CN111490120A - 一种柔性的复合叠层太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性的复合叠层太阳能电池及其制备方法。本发明的复合叠层太阳能电池从受光面至背光面依次为高耐磨透光层、电荷传输层、钙钛矿电池层、空穴传输层、砷化镓电池层、金属电极层和柔性封装背板层。该结构为薄层柔性结构，可实现弯曲、卷曲及折叠；本发明解决了砷化镓能量损失、晶格失配的问题，具有高禁带宽度，提升了整体的转化效率及使用寿命。本发明采用喷涂法制备电荷传输层，采用喷雾热解法制备空穴传输层，采用镀膜方法制备金属电极层，采用热粘结方法制备柔性封装背板层；在满足薄层制备要求的同时降低制备难度，有利于工业化推广，制备方法的选择有利于层与层之间的结合，进而提高转化效率。

Description

一种柔性的复合叠层太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，具体为一种柔性的复合叠层太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在当今化石能源污染严重且逐渐枯竭的大形势下，可再生能源越来越受到各个国家的重视，尤其是太阳能的应用更为明显。太阳能电池除了当前广泛应用的晶硅电池外，钙钛矿电池和砷化镓电池都获得非常多的关注，被认为是今后太阳能电池技术发展的主要方向之一，因此得到世界范围内多数国家的重视。
1839年，德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现了第一种钙钛矿——天然矿物钛酸钙(CaTiO)，从此以后，学术界的研究人员便把所有具有ABX结构的晶体材料统称为钙钛矿，同时对于钙钛矿的研究也开启了。2009年，日本科学家TsutomuMiyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料，获得了3.8％的光电转化效率。自此之后，钙钛矿电池成为国内外顶尖高校实验室研究的目标。2019年8月2日，NREL发布了最新的最高确认转换效率图表，其中，由韩国化学技术研究所和麻省理工学院共同创造的钙钛矿电池的最高效率已经达到25.2％，已经比肩最高效率的晶硅电池转化率。
当然，现今转化效率最高的太阳能电池为砷化镓电池，美国Alta Devices公司单结砷化镓电池在2019年已经达到29.1％的转化效率。但砷化镓电池一直存在晶格失配、能量损失大、转化率衰减等问题，如将带隙可调的钙钛矿太阳能技术与砷化镓太阳能技术相叠加则可从晶格匹配与带隙问题上解决上述问题，同时可提升整体的转化效率。目前已经有将砷化镓与钙钛矿电池相复合形成异质结电池的方法，但现有技术方法中主要存在以下缺点：1)电池组成尺寸太大，不具有柔性，应用场景较窄；2)由于制备方法及材料选择等各方面因素，砷化镓与钙钛矿电池并没有得到有效结合，转化效率的提升不大。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述存在的问题，提供一种柔性的复合叠层太阳能电池及其制备方法，制备出具有高禁带宽度的复合叠层太阳能电池，提高柔性太阳能电池的转化效率及使用寿命，同时降低二结或三结砷化镓电池的制备成本。
本发明的技术内容如下：
一种柔性的复合叠层太阳能电池，从受光面至背光面依次为高耐磨透光层、电荷传输层、钙钛矿电池层、空穴传输层、砷化镓电池层、金属电极层和柔性封装背板层；
所述高耐磨透光层为具有一定耐磨性的、柔性的透明材料，所述柔性封装背板层为柔性的防水的衬底材料。
根据本发明所述的复合叠层太阳能电池的一个具体方案，所述高耐磨透光层包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯及聚碳酸酯中的一种或多种。
根据本发明所述的复合叠层太阳能电池的一个具体方案，所述电荷传输层包括ZnO、SnO及TiO2中的一种或多种混合，所述空穴传输层为NiO，所述钙钛矿电池层为ABX3结构的物质，A和B是两种阳离子，X是阴离子，其中A为铷、铯、甲基铵或甲脒，B为锡或铅，X为卤素元素。
根据本发明所述的复合叠层太阳能电池的一个具体方案，所述柔性封装背板层的材料包括不锈钢材料、树脂类材料或PVC材料。
根据本发明所述的复合叠层太阳能电池的一个具体方案，所述高耐磨透光层、电荷传输层、所述钙钛矿电池层及所述空穴传输层的的层厚范围均为20～40nm，所述砷化镓电池层、所述金属电极层及所述柔性封装背板层的层厚范围均为15～30nm。
本发明还公开一种柔性的复合叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别制备钙钛矿电池层和砷化镓电池层；
S2、采用喷雾热解法制备空穴传输层，将镍盐前驱体溶液喷涂在钙钛矿电池层的第一表面上，经焙烧获得NiO空穴传输层；
S3、经步骤(2)后钙钛矿电池层温度降低至室温，将构成透明导电层的氧化物前驱体溶液喷涂在钙钛矿电池层第二表面，经过加热烧结获得电荷传输层；
S4、采用镀膜方法在砷化镓电池层的第一表面上制备金属电极层；
S5、采用热粘结方法，在一定温度及真空条件下，将柔性封装背板层的材料压合在砷化镓电池的第二表面；
S6、在真空条件下，采用热压扩散的方法将制备得到的步骤(3)及步骤(5)所得的中间体热压在一起，得到薄膜电池层；
S7、将高耐磨透光层的材料在一定温度及真空条件下对步骤(6)所得的薄膜电池层的电荷传输层上表面进行封装包覆，待冷却后得到柔性复合叠层太阳能电池。
根据本发明所述的制备方法的一个具体方案，所述制备方法还包括步骤(7)，将步骤(6)所得薄膜电池层中的钙钛矿电池层和砷化镓电池层串联或者并联链接，形成可发电输出的复合太阳能电池。
根据本发明所述的制备方法的一个具体方案，所述步骤(2)中，采用硝酸镍前驱体溶液，溶液浓度为0.04～0.4mol/L，焙烧温度为350～450℃，焙烧时间为20～30min。
根据本发明所述的制备方法的一个具体方案，所述步骤(3)中，氧化物前驱体溶液浓度为0.05～0.2mol/L，烧结温度为80～120℃，所述步骤(5)中，热粘结的温度为100～140℃。
根据本发明所述的制备方法的一个具体方案，所述步骤(6)中，热压扩散压力为8～12MPa，热压时间为10h以上。
为了更加便于理解本发明，对其进行进一步的总结介绍。本发明的各层中核心部分为层状结构中从受光面至背光面的2/3/4/5/6层，这几层为本复合叠层太阳能电池的两个发电部分，为能够产生电能并能将电能传输出来的核心部分；而第1层和第7储能为对太阳能电池发电部分进行封装密封的辅助部分，主要是防止水汽、杂质等对发电部分造成损害，起到保护作用，可使太阳能电池整体的性能可更好的发挥。
由于采取了以上技术方案，本发明的优点在于：1)利用钙钛矿材料的带隙可调、制备方法多样的优点，将钙钛矿太阳能电池和砷化镓太阳能电池集成在一起，制备出具有高禁带宽度的复合叠层太阳能电池，可降低二结或三结砷化镓电池的制备成本，同时提高使用寿命；2)对复合叠层太阳能电池各功能层的组成及分布顺序及层厚度进行优化，增加各功能层之间的协同效应；3)复合叠层太阳能电池厚度为nm级，采用柔性封装结构并结合薄层特点，可实现弯曲、卷曲及折叠，拓宽了应用场景且节省了成本；4)各功能层采用特定方法制备，在满足薄层制备要求的同时降低制备难度，有利于工业化推广，制备方法的选择有利于提高层与层之间的结合协同效果，促进电子及空穴的传输，提高了转化效率。
附图说明
附图1是本发明的复合叠层太阳能电池组成示意图；
附图说明，1为高耐磨透光层、2为电荷传输层、3为钙钛矿电池层、4为空穴传输层、5为砷化镓电池层、6为金属电极层、7为柔性封装背板层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
实施例
如图1所示，一种柔性的复合叠层太阳能电池，从受光面至背光面依次为高耐磨透光层1、电荷传输层2、钙钛矿电池层3、空穴传输层4、砷化镓电池层5、金属电极层6和柔性封装背板层7。
具体的，高耐磨透光层为具有一定耐磨性的、柔性的透明材料，高耐磨透光层可优选为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯及聚碳酸酯中的一种或多种并不限于上述材料。电荷传输层为具有电子传输效果的透明导电层，电荷传输层材料优选为ZnO、SnO及TiO2中的一种或多种混合。所述钙钛矿电池层为ABX3结构的物质，A和B是两种阳离子，X是阴离子，其中A为铷、铯、甲基铵或甲脒，B为锡或铅，X为卤素元素，如氯、溴及碘等。本实施例中，钙钛矿电池层可选择现有技术中应用较多的CH3NH3PbI3、CH3NH3SnBr3和CH3NH3PbCl3。空穴传输层是电子流出的层，优选为NiO，电荷传输层和无机空穴传输层均采用无机材料体系，提高了太阳能电池工作稳定性，且原料成本低。金属电极层包括但不限于Ti、Pd、Ag、Au、Cu、In中的一种或几种组合。砷化镓电池层为当前常用砷化镓太阳能电池；柔性封装背板层为柔性的防水的衬底材料，衬底材料优选为不锈钢材料、树脂类材料或PVC材料并不限于上述材料。
本发明的复合叠层太阳能电池利用钙钛矿材料的带隙可调、制备方法多样的优点，将钙钛矿太阳能电池和砷化镓太阳能电池集成在一起，制备出具有高禁带宽度的复合叠层太阳能电池，通过对各层的组成及分布的优化，提高转化效率。并且，复合叠层太阳能电池具有柔性的特点，可实现弯曲、卷曲、折叠，拓宽了应用场景，并且节省了原材料。
在本实施例中，所述高耐磨透光层、电荷传输层、所述钙钛矿电池层及所述空穴传输层的的层厚范围均为20～40nm，所述砷化镓电池层、所述金属电极层及所述柔性封装背板层的层厚范围均为15～30nm。本发明的复合叠层太阳能电池的厚度远低于现有技术中的微米级，通过各功能层之间的配合，大幅度减少砷化镓的使用，并且提高转化效率。
本实施例的前述的柔性的复合叠层太阳能电池采用以下制备方法制备，包括步骤：
S1、分别制备钙钛矿电池层和砷化镓电池层；制备方法为通用技术方法，如采用热蒸镀法制备钙钛矿电池层，采用外延生长法制备砷化镓电池层，本发明不做赘述；
S2、采用喷雾热解法制备空穴传输层，将镍盐前驱体溶液喷涂在钙钛矿电池层的第一表面上，经焙烧获得NiO空穴传输层；钙钛矿电池层的两表面顺序不做区分，选择任意一面为第一表面；所述步骤(2)中，优选为采用硝酸镍前驱体溶液，溶液浓度为0.04～0.4mol/L，焙烧温度为350～450℃，焙烧时间控制为20～30min。采用此方法可以将NiO薄膜负载在钙钛矿电池层。
S3、经步骤(2)后钙钛矿电池层温度降低至室温，将构成透明导电层的氧化物前驱体溶液喷涂在钙钛矿电池层第二表面，经过加热烧结获得电荷传输层；所述步骤(3)中，氧化物前驱体(ZnO、TiO2)溶液浓度优选为0.05～0.2mol/L，烧结温度优选为80～120℃。采用此方法可以将电荷传输层薄膜负载在钙钛矿电池层的另一面。
S4、采用镀膜方法在砷化镓电池层的第一表面上制备金属电极层；砷化镓电池层的两表面顺序不做区分，选择任意一面为第一表面；镀膜方法包括真空蒸镀、电镀或磁控溅射等。
S5、采用热粘结方法，在一定温度及真空条件下，将柔性封装背板层的材料压合在砷化镓电池的第二表面；所述步骤(5)中，热粘结的温度优选为100～140℃。采用本方法在不破坏柔性封装背板层材料性质的前提下，将背板层薄膜与砷化镓电池有效结合。
S6、在真空条件下，采用热压扩散的方法将制备得到的步骤(3)及步骤(5)所得的中间体热压在一起，得到薄膜电池层；本实施例中，热压扩散压力优选为8～12MPa，热压时间为10h以上。通过热压扩散的方法，将两步骤所得的中间体压合，提高薄膜的机械强度，增加各功能层之间的结合紧密度，有利于电子及空穴的传输，从而提高转化效率。
S7、将高耐磨透光层的材料在一定温度及真空条件下对步骤(6)所得的薄膜电池层的电荷传输层上表面进行封装包覆，待冷却后得到柔性复合叠层太阳能电池。
采用上述方法进行具体实施，各实施例及对比例见表1：
表1各实施例及对比例参数及性能
Figure BDA0002417424560000091
Figure BDA0002417424560000101
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 (10)

1.一种柔性的复合叠层太阳能电池，其特征在于，从受光面至背光面依次为高耐磨透光层、电荷传输层、钙钛矿电池层、空穴传输层、砷化镓电池层、金属电极层和柔性封装背板层；
所述高耐磨透光层为具有一定耐磨性的、柔性的透明材料，所述柔性封装背板层为柔性的防水的衬底材料。
2.根据权利要求1所述的复合叠层太阳能电池，其特征在于，所述高耐磨透光层包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯及聚碳酸酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的复合叠层太阳能电池，其特征在于，所述电荷传输层包括ZnO、SnO及TiO2中的一种或多种混合，所述空穴传输层为NiO，所述钙钛矿电池层为ABX3结构的物质，A和B是两种阳离子，X是阴离子，其中A为铷、铯、甲基铵或甲脒，B为锡或铅，X为卤素元素。
4.根据权利要求1所述的复合叠层太阳能电池，其特征在于，所述柔性封装背板层的材料包括不锈钢材料、树脂类材料或PVC材料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合叠层太阳能电池，其特征在于，所述高耐磨透光层、电荷传输层、所述钙钛矿电池层及所述空穴传输层的的层厚范围均为20～40nm，所述砷化镓电池层、所述金属电极层及所述柔性封装背板层的层厚范围均为15～30nm。
6.一种柔性的复合叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别制备钙钛矿电池层和砷化镓电池层；
S2、采用喷雾热解法制备空穴传输层，将镍盐前驱体溶液喷涂在钙钛矿电池层的第一表面上，经焙烧获得NiO空穴传输层；
S3、经步骤(2)后钙钛矿电池层温度降低至室温，将构成透明导电层的氧化物前驱体溶液喷涂在钙钛矿电池层第二表面，经过加热烧结获得电荷传输层；
S4、采用镀膜方法在砷化镓电池层的第一表面上制备金属电极层；
S5、采用热粘结方法，在一定温度及真空条件下，将柔性封装背板层的材料压合在砷化镓电池的第二表面；
S6、在真空条件下，采用热压扩散的方法将制备得到的步骤(3)及步骤(5)所得的中间体热压在一起，得到薄膜电池层；
S7、将高耐磨透光层的材料在一定温度及真空条件下对步骤(6)所得的薄膜电池层的电荷传输层上表面进行封装包覆，待冷却后得到柔性复合叠层太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤(7)，将步骤(6)所得薄膜电池层中的钙钛矿电池层和砷化镓电池层串联或者并联链接，形成可发电输出的复合太阳能电池。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用硝酸镍前驱体溶液，溶液浓度为0.04～0.4mol/L，焙烧温度为350～450℃，焙烧时间为20～30min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，氧化物前驱体溶液浓度为0.05～0.2mol/L，烧结温度为80～120℃，所述步骤(5)中，热粘结的温度为100～140℃。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，热压扩散压力为8～12MPa，热压时间为10h以上。
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