CN112133832A - 一种钙钛矿太阳能电池的封装结构和封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池的封装结构和封装方法。所述封装结构包括透光基底及其上的钙钛矿太阳能电池器件，钙钛矿太阳能电池器件被油膜密封层完全覆盖，在油膜密封层之上为覆盖层，所述覆盖层与透光基底之间由边缘密封胶实现密封，将钙钛矿太阳能电池器件封装在其中。本发明以油膜密封层作为隔绝水氧的障体，有效保护钙钛矿太阳能电池不受湿气和氧气的损伤，提高了电池的稳定性和使用寿命。此封装方法工艺简便、成本低廉、密封性能好，可用于大批量生产。

Description

一种钙钛矿太阳能电池的封装结构和封装方法
技术领域
本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及钙钛矿太阳能电池的封装结构和封装方法。
背景技术
随着工业技术的发展，人类生活水平的提高，可再生能源因其可再生性和环境友好等优点受到人类广泛关注。太阳能作为一种纯净的可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优势。光伏发电技术自产生以来，迅速成为有效利用太阳能的技术手段之一。2009年，首例钙钛矿太阳能电池被发现，因其优异的光电转换性质等优点，吸引了众多科研工作者的关注，迅速成为第三代太阳能电池的典型代表。目前经权威机构认证的最高电池效率已经突破25.2％，接近硅基太阳能电池的水平。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性是其面临商业化的一个重要挑战。
钙钛矿材料对水氧环境极度敏感，使得其结构不稳定。在光照等恶劣环境中，易产生不可逆转的分解而导致电池失效，使用寿命缩减。因此，有效地对太阳能电池进行封装，隔绝水和氧气环境，是提高钙钛矿太阳能电池稳定性的有效途径。
现有的光伏器件封装技术，一般采用UV胶或者沙林膜以及各类树脂材料等作为密封层，实现防潮隔氧的效果。但是，此类材料一般粘度较大，流动性差，在密封成层的过程中易残留气泡，降低密封效果。另外，上述材料的封装技术繁琐，操作复杂，对工艺和电池耐性有较高的要求。
为了解决现有技术的不足，本领域需要开发一种工艺简单的钙钛矿太阳能电池封装方法，以获得高寿命的钙钛矿太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种钙钛矿太阳能电池封装技术，采用油膜密封层作为障体，有效地保护钙钛矿太阳能电池，减少湿气和氧气对电池的损伤，提高电池的稳定性和使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种钙钛矿太阳能电池封装结构，包括透光基底及其上的钙钛矿太阳能电池器件，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池器件被油膜密封层完全覆盖，在油膜密封层之上为覆盖层，所述覆盖层与透光基底之间由边缘密封胶实现密封，将钙钛矿太阳能电池器件封装在其中。
上述钙钛矿太阳能电池封装结构中，所述油膜密封层的材料可以是单一种类的油类物质或多种油类物质的混合，选自天然油脂(动物油、植物油或其提取物甘油等)、石油(矿物油、石蜡油等)、硅油等链烷烃系和环烷烃系加工油等透光油类物质。也可以是在上述物质基础上进行提取和改良的一种或多种油类物质的透光混合油。
这些油类物质在室温下可以为液体也可以为固体，液体形式的油类物质和钙钛矿太阳能电池间的黏附能应大于0.03J/m2，较佳地大于0.045J/m2，且液体油类在室温下的黏度大于或者等于10-3Pa.s。
所述油膜密封层的厚度优选为0.05～5cm。
上述钙钛矿太阳能电池封装结构中，所述覆盖层的材料可以是玻璃、云母片或者柔性薄膜。覆盖层的厚度为0.2mm～100mm。
所述边缘密封胶可以是紫外固化胶、热熔胶或压敏胶等粘合剂。
本发明提供的钙钛矿太阳能电池的封装方法，包括以下步骤：
1)在透光基底上制备钙钛矿太阳能电池器件；
2)在钙钛矿太阳能电池器件上涂覆一层室温下为固态的油类物质，形成油膜密封层，然后在油膜密封后的钙钛矿太阳能电池器件的四周涂敷边缘密封胶；或者，在钙钛矿太阳能电池器件四周预留一定空间涂覆边缘密封胶，然后在预留的空间滴涂室温下为液体的油类物质，形成液体的油膜密封层；
3)在涂覆有油膜密封层的钙钛矿太阳能电池器件上面加压贴合覆盖层，边缘密封胶固化后即完成封装。
上述步骤2)中，可以采用旋涂、刮涂、滴涂、浸渍、涂布、喷涂等方式使油类物质完全覆盖钙钛矿太阳能电池器件。
上述步骤3)中，所述边缘密封胶优选为紫外固化胶，在贴合覆盖层后，通过紫外光照射固化完成封装。
进一步的，采用胶带对步骤3)得到的封装结构进行加固处理。
上述钙钛矿太阳能电池的封装方法选用油类物质作为密封层，对钙钛矿太阳能电池的背面进行密封。钙钛矿太阳能电池背面附着一层油膜障体，避免其与水氧接触；覆盖层与器件之间通过边缘密封胶进行加压密封。最后，采用胶带对钙钛矿太阳能电池封装结构进行加固。
其中，所述钙钛矿太阳能电池器件可以是正式电池或者反式电池；可以是介孔结构、平面异质结结构、介孔-平面异质结杂化结构电池；也可以是基于钙钛矿材料构建的叠层电池器件。
一般的，钙钛矿太阳能电池器件包括第一电极层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、第二电极层，可以在此结构基础上进行改良，例如全印刷钙钛矿太阳能电池去掉空穴传输层。
所述的透光基底的材料可以是透明玻璃、云母片、导电炭纸、金属箔或者由聚酯、聚酞亚胺化合物构成的柔性基底。
所述第一电极层通常为ITO或者FTO层。
在第一电极层预留电极引线，且电极引线的游离端暴露在油膜密封层以外。
作为优选方案，所述电子传输层可以是金属氧化物类及富勒烯类材料。金属氧化物类材料例如SnO2、TiO2、ZnO2、SrTiO3(STO)、WO3等；富勒烯类材料例如PCBM、ICBA和C60等。当然，也可以是在上述物质基础上进行组合或者改良的电子传输层。电子传输层的厚度通常为10nm～1000nm。
对于介孔结构的钙钛矿太阳能电池，介孔层可以是一些绝缘的氧化物，例如TiO2、Al2O3、ZrO2和SiO2。当然，也可以是在上述物质基础上进行组合或者改良的介孔层。介孔层的厚度为100nm～1000nm。
作为优选方案，所述钙钛矿吸收层材料的化学通式为ABX3，其中A为CH3NH3 +(MA+)、NH2CH＝NH2 +(FA+)、C4H9NH3 +、Cs+、Ru+、K+中的一种或几种混合；B为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sb3+、Bi3+、Ag+中的至少一种；X为Cl-、Br-、I-、(BF4)-、SCN-、(PF6)-中的一种或几种混合。当然，也可以在上述物质基础上进行组合或者改良的钙钛矿吸收材料。
作为优选方案，所述空穴传输层可以是spiro-MeOTAD、NiOx、PTAA、P3HT、PDPPDBTE、CuSCN、CuI等材料，当然，也可以是在上述物质基础上进行组合或者改良的空穴传输层。空穴传输层的厚度为50～500nm。
作为优选方案，所述第二电极层为金属电极、碳电极、石墨烯电极、碳纳米管电极或者导电聚合物电极。金属电极的材料例如Au、Al、Cu、Ag等。第二电极层的厚度为50nm～100μm。
在第二电极层预留电极引线，且电极引线的游离端暴露在油膜密封层以外。
作为优选方案，上述电极引线通常为金属电极引线。
作为优选方案，电极引线可以通过粘贴或者焊接的方式连接第一电极层和第二电极层。其中粘贴方式可以为铜导电胶带粘贴，也可以是导电胶粘贴。
作为优选方案，可以在电子传输层与钙钛矿吸收层之间设置一层或多层界面修饰材料。
作为优选方案，可以在空穴传输层与钙钛矿吸收层之间设置一层或多层界面修饰材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明选用性质稳定的油类物质作为密封层材料，为钙钛矿太阳能电池提供隔绝水氧的障体，有效保护电池器件不受湿气和氧气的损伤，边缘密封胶贴合覆盖层实现对太阳能电池的封装，最后用胶带对电池的封装结构进行加固。此种封装手段工艺简便、成本低廉、密封性能好，可以有效提高太阳能电池的使用寿命和稳定性，可用于大批量生产，为太阳能电池的封装提提供新的思路。
附图说明
图1为本发明钙钛矿太阳能电池封装结构的剖面结构示意图；
图2为钙钛矿太阳能电池的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明中所涉及的钙钛矿太阳能电池是广义的，可以是本领域技术人员能够获知的任何钙钛矿太阳能电池，可以是文献报道的多种钙钛矿太阳能电池，也可以是科研院所自行研制或者是通过商业化途径购买或转赠所得的钙钛矿太阳能电池。
图1为本发明提供一种钙钛矿太阳能电池封装结构的剖面结构示意图，所述钙钛矿太阳能电池封装结构包括：透光基底101、钙钛矿太阳能电池102、油膜密封层103、封装胶104和覆盖层105。
钙钛矿太阳能电池102的剖面结构如图2所示，包括：第一电极层1021、第一传输层1022、第一界面修饰层1023、钙钛矿吸收层1024、第二界面修饰层1025、第二传输层1026和第二电极层1027。由1021第一电极层和1027第二电极引出金属电极引线(图中未标出)。
需要注意的是，图2只是示例，并不是真实形状。图2给出了钙钛矿太阳能电池的大致结构，其中部分层组可以去掉或者改良，例如不进行界面修饰，即去掉第一界面修饰层1023和第二界面修饰层1025。
下面以正式钙钛矿太阳能电池器件作为实施案例，具体介绍钙钛矿太阳能电池的制备和封装方法。
步骤一：选用带有ITO电极层的透光玻璃作为导电基底材料；
步骤二：制备电子传输层；
步骤三：制备钙钛矿吸收层，采用一步法或者两步法制备钙钛矿膜，方式可以为旋涂、喷雾热解、机械冲压、刮涂和/或印刷；
步骤四：制备空穴传输层；
步骤五：制备金属电极层。
电极引线粘贴在所述金属电极层上，或者所述电极引线通过焊接电连接在所述金属电极层上。
经过上述步骤之后，在钙钛矿太阳能电池器件上涂覆一层油膜密封层，可以采用旋涂、刮涂、滴涂、浸渍、涂布、喷涂等方式。本实施例中采用动物油(猪油)作为油膜密封材料，油膜厚度为0.5cm。
在油膜密封后的钙钛矿太阳能电池器件的四周涂敷紫外固化胶TB3055，并加压贴合玻璃覆盖层，紫外光照射固化完成封装。最后，采用胶带对封装结构进行加固处理。
申请人声明，本发明通过上述实施例呈现详细的工艺流程。应当指出的是，本发明不局限于上述实施例的工艺流程。对本发明的任何改进，对本发明原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池封装结构，包括透光基底及其上的钙钛矿太阳能电池器件，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池器件被油膜密封层完全覆盖，在油膜密封层之上为覆盖层，所述覆盖层与透光基底之间由边缘密封胶实现密封，将钙钛矿太阳能电池器件封装在其中。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，所述油膜密封层是单一种类的油类物质或多种油类物质的混合，室温下为液体或固体。
3.如权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，对于室温下为液体的油类物质，其与钙钛矿太阳能电池间的黏附能大于0.03J/m2，且液体油类物质在室温下的黏度大于或者等于10-3Pa.s。
4.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，述油膜密封层的厚度为0.05～5cm。
5.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，所述覆盖层的材料是玻璃、云母片或者柔性薄膜；覆盖层的厚度为0.2～100mm。
6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池封装结构，其特征在于，所述边缘密封胶是紫外固化胶、热熔胶或压敏胶。
7.一种钙钛矿太阳能电池的封装方法，包括以下步骤：
1)在透光基底上制备钙钛矿太阳能电池器件；
2)在钙钛矿太阳能电池器件上涂覆一层室温下为固态的油类物质，形成油膜密封层，然后在油膜密封后的钙钛矿太阳能电池器件的四周涂敷边缘密封胶；或者，在钙钛矿太阳能电池器件四周预留一定空间涂覆边缘密封胶，然后在预留的空间滴涂室温下为液体的油类物质，形成液体的油膜密封层；
3)在涂覆有油膜密封层的钙钛矿太阳能电池器件上面加压贴合覆盖层，边缘密封胶固化后即完成封装。
8.如权利要求7的封装方法，其特征在于，步骤2)中采用旋涂、刮涂、滴涂、浸渍、涂布或喷涂方式使油类物质完全覆盖钙钛矿太阳能电池器件。
9.如权利要求7的封装方法，其特征在于，所述边缘密封胶为紫外固化胶，在步骤3)贴合覆盖层后，通过紫外光照射固化完成封装。
10.如权利要求7的封装方法，其特征在于，采用胶带对步骤3)得到的封装结构进行加固处理。
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