CN111900223A - 一种柔性双面复合折叠太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性双面复合折叠太阳能电池，属于太阳能和能源技术领域。所述太阳能电池为由包括钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层制备成的叠层可双面受光的复合电池，从受光面到背光面依次包括：高耐磨透光层Ⅰ、电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层以及高耐磨透光层Ⅱ。本发明还提供所述柔性双面复合折叠太阳能电池的制备方法。本发明将钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层进行叠层设计，并联成可双面应用的高效柔性复合太阳能电池。通过本发明技术的实施，可明显提高整体的转换效率，更加适合地面电站的应用，尤其是对地面进行平整反光处理后。
Description
技术领域
本发明属于太阳能和能源技术领域，具体为一种柔性双面复合折叠太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在当今化石能源逐渐枯竭且污染严重大形势下，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，铜铟镓硒电池(CIGS)和钙钛矿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。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池简称CIGS电池，它是一种以P型CIGS和N型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池，其与太阳能光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，并且具有质量轻薄和柔性的特点，一致被光伏界看重，是当前太阳能技术中发展较快的一种薄膜太阳能电池。
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，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Tsutomu Miyasaka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，且具有1.3～2.3eV的宽能隙。
当前，CIGS能隙约为1.0～1.2eV，其对太阳光的吸收能量极限约35％，一般商业化转化效率约18％左右。如果将具有宽能隙的钙钛矿电池与具有窄能隙的CIGS进行并联叠层堆栈，可以让两者都发挥最大功效，产生更高的光电流和更高的整体转化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性双面复合叠层太阳能电池及其制备方法，利用钙钛矿与铜铟镓硒不同的能隙宽度进行双面叠层并联处理，最大限度的提高整体转化效率。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种柔性双面复合折叠太阳能电池，所述太阳能电池为由包括钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层制备成的叠层可双面受光的复合电池，从受光面到背光面依次包括：高耐磨透光层Ⅰ、电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层以及高耐磨透光层Ⅱ。
本发明柔性双面复合折叠太阳能电池的每一层中每一层都不能缺少，顺序也不能改变。高耐磨透光层Ⅰ和高耐磨透光层Ⅱ作为最外层，防护透光耐磨层；电荷传输层用于电流收集和传输；钙钛矿活性电池层作为发电层，发生光电转换的位置；空穴传输层Ⅰ和空穴传输层Ⅱ提供空穴的场所；金属电极层作为背板和支撑层，同时负责电流的导出；铜铟镓硒活性电池层作为发电层，发生光电转换的位置。
进一步，所述高耐磨透光层Ⅰ和高耐磨透光层Ⅱ为具有耐磨性和柔性的透明材料。更进一步，所述高耐磨透光层Ⅰ和高耐磨透光层Ⅱ为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯、聚碳酸酯中的一种或多种。
进一步，所述电荷传输层为具有电子传输效果的透明导电层。更进一步，所述电荷传输层为ZnO、SnO、TiO2中的一种或几种。
进一步，所述钙钛矿活性电池层为具有ABX3结构的物质，其中A为铷(Rb)、铯(Cs)、甲基铵(MA)或甲脒(FA)中的一种；B为锡(Sn)或铅(Pb)中的一种；X为卤素中的一种。
进一步，所述空穴传输层Ⅰ和空穴传输层Ⅱ为NiO。
进一步，所述金属电极层为Ti、Pd、Ag、Au、Cu、In中的一种或几种。
进一步，所述铜铟镓硒活性电池层包含窗口层(ZnO)、过渡层(CdS)、光吸收层(CIGS)以及金属背电极(Mo)。
一种柔性双面复合折叠太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)制备出钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层；
2)制备空穴传输层Ⅰ和空穴传输层Ⅱ：将前驱体NiNO3溶液喷涂在钙钛矿活性电池层的一个面上，经烧结后，获得NiO空穴层传输层Ⅰ；将NiNO3前驱体溶液喷涂在铜铟镓硒电池层的一面上，经烧结后，获得NiO空穴层传输层Ⅱ；
3)待步骤2)制备完成温度降低至室温后，将氧化物前驱体溶液喷涂在2步骤后钙钛矿活性电池层的另一面，经烧结，获得电荷传输层；
4)采用超薄压延法，制备金属电极层；
5)将电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层按顺序热压在一起，得到薄膜电池层；
6)将步骤5)制备得到的薄膜电池层装入具有耐磨性和柔性的透明材料形成的袋中，在真空下进行封装包覆，待冷却后得到柔性双面复合叠层太阳能电池。
上述制备过程中，超薄压延法采用本领域的常规技术实现，装入具有耐磨性和柔性的透明材料形成的袋中也可以采用将具有耐磨性和柔性的透明材料贴附在薄膜电池的两个表面，然后封装包覆实现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层进行叠层设计，并联成可双面应用的高效柔性复合太阳能电池。通过本发明技术的实施，可明显提高整体的转换效率，更加适合地面电站的应用，尤其是对地面进行平整反光处理后。
附图说明
图1为本发明柔性双面复合叠层太阳能电池的结构示意图；
附图标记：1-高耐磨透光层Ⅰ，2-电荷传输层，3-钙钛矿活性电池层，空4-穴传输层Ⅰ，5-金属电极层，6-空穴传输层Ⅱ，7-铜铟镓硒活性电池层，8-高耐磨透光层Ⅱ。
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
本实施例柔性双面复合叠层太阳能电池的结构如图1所示，从受光面到背光面依次包括：高耐磨透光层Ⅰ、电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层以及高耐磨透光层Ⅱ。
本实施例柔性双面复合叠层太阳能电池的具体制备过程如下：
1、分别制备核心的活性发电层，钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层，制备方法为通用技术方法，如采用热蒸镀法制备钙钛矿活性电池层，采用溅射金属预制层再硒化硫化的方法制备铜铟镓硒活性电池层；
2、采用喷雾热解法制备空穴传输层，将0.25mol/L的前驱体NiNO3溶液喷涂钙钛矿活性电池层一面上，经过25min450℃烧结后，获得约23nm的NiO空穴层传输层Ⅰ；0.25mol/L的NiNO3前驱体溶液喷涂铜铟镓硒活性电池层一面上，经过25min450℃烧结后，获得约23nm的NiO空穴层传输层Ⅱ；
3、待上述2步骤温度降低至室温后，将0.11mol/L的氧化物前驱体溶液(ZnO、TiO2)喷涂在2步骤后钙钛矿活性电池层另一面，经过105℃烧结30min，获得电荷传输层，2层、3层、4层总共厚度约92nm；
4、采用超薄压延法，制备超薄In金属电极层，厚度约10nm；
5、采用20nm柔性超薄聚甲基丙烯酸甲酯膜作为高耐磨透光层Ⅰ及高耐磨透光层Ⅱ，可为袋装结构，更加方便的进行封装；聚甲基丙烯酸甲酯膜制备方法为工业常用聚合物制备方法；
6、在真空、100℃、10MPa机械压力条件下，将制备得到的2～7各层按顺序热压在一起，保持10h，得到约160nm厚度的薄膜电池层；
7、采用20nm厚度柔性超薄聚甲基丙烯酸甲酯膜为高耐磨透光层Ⅰ及高耐磨透光层Ⅱ，将步骤6中得到的电池层装入聚甲基丙烯酸甲酯膜袋中，在真空100℃条件，进行封装包覆，待冷却后得到厚度约200nm的柔性双面复合叠层太阳能电池；
经测试，在STO条件下，本实施例柔性双面复合叠层并联结构的太阳能电池实际转化效率约为36.3％，高于一般双结电池，可用于地面集中式电站，屋顶、水面等分布式电站。
实施例2
本实施例柔性双面复合叠层太阳能电池的结构如图1所示，从受光面到背光面依次包括：高耐磨透光层Ⅰ、电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层以及高耐磨透光层Ⅱ。
本实施例柔性双面复合叠层太阳能电池的具体制备过程如下：
1、分别制备核心的活性发电层，钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层，制备方法为通用技术方法，如采用刮涂法制备钙钛矿活性电池层，采用溅射金属预制层再硒化硫化的方法制备铜铟镓硒活性电池层；
2、采用喷雾热解法制备空穴传输层，将0.33mol/L的前驱体NiNO3溶液喷涂钙钛矿活性电池层一面上，经过30min440℃烧结后，获得约25nm的NiO空穴层传输层Ⅰ；0.33mol/L的NiNO3前驱体溶液喷涂铜铟镓硒活性电池层一面上，经过30min440℃烧结后，获得约25nm的NiO空穴层传输层Ⅱ；
3、待上述2步骤温度降低至室温后，将0.10mol/L的氧化物前驱体溶液(ZnO、SnO)涂覆在2步骤后钙钛矿活性电池层另一面，经过110℃烧结30min，获得电荷传输层，2层、3层、4层总共厚度约90nm；
4、采用超薄压延法，制备超薄Cu金属电极层，厚度约11nm；
5、采用20nm柔性超薄聚碳酸酯膜作为高耐磨透光层Ⅰ及高耐磨透光层Ⅱ，可为袋装结构，更加方便的进行封装；聚碳酸酯膜制备方法为工业常用聚合物制备方法；
6、在真空、105℃、10MPa机械压力条件下，将制备得到的2～7各层按顺序热压在一起，保持9h，得到约165nm厚度的薄膜电池层；
7、采用20nm厚度柔性超薄聚碳酸酯膜为高耐磨透光层Ⅰ及高耐磨透光层Ⅱ，将步骤6中得到的电池层装入聚碳酸酯膜袋中，在真空100℃条件，进行封装包覆，待冷却后得到厚度约205nm的柔性双面复合叠层太阳能电池；
经测试，在STO条件下，本实施例柔性双面复合叠层并联结构的太阳能电池实际转化效率约为35.1％，高于一般双结电池，可用于地面集中式电站，屋顶、水面等分布式电站。
实施例3
本实施例柔性双面复合叠层太阳能电池的结构如图1所示，从受光面到背光面依次包括：高耐磨透光层Ⅰ、电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层以及高耐磨透光层Ⅱ。
本实施例柔性双面复合叠层太阳能电池的具体制备过程如下：
1、分别制备核心的活性发电层，钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层，制备方法为通用技术方法，如采用旋涂法制备钙钛矿活性电池层，采用溅射金属预制层再硒化硫化的方法制备铜铟镓硒活性电池层；
2、采用喷雾热解法制备空穴传输层，将0.20mol/L的前驱体NiNO3溶液喷涂钙钛矿活性电池层一面上，经过20min500℃烧结后，获得约20nm的NiO空穴层传输层Ⅰ；0.20mol/L的NiNO3前驱体溶液喷涂铜铟镓硒活性电池层一面上，经过20min500℃烧结后，获得约20nm的NiO空穴层传输层Ⅱ；
3、待上述2步骤温度降低至室温后，将0.11mol/L的氧化物前驱体溶液(ZnO、TiO2)喷涂在2步骤后钙钛矿活性电池层另一面，经过105℃烧结30min，获得电荷传输层，2层、3层、4层总共厚度约92nm；
4、采用超薄压延法，制备超薄Ag金属电极层，厚度约10nm；
5、采用20nm柔性超薄聚苯乙烯膜作为高耐磨透光层Ⅰ及高耐磨透光层Ⅱ，可为袋装结构，更加方便的进行封装；聚苯乙烯膜制备方法为工业常用聚合物制备方法；
6、在真空、100℃、10.5MPa机械压力条件下，将制备得到的2～7各层按顺序热压在一起，保持10h，得到约155nm厚度的薄膜电池层；
7、采用20nm厚度柔性超薄聚苯乙烯膜为高耐磨透光层Ⅰ及高耐磨透光层Ⅱ，将步骤6中得到的电池层装入聚苯乙烯膜袋中，在真空100℃条件，进行封装包覆，待冷却后得到厚度约195nm的柔性双面复合叠层太阳能电池；
经测试，在STO条件下，本实施例柔性双面复合叠层并联结构的太阳能电池实际转化效率约为35.8％，高于一般双结电池，可用于地面集中式电站，屋顶、水面等分布式电站。
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)
1.一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为由包括钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层制备成的叠层可双面受光的复合电池，从受光面到背光面依次包括：高耐磨透光层Ⅰ、电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层以及高耐磨透光层Ⅱ。
2.如权利要求1所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于，所述高耐磨透光层Ⅰ和高耐磨透光层Ⅱ为具有耐磨性和柔性的透明材料。
3.如权利要求2所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于，所述高耐磨透光层Ⅰ和高耐磨透光层Ⅱ为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯酸酯、聚碳酸酯中的一种或多种。
4.如权利要求1所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于,所述电荷传输层为具有电子传输效果的透明导电层。
5.如权利要求4所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于,所述电荷传输层为ZnO、SnO、TiO2中的一种或几种。
6.如权利要求1所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于,所述钙钛矿活性电池层为具有ABX3结构的物质，其中A为铷(Rb)、铯(Cs)、甲基铵(MA)或甲脒(FA)中的一种；B为锡(Sn)或铅(Pb)中的一种；X为卤素中的一种。
7.如权利要求1所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层Ⅰ和空穴传输层Ⅱ为NiO。
8.如权利要求1所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于,所述金属电极层为Ti、Pd、Ag、Au、Cu、In中的一种或几种。
9.如权利要求1所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池，其特征在于,所述铜铟镓硒活性电池层包含窗口层(ZnO)、过渡层(CdS)、光吸收层(CIGS)以及金属背电极(Mo)。
10.如权利要求1至9任一项所述一种柔性双面复合折叠太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备出钙钛矿活性电池层和铜铟镓硒活性电池层；
2)制备空穴传输层Ⅰ和空穴传输层Ⅱ：将前驱体NiNO3溶液喷涂在钙钛矿活性电池层的一个面上，经烧结后，获得NiO空穴层传输层Ⅰ；将NiNO3前驱体溶液喷涂在铜铟镓硒电池层的一面上，经烧结后，获得NiO空穴层传输层Ⅱ；
3)待步骤2)制备完成温度降低至室温后，将氧化物前驱体溶液喷涂在2步骤后钙钛矿活性电池层的另一面，经烧结，获得电荷传输层；
4)采用超薄压延法，制备金属电极层；
5)将电荷传输层、钙钛矿活性电池层、空穴传输层Ⅰ、金属电极层、空穴传输层Ⅱ、铜铟镓硒活性电池层按顺序热压在一起，得到薄膜电池层；
6)将步骤5)制备得到的薄膜电池层装入具有耐磨性和柔性的透明材料形成的袋中，在真空下进行封装包覆，待冷却后得到柔性双面复合叠层太阳能电池。
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