CN112151680B - 一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法,在钙钛矿太阳能电池的背电极上使用磁控溅射或ALD或真空镀膜的方式制备绝缘层，绝缘层一部分通过电池碳电极的多孔沉积在钙钛矿膜层表面，另一部分直接沉积在碳表面，形成一次封装；再在绝缘层上采用聚亚酰胺、聚四氟乙烯、玻璃纤维中的任一种或上述任意组合形成隔绝层，隔绝层之上依次铺上树脂膜和封装背板；再通过抽真空加压加热设备将树脂膜进行熔融，将封装背板与导电基底粘合，同时将绝缘层与封装背板粘合，完成二次全封装；本发明公开的方法可以在大面积电池上完成，可以得到寿命长、稳定性高、效率高的大面积钙钛矿太阳能电池。
Description
技术领域
本发明属于属于太阳能电池封装技术领域，特别涉及一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法及封装结构。
背景技术
钙钛矿太阳能电池作为新型太阳能电池，以其较高光电转换效率和低成本的特点，以及电池效率不断的提高，而成为国际上研究的热点，也是继传统硅基太阳能电池后效率较高最有产业化前景的一种太阳能电池。但由于这种电池的稳定性较差，寿命很短，成为了电池进一步发展的障碍，且极少研究人员针对其封装的稳定性进行深入研究和试验，这将减缓钙钛矿电池产业化发展。
此外，现阶段大都停留在小面积效率研究上，而针对大面积电池的稳定性研究就微乎其微，目前还未有成熟的大面积电池封装技术形成，研究表明，钙钛矿太阳能电池产业化或取代传统太阳能电池除了达到低成本，更需要提高电池寿命和稳定性，因此需要解决大面积钙钛矿太阳能电池长期暴露于空气的稳定性问题，必然需要寻求一种大面积电池的封装方法，从而推动钙钛矿太阳能电池的产业化发展，这也将成为钙钛矿太阳能电池发展一个必然趋势。
专利文献201510974245.9和201710342369.4仅提及了大面积固态钙钛矿电池较平面结构电池的成本低的优势，却未提及其电池封装稳定性的问题;专利文献201811469723.0中采用四周封装胶的方式封装，那么在玻璃背板和钙钛矿器件之间将形成腔体，未形成真空或者阻隔水氧保护层，会存在水氧，随着时间和光照，其间的水氧会发生热膨胀，尤其是在太阳下发电时温度升高时形成水蒸气等现象，钙钛矿会逐渐与空气及水分发生反应，从而影响电池的效率和寿命，且封装胶对紫外光较敏感，容易老化;因此需要寻找一种能够解决上述全部问题或部分问题的方式和方法。
发明内容
有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，本发明提供的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，包括，在钙钛矿太阳能电池的背电极上使用磁控溅射或ALD或真空镀膜的方式制备无机氧化物的绝缘层，形成一次全封装；再在所述绝缘层上制备采用聚亚酰胺、聚四氟乙烯、玻璃纤维中的任一种或上述任意组合形成的隔绝层，所述隔绝层之上一次铺上树脂膜和封装背板；再通过抽真空加压加热设备进行熔融粘合，完成二次全封装。所述绝缘层形成无机氧化物的渗入结构层。本文中的上述任意组合是指本句中前述的几种组分或材料的任意组合。
本发明在电池与封装背板之间做有绝缘层和和隔绝层阻隔水氧，可在大面积电池上进行，完成大面积电池的一次封装，再进行封装背板的二次封装，结合隔绝层，做到完全隔绝空气和湿气的目的，并且可以完全避免树脂膜加热释放的毒性对电池长期寿命的影响，同时避免了树脂膜熔融形变时破坏背电极膜，及钙钛矿膜层，另外本发明选用的聚亚酰胺和聚四氟乙烯等均为耐高温的材料，结构稳定、绝缘性好、不吸水等，且不与其他层发生化学反应，对电池起到很好的保护作用。该方法可以在大面积电池上完成，仅需扩大设备即可。本发明通过设置特定结构和材质的绝缘层和隔绝层，制备得到了寿命长、稳定性高、效率高的大面积钙钛矿太阳能电池。
另外，根据本发明公开的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法还具有如下附加技术特征：
进一步地，所述绝缘层为Al2O3、Si、SiO2、NiO、ZrO2、BN、MoO3、SiN 、BO中的任一种或上述任意组合。
优选地，绝缘层为SiO2，Al2O3，隔绝层为聚亚酰胺膜、聚四氟乙烯膜。
进一步地，所述绝缘层的厚度在50nm-300nm之间。
进一步地，所述树脂层的厚度在0.4mm-1mm之间，所述封装背板厚度在0.3-1mm之间。
进一步地，所述抽真空加压加热设备采用110-150摄氏度且在5-12min的时间进行熔融黏合。
进一步地，所述大面积钙钛矿太阳能电池包括导电基底、多孔传输层、钙钛矿层、背电极，所述多孔传输层、所述钙钛矿层、所述背电极均由具有溶胶态浆料，通过印刷或涂覆的方式制备在电极上并经过退火处理得到。
进一步地，所述绝缘层和所述隔绝层尺寸与钙钛矿电池尺寸一致，树脂膜和封装背板与钙钛矿电池导电基底尺寸一致。所述树脂膜加热熔融的目的将封装背板和导电基底黏合，隔绝层目的是将电池与树脂膜隔绝，防止树脂膜加热释放毒性，破坏钙钛矿电池。
进一步地，封装背板为PET聚酯薄膜两面涂覆氟树脂或单面涂覆氟树脂，经干燥固化成膜。
进一步地，树脂膜为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、沙林膜、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚酯树脂、聚丙烯、聚1-丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基甲醚、聚丙烯其中的任一种。
进一步地，树脂膜为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，热压温度为130~140度
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明对对比案例结构示意图；
图3为30cmX45cm钙钛矿太阳能电池室外寿命测试实验数据图；
其中，110—导电基底、120—多孔传输层、130—钙钛矿、140—背电极、210—绝缘层、220—隔绝层、230—树脂膜 、240—封装背板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的标识物件或具有相同或类似功能的标识物件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下面将参照附图来描述本发明的大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其中图1是本发明封装结构的结构示意图。
根据本发明的实施例，如图1所示，包括，在钙钛矿太阳能电池的背电极上使用磁控溅射或ALD或真空镀膜的方式制备无机氧化物的绝缘层，形成一次全封装；再在所述绝缘层上采用聚亚酰胺膜、聚四氟乙烯膜、玻璃纤维中的任一种或上述任意组合形成隔绝层，所述隔绝层之上一次铺上树脂膜和封装背板；再通过抽真空加压加热设备进行熔融粘合，完成二次全封装。所述绝缘层形成无机氧化物的渗入结构层。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘层为Al2O3、Si、SiO2、NiO、ZrO2、BN、MoO3、SiN 、BO中的任一种或上述任意组合。
根据本发明的一些实施例，绝缘层为SiO2，Al2O3，隔绝层为聚亚酰胺膜、聚四氟乙烯膜。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘层的厚度在50nm-300nm之间。
根据本发明的一些实施例，所述树脂层的厚度在0.4mm-1mm之间，所述封装背板厚度在0.3-1mm之间。
根据本发明的一些实施例，所述抽真空加压加热设备采用110-150摄氏度且在5-12min的时间进行熔融黏合。
根据本发明的一些实施例，所述大面积钙钛矿太阳能电池包括导电基底、多孔传输层、钙钛矿层、背电极，所述多孔传输层、所述钙钛矿层、所述背电极均由具有溶胶态浆料，通过印刷或涂覆的方式制备在电极上并经过退火处理得到。
根据本发明的一些实施例，所述绝缘层和所述隔绝层尺寸与钙钛矿电池尺寸一致，树脂膜和封装背板与钙钛矿电池导电基底尺寸一致。所述树脂膜加热熔融的目的将封装背板和导电基底黏合，隔绝层目的是将电池与树脂膜隔绝，防止树脂膜加热释放毒性，破坏钙钛矿电池。
根据本发明的一些实施例，封装背板为PET聚酯薄膜两面涂覆氟树脂或单面涂覆氟树脂，经干燥固化成膜。
根据本发明的一些实施例，树脂膜为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、沙林膜、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚酯树脂、聚丙烯、聚1-丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基甲醚、聚丙烯其中的任一种。
根据本发明的一些实施例，树脂膜为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，热压温度为130~140度。
根据本发明的一些实施例，在所述的钙钛矿太阳能电池制备完成后在背电极上采用磁控溅射或ALD或真空镀膜的方式做绝缘层，完成一次全封装，绝缘层为Al2O3、Si、SiO2、NiO、ZrO2、BN、MoO3、SiN 、BO中的一种，所述的绝缘层厚度为50nm~300nm，在绝缘层上铺一层0.1~0.3mm厚度的隔绝层，隔绝层上依次铺上0.4~1mm树脂膜和0.3~1mm厚度的封装背板，通过抽真空加压加热设备110~150度熔融5~12min的方式黏合，完成二次全封装。
根据本发明的一个实施例，实施例1，大面积钙钛矿太阳能电池的封装具体工艺步骤如下：首先在30cmX45cm的导电玻璃基底上，印刷介孔传输层浆料，印刷背电极浆料，均通过450度温度退火后，再通过涂覆的方式将钙钛矿前驱液涂覆于背电极上，通过毛细渗透穿过多孔层，50度退火，形成电池，再通过磁控溅射的方式将靶材SiO2溅射到背电极上，形成致密的SiO2原子层覆盖于背电极上，即为绝缘层，厚度200nm，完成一次封装。然后再将0.2mm和0.8mm厚的聚四氟乙烯膜和聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物膜依次铺于电池绝缘层与1mm厚度的封装背板之间，通过抽真空140度热压，使得导电基底与背板完全贴合，完成二次封装。
根据本发明的一个实施例，实施例2，大面积钙钛矿太阳能电池的封装具体工艺步骤如下：首先在30cmX45cm的导电玻璃基底上，印刷介孔传输层浆料，印刷背电极浆料，均通过450度温度退火后，再通过涂覆的方式将钙钛矿前驱液涂覆于背电极上，通过毛细渗透穿过多孔层，50度退火，形成电池，再通过ALD方式将靶材三甲基铝沉积到背电极上，形成致密的Al2O3原子层覆盖于背电极上，即为绝缘层，厚度150nm，完成一次封装。然后再将0.1mm和0.6mm厚的聚亚酰胺膜和聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物膜依次铺于电池绝缘层与0.7mm厚度的封装背板之间，通过抽真空130度热压，使得导电基底与背板完全贴合，完成二次封装。
根据本发明的一个实施例，实施例3，大面积钙钛矿太阳能电池的封装具体工艺步骤如下：首先在30cmX45cm的导电玻璃基底上，印刷介孔传输层浆料，印刷背电极浆料，均通过450度温度退火后，再通过涂覆的方式将钙钛矿前驱液涂覆于背电极上，通过毛细渗透穿过多孔层，50度退火，形成电池，再通过磁控溅射的方式将靶材SiO2溅射到背电极上，形成致密的SiO2原子层覆盖于背电极上，即为绝缘层，厚度200nm，完成一次封装。然后再将0.2mm和0.8mm厚的PET膜和聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物膜依次铺于电池绝缘层与1mm厚度的封装背板之间，通过抽真空140度热压，使得导电基底与背板完全贴合，完成二次封装。
对比案例
本实施例中，大面积钙钛矿太阳能电池的封装具体工艺步骤如下：首先在30cmX45cm的导电玻璃基底上，印刷介孔传输层浆料，印刷背电极浆料，均通过450度温度退火后，再通过涂覆的方式将钙钛矿前驱液涂覆于背电极上，通过毛细渗透穿过多孔层，50度退火，形成电池，再通过磁控溅射的方式将靶材SiO2溅射到背电极上，形成致密的SiO2原子层覆盖于背电极上，即为绝缘层，厚度200nm，完成一次封装。然后再0.8mm聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物铺于电池绝缘层与1mm厚度的封装背板之间，通过抽真空140度热压，使得电池与背板完全贴合，完成二次封装。
通过测试上述具体实施例（实施例1、2、3）、对比例以及未封装的钙钛矿太阳能电池的老化寿命可知，未封装的电池寿命很差，同时设置绝缘层和隔绝层的电池的长期稳定性最高，而仅设置绝缘层的电池封装时树脂膜对电池膜层产生不利影响，以至于封装后电池效率下降较多，长期稳定性较差。隔绝层通过特殊选择的聚亚酰胺膜、聚四氟乙烯膜和玻璃纤维等材料均具有较好的耐高温性，防水性，不与绝缘层和树脂膜等发生反应，对电池无危害，且保护了电池和一次封装的完整性，起到了很好的隔绝空气和湿度，以及防护的作用。
对30cm*45cm的钙钛矿太阳能电池进行24h室外放置寿命测试，模拟真实工作环境，每周测试一次效率，将实施例、对比例和未封装的电池在室外放置后的寿命进行了为期30周的效率测试，经测试发现电池封装后效率有不同程度的降低的现象：添加本权利隔绝层的电池效率在原基础上下降2%，30周效率基本保持稳定效率下降3.5%；添加其他绝缘层材料的的电池封装后效率在原基础上下降10%，电池从16周开始衰减较快，30周效率共下降35%；而未添加隔绝层的电池封装后效率下降21%，27周电池完全损坏；未封装电池在室外效率急速下降，15周已完全坏掉。原因是未封装的电池直接与空气中的水氧发生反应，失去功能，而未添加隔绝层的封装中，树脂膜在熔融时释放出有毒物质长期破坏电池，且树脂膜在熔融态下再凝固时破坏了背电极膜和钙钛矿层膜，影响电池效率，添加本权利外的隔绝层材料由于不是耐高温材料在140度时容易发生较大形变，且所含有机物在高温下易释放有害物质破坏钙钛矿电池性能，本权利加热封装温度不可高于150度，否则钙钛矿材料将发生分解，因此在此温度范围内既要达到树脂膜熔融，又要求隔绝层材料在此温度下无变化。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神；除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，包括：在钙钛矿太阳能电池的背电极上使用真空镀膜的方式制备绝缘层，所述的绝缘层一部分通过电池碳电极的多孔沉积在钙钛矿膜层表面，另一部分直接沉积在碳表面，形成一次封装；再在所述绝缘层上采用聚亚酰胺、聚四氟乙烯、玻璃纤维中的任一种或上述任意组合形成隔绝层，所述隔绝层之上依次铺上树脂膜和封装背板；再通过抽真空加压加热设备将树脂膜进行熔融，将封装背板与导电基底粘合，同时将绝缘层与封装背板粘合，完成二次全封装；
其中，所述绝缘层为Al2O3、Si、SiO2、NiO、ZrO2、BN、MoO3、SiN、BO中的任一种或上述任意组合。
2.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述真空镀膜方式为磁控溅射、ALD中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度在50nm-300nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述树脂膜的厚度在0.4mm-1mm之间，所述封装背板厚度在0.3-1mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述抽真空加压加热设备采用110-150摄氏度且在5-12min的时间进行熔融黏合。
6.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述大面积钙钛矿太阳能电池包括导电基底、多孔传输层、钙钛矿层、背电极，所述多孔传输层、所述钙钛矿层、所述背电极均由具有溶胶态浆料，通过印刷或涂覆的方式制备在电极上并经过退火处理得到。
7.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，所述绝缘层和所述隔绝层尺寸与钙钛矿电池尺寸一致，树脂膜和封装背板与钙钛矿电池导电基底尺寸一致。
8.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，封装背板为PET聚酯薄膜两面涂覆氟树脂或单面涂覆氟树脂，经干燥固化成膜。
9.根据权利要求1所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，树脂膜为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、沙林膜、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚酯树脂、聚丙烯、聚1-丁烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基甲醚、聚丙烯其中的任一种或上述任意组合。
10.根据权利要求9所述的一种大面积钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于，采用树脂膜为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，热压温度为130~140度。
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