘二甲酸乙二醇酯透明导电塑料基板。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：S1中的功能层包括电子传输层、光吸收层和空穴传输层。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：所述的电子传输层为二氧化钛、氧化锡、氧化锌或有机电子传输材料。
8.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：所述的光吸收层为有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：所述的有机无机杂化钙钛矿半导体薄膜选自如下组分中的一种：MAPbI 3 、FAPbI 3 、FA 0.85 MA0.15 Pb(I 0.85 Br 0.15 ) 3 、Cs 0.05(FA 0.85 MA 0.15 ) 0.95 Pb(I 0.85 Br 0.15 ) 3 ；其中MA是指甲胺，FA是指甲脒。
10.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池串联组件的制备方法，其特征在于：所述的空穴传输层为spiro-OMeTAD、P3HT或PEDOT:PSS。
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