CN111725405A - 一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法。所述钙钛矿太阳能电池组件包括衬底、透明导电层、电池活性层和背电极，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池组件包括垂直穿过所述透明导电层的第一沟道；垂直穿过所述电池活性层的第二沟道；和垂直穿过所述背电极和所述电池活性层的第三沟道。本发明通过机械切割或激光切割制备第一、第二、第三和第四沟道，从而制备本发明所述的钙钛矿太阳能电池组件。

Description

一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法，尤其涉及一种包括衬底、透明导电层、电池活性层和背电极的钙钛矿太阳能电池组件及其制备方法。
背景技术
太阳能光伏发电技术朝着低成本、高效率、大面积生产的方向不断发展。其中，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率在数年时间中有了很大的提高。钙钛矿太阳电池是以一种新式钙钛矿为原料，以有机无机杂化物质为吸收层的薄膜太阳能电池。目前钙钛矿太阳电池的电池效率已经达到23.7％。由于钙钛矿太阳能电池潜在的应用前景，其一直是各国企业和研究机构关注的热点。
单结太阳能电池片输出电压很小，达不到实用化的要求，不能直接作为电源使用。因此，大面积电池组件的开发成为目前的研究趋势。为了获得所需要的电压和电流，通过将单个电池片进行串联/并联的设计方式来获得较高电压/电流。
串联方式一般需要对电池片进行分割，电流经过引线端导出，并进行封装后制成太阳能电池板才能正常使用。而钙钛矿太阳电池组件在电流经过引线端导出的制备过程中，需要使用超声焊接将引线端与电极连接起来。这种方法对设备要求高，需要超声焊机设备，其成本和能耗较高；而且单点焊接的方式还会导致钙钛矿太阳能电池内部串联电阻的增加，致使组件的性能降低。
因此，本领域需要制备大面积的钙钛矿太阳能电池组件，以进一步提高电池性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种大面积的钙钛矿太阳能电池组件，以进一步提高电池性能。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种钙钛矿太阳能电池组件，其包括衬底、透明导电层、电池活性层和背电极，还包括：
第一沟道，所述第一沟道垂直穿过透明导电层，将透明导电层等间隔的分成n部分，其中n≥2，且为正整数；
第二沟道，所述第二沟道位于第一沟道的一侧，并垂直穿过电池活性层；和
第三沟道，所述第三沟道位于第二沟道的与第一沟道相对的一侧，第三沟道垂直穿过背电极和电池活性层。
本发明的钙钛矿太阳能电池组件还包括位于所述电池组件两端的第四沟道，所述第四沟道垂直穿过所述电池活性层。
在一个实施方式中，所述第四沟道的宽度为0.1-10mm，优选为3mm。
通过设置第四沟道，使得能够实施全接触方式，降低了钙钛矿太阳电池薄膜加工的成本和能耗，降低了接触电阻，减少了光伏组件的内部损失，更适合于制作大面积组件。本申请中的“全接触”指钙钛矿太阳能电池组件的前电极和背电极直接接触。
在一种实施方式中，第一沟道将透明导电层等间隔分成n部分，间隔值为3-30mm，优选8mm。
在一个实施方式中，第一沟道、第二沟道和第三沟道的宽度为30-200μm，优选为50μm。
在一个实施方式中，第一沟道和第二沟道之间以及第二沟道和第三沟道之间的距离分别为80-300μm，优选为100μm。
在一个实施方式中，电池活性层包括但不限于电子传输层(ETL)、钙钛矿吸收层和空穴传输层(HTL)。在另一个实施方式中，电池活性层还包括电子阻隔层和空穴阻隔层。本发明的钙钛矿太阳能电池结构包括正式(nip)结构和反式(pin)结构。
电子传输层指提取并传输钙钛矿吸收层光生激子中电子的层，包括但不限于无机物类材料，例如氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)等；聚合物类材料，例如PFN(9,9一二辛基芴一9,9一双N,N一二甲基胺丙基芴)等；有机物类材料，例如富勒烯衍生物、[6,6]-苯基-C-丁酸甲酯(PCBM，其中C有C61和C71)等；以及它们的组合。
空穴传输层指提取并传输钙钛矿吸收层光生激子中空穴的层，包括但不限于有机物类材料，例如Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)；有机金属盐，例如酞菁铜等；聚合物类材料，例如PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])等；无机类材料，例如CuI、CuSCN等。
钙钛矿吸收层为具有ABX3结构的材料，其中：
A为单价阳离子，包括但不限于Rb+、Na+、K+、Cs+、HN＝CHNH3+(表示为FA)、CH3NH3 +(表示为MA)及它们的组合；
B为二价阳离子，包括但不限于Sn2+、Pb2+它们的组合；
X选自卤素阴离子、O2-、S2-及它们的组合。
用于本申请的钙钛矿吸收层包括但不限于(Cs)x(FA)1-xPbI3、(FA)x(MA)1-x PbI3、(FA)x(MA)1-x PbIyCl1-y、(FAPbI3)x(MAPbBr3)1-x等；其中x＝0-1，y＝0-1。
透明导电层包括但不限于氧化物材料，例如掺氟氧化锡(FTO)、掺铟氧化锡(ITO)或掺铝氧化锌(AZO)等；金属材料，例如Au、Al、Pt等；高分子材料，例如聚苯胺等；复合材料，例如TiO2/Ag/TiO2等。
背电极包括但不限于金属类电极，例如Au、Ag、Cu、Al、Ni等；透明电极ITO、ZTO等以及它们之间的组合。
本申请的衬底包括但不限于玻璃或透明聚合物。
在一个优选实施方式中，上述钙钛矿太阳能电池组件的透明导电层厚度为100-700nm，优选为100nm；电子传输层厚度为10-200nm，优选20-30nm；钙钛矿吸收层厚度为100-1000nm，优选500-600nm；空穴传输层厚度为0-500nm，优选200-300nm；且背电极层厚度为30-200nm，优选为60-100nm。
本发明另一方面还提供了制备上述钙钛矿太阳能电池组件的方法，该方法包括以下顺序步骤：
准备衬底；
在所述衬底上制备透明导电层；
在所述透明导电层上制作所述第一沟道；
在制作有所述第一沟道的透明导电层上制备所述电池活性层；
在所述电池活性层上制作所述第二沟道；
在所述电池两端制作所述第四沟道；
在制作有第二沟道的电池活性层上制备背电极；
制作所述第三沟道。
上述方法中，制作所述第一沟道、第二沟道和所述第三沟道的方式包括但不限于采用激光切割或机械切割方式。
在一种实施方式中，在制作所述第三沟道之后还包括清除电池组件非有效区域部分。
通过采用本发明的技术方案，直接取消了超声焊机设备的使用，降低了钙钛矿太阳电池薄膜加工的成本和能耗；且全接触的方式相较于超声焊接的点接触，降低了接触电阻，减少了光伏组件的内部损失，更适合于制作大面积组件。
附图说明
图1为本发明的钙钛矿太阳能电池组件示意图。
其中：P1：第一沟道；P2：第二沟道；P3：第三沟道；P4：第四沟道；P5：电池组件非有效区域；11：衬底；12：透明导电层；13：电子传输层；14：钙钛矿吸收层；15：空穴传输层；16：背电极。
图2为第一沟道(P1)划线设计图。
图3为第二沟道(P2)划线设计图。
图4为第三沟道(P3)划线设计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
图1描述了本发明的钛矿太阳能电池组件的一个实施例的示意图。
该钙钛矿太阳能电池组件自下而上包括衬底(11)、透明导电层(12)、电子传输层(13)、钙钛矿吸收层(14)、空穴传输层(15)和背电极(16)。
该钙钛矿太阳能电池组件还包括：
第一沟道(P1)，其垂直穿过透明导电层(12)，将透明导电层(12)等间隔的分成n部分(n≥2，且为正整数)，形成对各个子电池的隔离；
第二沟道(P2)，所述第二沟道(P2)位于第一沟道(P1)的一侧，并自下而上垂直穿过电子传输层(13)、钙钛矿吸收层(14)和空穴传输层(15)。第二沟道(P2)去除一部分活性材料(即ETL，钙钛矿层和HTL)，实现相邻两结电池之间正负极的串联；和
第三沟道(P3)，所述第三沟道(P3)位于第二沟道(P2)的与第一沟道(P1)相对的一侧，第三沟道(P3)自下而上垂直穿过电子传输层(13)、钙钛矿吸收层(14)、空穴传输层(15)和背电极层(16)。第三沟道(P3)隔离金属背电极和组件的边缘，实现相邻两结电池之间电极的断开，避免短路。
本实施例的钙钛矿太阳能电池组件还包括位于所述电池组件两端的第四沟道，所述第四沟道垂直穿过所述电池活性层。第四沟道的宽度为0.1-10mm，优选为3mm。
第一沟道(P1)、第二沟道(P2)和第三沟道(P3)的宽度均为50μm。第一沟道(P1)和第二沟道(P2)之间以及第二沟道(P2)和第三沟道(P3)之间的距离为100μm。
该实施例的钙钛矿太阳能电池组件中各层的厚度为：透明导电层厚度为100-700nm，电子传输层厚度为10-200nm，钙钛矿吸收层厚度为100-1000nm，空穴传输层厚度为50-500nm，且背电极层厚度为30-200nm。
该实施例的钙钛矿太阳能电池组件通过包括以下顺序步骤的方法进行制备：
衬底的准备：
首先使用去离子水、清洁剂、丙酮、异丙醇、无水乙醇等在超声清洗机中清洗衬底材料，该衬底材料为玻璃或者透明聚合物。
然后进行紫外/臭氧处理。将清洗好的衬底材料放入紫外/臭氧清洗机中进行处理，该过程用于除去衬底上残留有机物并改善衬底界面机制。
透明导电层的制备：
采用沉积法或旋涂法等方法在衬底上制备透明导电层，透明导电层选自氧化物材料例如掺氟氧化锡(FTO)、掺铟氧化锡(ITO)或掺铝氧化锌(AZO)等；金属材料，例如Au、Al、Pt等；高分子材料，例如聚苯胺等；复合材料，例如TiO2/Ag/TiO2等。
沉积法可以是本领域熟悉的任何沉积方法，包括但不限于化学气相沉积、磁控溅射等。
第一沟道的制备：
本实施例选用的在器件大小为100mm*100mm，选择适当位置做基准点。本实施例选用的基准点是以距离边缘6.5mm处的点为圆心，R＝5mm的圆。
设计P1图形并导入设备中，进行P1划线。使用基准点进行对位，将所制备的透明导电层通过激光切割或机械切割分成几部分，形成用于各个子电池的隔离衬底。如图2所示(仅示出P1划线，图中各数值单位为mm)，其中P1划线宽度为50μm，P1之间的间距相等为10mm；
电池活性层的制备：
该实施例的电池活性层包括电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层。
在已经划分好的透明导电层上沉积电子传输层13。电子传输层可以采用磁控溅射、高温喷涂或旋涂等方法；
在电子传输层上制备钙钛矿光吸收层14。制备方法可以选自旋涂、喷涂、刮涂或蒸发等；
然后在钙钛矿光吸收层上沉积空穴传输层15。空穴传输层沉积方法为喷涂、刮涂、蒸发或旋涂等；
第二沟道的制备：
设计P2图形并导入设备中，进行P2划线。使用基准点进行对位，将所制备电池活性层(即包括电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层)通过激光切割或机械切割分成几部分，形成用于各个子电池的隔离，如图3所示(仅示出P2划线，图中数值单位为mm)，其中P2划线宽度为50μm，所有P2分别位于各自相邻P1左侧100μm处。
第四沟道的制备：
将最右侧P1划线右侧3mm宽度的活性层划除，划除的3mm活性层与P1间有0.5mm的间距；再将最左侧P2划线左侧3mm宽度的活性层划除，划除的3mm活性层与P2间有0.5mm的间距。
背电极的制备：
真空条件下在空穴传输层上沉积背电极16。采用蒸发或磁控溅射的方法等制备背电极；
第三沟道的制备：
设计P3图形并导入设备中，进行P3划线。使用基准点进行对位，将所制备活性层与背电极通过激光切割或机械切割分成几部分，形成用于各个子电池的隔离，如图4所示(仅示出P3划线，图中数值单位为mm)，其中P3划线宽度50μm，所有P3分别位于各自相邻P2左侧100μm处。
为满足IEC61730-1对组件爬电距离的要求，将电池组件非有效区域部分(参见图1中P5)通过激光切割或者机械切割全部清除(清除部分包括透明导电层、电池活性层和背电极)。
应当理解，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池组件，所述钙钛矿太阳能电池组件包括衬底、透明导电层、电池活性层和背电极，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池组件包括：
第一沟道，所述第一沟道垂直穿过所述透明导电层，将所述透明导电层等间隔的分成n部分，其中n≥2，且为正整数；
第二沟道，所述第二沟道位于所述第一沟道的一侧，并垂直穿过所述电池活性层；和
第三沟道，所述第三沟道位于所述第二沟道的与所述第一沟道相对的一侧，所述第三沟道垂直穿过所述背电极和所述电池活性层。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池组件还包括位于所述电池组件两端的第四沟道，所述第四沟道垂直穿过所述电池活性层。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述第四沟道的宽度为0.1-10mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于，所述电池活性层包括电子传输层、钙钛矿吸收层和空穴传输层。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于所述第一沟道、第二沟道和第三沟道的宽度均为30-200μm。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于所述第一沟道和所述第二沟道之间以及所述第二沟道和所述第三沟道之间的距离均为80-300μm。
7.根据权利要求2或3所述的钙钛矿太阳能电池组件，其特征在于所述透明导电层厚度为100-700nm，所述电子传输层厚度为10-200nm，所述钙钛矿吸收层厚度为100-1000nm，所述空穴传输层厚度为50-500nm，且所述背电极层厚度为30-200nm。
8.用于制备根据权利要求1-7中任一项所述的钙钛矿太阳能电池组件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上制备透明导电层；
在所述透明导电层上制作所述第一沟道；
在制作有所述第一沟道的透明导电层上制备所述电池活性层；
在所述电池活性层上制作所述第二沟道；
在所述电池两端制作所述第四沟道；
在制作有第二沟道的电池活性层上制备背电极；
制作所述第三沟道。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一沟道、第二沟道、第三沟道和第四沟道通过采用激光切割或机械切割方式制作。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在制作所述第三沟道之后还包括清除电池组件非有效区域部分。
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