CN112614941B

CN112614941B - 一种降低死区面积的激光划线方法及其钙钛矿电池结构

Info

Publication number: CN112614941B
Application number: CN202011480216.4A
Authority: CN
Inventors: 董超; 赵志国; 秦校军; 熊继光; 王百月; 刘家梁; 刘娜; 赵东明; 肖平; 王森
Original assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute; Huaneng Renewables Corp Ltd
Current assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute; Huaneng Renewables Corp Ltd
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2040-12-15
Also published as: CN112614941A

Abstract

本发明公开了一种降低死区面积的激光划线方法及其钙钛矿电池结构，属于钙钛矿太阳能电池领域。通过在电池电荷传输层沉积致密氮化硅层，再通过特殊设计的激光刻线方式，然后在金属电极沉积区延伸至第二刻线槽的底部，在第二刻线槽的侧边固定有氮化硅壁，可以实现用在P2刻线处的氮化硅阻隔间隙层来代替现有技术中的P3刻线，去除了现有技术中P2、P3刻线间的宽度以及P3刻线宽度，从而减少了电池由于激光刻线造成的死区面积，增加了电池的受光面积，提升了钙钛矿电池的光电转换功率；同时刻划氮化硅的阻隔层可以有效阻挡电池的金属电极与钙钛矿层的直接接触，避免了钙钛矿层中碘离子对金属电极的腐蚀。

Description

一种降低死区面积的激光划线方法及其钙钛矿电池结构

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，涉及一种降低死区面积的激光划线方法及其钙钛矿电池结构。

背景技术

如今化石燃料的使用造成环境问题的日益加剧，可持续能源引起了人们的广泛关注，太阳能因其清洁环保成为研究的热点，太阳能电池是对太阳能直接利用的方式之一。近年来，有机无机杂化钙钛矿电池因为快速增长的转换效率，优异的器件性能以及独特的光电性质吸引着人们广泛研究，最新的钙钛矿太阳能电池认证效率达到了25.2％，已经媲美传统的硅基电池。

钙钛矿作为一种人工合成材料，在2009年首次被尝试应用于光伏发电领域后，因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大，从此大放异彩。近年，全球顶尖科研机构和大型跨国公司都投入了大量人力物力，力争早日实现商业化量产，而量产就需要钙钛矿电池在借鉴其他薄膜电池生产工艺之外，逐步摸索适合自身的生产工艺。目前钙钛矿电池组件采用薄膜太阳能电池常用的P1、P2、P3激光刻线方式来实现电池的串并联连接，该刻线方式会产生电池死去，减少电池的受光面积。为了实现钙钛矿电池组件光电转换效率的提升以及稳定性的增强，钙钛矿电池的激光刻线工艺亟需改善。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，激光刻线产生的电池死区面积较大的缺点，提供了一种降低死区面积的激光划线方法及其钙钛矿电池结构。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种降低死区面积的钙钛矿电池结构，包括导电玻璃，导电玻璃上表面设有若干个导电块，导电块之间填充有钙钛矿层，导电块上设有核心块，核心块的侧壁上设有氮化硅壁，核心块上部及氮化硅壁之间设有金属电极；导电块由下至上包括导电层和氧化镍层；核心块由下至上包括钙钛矿层和电荷传输层。

优选地，所述氮化硅层的厚度为400～420nm；所述金属电极层的厚度最大为400nm。

优选地，所述金属电极层的厚度为250～300nm。

优选地，所述金属电极由铝、铜、银或金制备而成；所述导电玻璃为ITO玻璃或FTO玻璃；所述电荷传输层为富勒烯C60；所述钙钛矿电池结构为正式钙钛矿电池结构或反式钙钛矿电池结构。

一种制备所述钙钛矿电池结构的激光划线方法，包括以下步骤：

步骤1)导电玻璃上设有导电层，在导电层上沉积氧化镍，之后进行激光P1刻线，从氧化镍层刻至导电层，直至裸露导电玻璃，使得导电玻璃上形成若干个相互独立的导电块，若干个导电块之间具有第一刻线槽；

步骤2)在步骤1)P1刻线后的导电块和第一刻线槽上制备钙钛矿层，之后在钙钛矿层上沉积电荷传输层，然后进行激光P2刻线，从电荷传输层刻至钙钛矿层，直至导电块上的氧化镍层裸露，使得氧化镍层上形成若干个相互独立的核心块，若干个核心块之间具有第二刻线槽；

步骤3)在步骤2)P2刻线后的核心块和第二刻线槽上沉积氮化硅层，之后在氮化硅层上选定金属电极沉积区，金属电极沉积区延伸至第二刻线槽的底部，然后将选定的金属电极沉积区全部刻蚀，刻蚀后第二刻线槽的侧边固定有氮化硅壁，最后在金属电极沉积区上沉积金属电极，得到降低死区面积的钙钛矿电池结构。

优选地，步骤3)的具体操作为：

步骤31)在步骤2)P2刻线后的核心块和第二刻线槽上沉积氮化硅层，之后在氮化硅层上选定金属电极沉积区，将选定的金属电极沉积区全部刻蚀；

步骤32)在第二刻线槽内选择P3刻线区进行刻线；P3刻线区的两侧为氮化硅壁，氮化硅壁包括第一氮化硅板和第二氮化硅板，所述第一氮化硅板的顶端与核心块平齐，所述第二氮化硅板的顶端位于核心块的上方；

步骤33)然后在金属电极沉积区和刻线后的P3刻线区沉积金属电极，第二氮化硅板将沉积的金属电极分割；

步骤34)将第二氮化硅板上高于金属电极的部分刻蚀，使第二氮化硅板的顶端与金属电极平齐。

进一步优选地，所述P3刻线区的宽度为28～32μm，第一氮化硅板和第二氮化硅板的厚度均为19～21μm。

优选地，所述第一刻线槽的宽度为28～32μm；所述第二刻线槽的宽度为69～71μm；第二刻线槽与第一刻线槽水平方向的距离为28～32μm。

优选地，所述激光P1刻线前，在导电玻璃上刻画mask点。

优选地，所述氧化镍层通过磁控溅射的方法沉积；所述金属电极通过真空蒸镀方法沉积；所述钙钛矿层通过刮涂或者狭缝涂布方法制备而成；所述氮化硅层通过射频板式直接法沉积，氮化硅层的沉积过程中，温度在150℃以下。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种降低死区面积的钙钛矿电池结构，导电玻璃上表面设有若干个导电块，导电块之间填充有钙钛矿层，导电块上设有核心块，核心块的侧壁上设有氮化硅壁，核心块上部及氮化硅壁之间设有金属电极；导电块由下至上包括导电层和氧化镍层；核心块由下至上包括钙钛矿层和电荷传输层。通过氮化硅层的沉积以及独特的刻线方式可以将金属电极与钙钛矿层通过氮化硅层隔离开，从而避免了钙钛矿层中碘离子对金属电极的腐蚀，可以较好的保持钙钛矿电池的性能。

进一步地，除沉积氮化硅层以外，其他的沉积层只要满足利于沉积、利于激光刻线以及具有较高的化学稳定性、绝缘性，均可以替代氮化硅作为这层特有的沉积层。

进一步地，沉积氮化硅层厚度要达到400nm以上，可以满足氮化硅层刻蚀后金属电极的沉积，同时该沉积的具体厚度需根据电池钙钛矿层以及电荷传输层的具体厚度计算。

进一步地，导电玻璃选用如ITO玻璃或FTO玻璃，这些玻璃上沉积有透明导电氧化物的玻璃，能够增强制备的电池的导电性。

本发明还公开了一种降低死区面积的激光划线方法，通过在电池电荷传输层沉积致密氮化硅层，再通过特殊设计的激光刻线方式，然后在金属电极沉积区延伸至第二刻线槽的底部，在第二刻线槽的侧边固定有氮化硅壁，可以实现用在P2刻线处的氮化硅阻隔间隙层来代替现有技术中的P3刻线，去除了现有技术中P2、P3刻线间的宽度以及P3刻线宽度，从而减少了电池由于激光刻线造成的死区面积，增加了电池的受光面积，提升了钙钛矿电池的光电转换功率；同时刻划氮化硅的阻隔层可以有效阻挡电池的金属电极与钙钛矿层的直接接触，避免了钙钛矿层中碘离子对金属电极的腐蚀。即本发明设计的刻线及沉积方式很好的将钙钛矿层与金属电极通过化学稳定性好、绝缘性极佳的氮化硅分隔开，避免了钙钛矿层中的碘离子对金属电极的腐蚀，从而能够保持钙钛矿电池的良好性能。

进一步地，激光P2刻线后采用PECVD设备在钙钛矿电池的电荷传输层沉积400nm的氮化硅层；然后进行P3刻线，P3刻线需要将原P2刻线处重刻一部分，并两侧保留氮化硅层，其中作为金属电极阻隔区的一侧氮化硅层高出一部分，待金属电极沉积后再刻蚀掉，将需沉积电极的氮化硅层部分全部刻蚀掉，最后沉积金属电极，并将剩余高出部分的氮化硅以及上面沉积的金属电极刻蚀掉，并使其高度与金属电极持平，保持电池背面的平整性。

附图说明

图1为本发明中进行激光P1刻线和激光P2刻线后的结构示意图；

图2为本发明中激光P2刻线后沉积氮化硅层的结构示意图；

图3为本发明中刻蚀氮化硅层的结构示意图；

图4为本发明中刻蚀氮化硅后沉积金属电极的结构示意图；

图5为本发明制备的降低死区面积的钙钛矿电池结构的示意图；

其中：101-第二刻线槽；102-第一刻线槽；103-电荷传输层；104-钙钛矿层；105-导电层；106-导电玻璃；107-氧化镍层；108-导电块；109-核心块；201-氮化硅层；301-第一氮化硅板；302-第二氮化硅板；401-金属电极。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明能够减少钙钛矿太阳能电池死区面积并保护电池金属电极，在沉积金属电极之前，先在电池电荷传输层上沉积致密的氮化硅，通过激光定位的方式，刻蚀出沉积电极的区域以及电极与透明导电层连接的区域。

实施例1

一种降低死区面积的钙钛矿电池结构，如图5所示，包括导电玻璃106，导电玻璃106上表面设有若干个导电块108，导电块108之间填充有钙钛矿层104，导电块108上设有核心块109，核心块109的侧壁上设有氮化硅壁，核心块109上部及氮化硅壁之间设有金属电极401；导电块108由下至上包括导电层105和氧化镍层107；核心块109由下至上包括钙钛矿层104和电荷传输层103。

制备所述钙钛矿电池结构的激光划线方法，如图1～4所示，包括如下步骤：

步骤1)如图1所示，在导电玻璃106上沉积氧化镍层107，而后进行激光P1刻线，将导电层105分成所需要的相同面积的尺寸大小。第一刻线槽102的宽度为30微米。同时需要激光器在玻璃的一角刻画mask点，以便后续激光刻线的定位。

步骤2)通过刮涂或者狭缝涂布等工艺制备钙钛矿层104，然后通过真空蒸镀等方法在钙钛矿层104上沉积电荷传输层103。

步骤3)在电荷传输层103上进行激光P2刻线，第二刻线槽101的宽度为70微米，第二刻线槽101和第一刻线槽102刻线槽之间的间距为30微米，第二刻线槽101的刻线位置通过mask点定位，具有极高的精确度。

步骤4)采用射频板式直接法PECVD设备在电荷传输层上沉积厚度为400nm的致密氮化硅层201，工艺温度控制在150℃，如图2所示。

步骤5)通过mask点定位刻蚀区域，首先将用作金属电极沉积的区域全部刻蚀掉。将第二刻线槽101中心位置30微米的氮化硅层刻蚀掉，使第二刻线槽101的两侧各保留20微米宽的氮化硅壁，氮化硅壁包括第一氮化硅板301和第二氮化硅板302，所述第一氮化硅板301的顶端与核心块109平齐，所述第二氮化硅板302的顶端位于核心块109的上方；且用于分割金属电极的第二氮化硅板302保留氮化硅层201的原有高度不进行刻蚀，如图3所示。

步骤6)通过真空蒸镀等方法在经过步骤5)处理后的电池上沉积金属电极401，该金属电极401的厚度为250nm，如图4所示。

步骤7)用激光器通过mask定位，将第二氮化硅板302上高于金属电极401的部分刻蚀，使第二氮化硅板302的顶端与金属电极401平齐，如图5所示。

实施例2

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为420nm；金属电极层401的厚度为400nm。第一刻线槽102的宽度为28μm；所述第二刻线槽101的宽度为69μm。P3刻线区的宽度为28μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为21μm。

实施例3

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为410nm；金属电极层401的厚度为350nm。第一刻线槽102的宽度为29μm；所述第二刻线槽101的宽度为69μm。P3刻线区的宽度为28μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为21μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在130℃。

实施例4

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为415nm；金属电极层401的厚度为250nm。第一刻线槽102的宽度为31μm；所述第二刻线槽101的宽度为70μm。P3刻线区的宽度为32μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为19μm。

实施例5

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为419nm；金属电极层401的厚度为300nm。第一刻线槽102的宽度为32μm；所述第二刻线槽101的宽度为70μm。P3刻线区的宽度为29μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为20.5μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在100℃。

实施例6

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为418nm；金属电极层401的厚度为290nm。第一刻线槽102的宽度为28μm；所述第二刻线槽101的宽度为70μm。P3刻线区的宽度为31μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为19.5μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在145℃。

实施例7

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为412nm；金属电极层401的厚度为255nm。第一刻线槽102的宽度为32μm；所述第二刻线槽101的宽度为71μm。P3刻线区的宽度为32μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为19μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在148℃。

实施例8

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为405nm；金属电极层401的厚度为252nm。第一刻线槽102的宽度为28μm；所述第二刻线槽101的宽度为71μm。P3刻线区的宽度为28μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为21μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在142℃。

实施例9

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为419nm；金属电极层401的厚度为280nm。第一刻线槽102的宽度为29μm；所述第二刻线槽101的宽度为71μm。P3刻线区的宽度为31μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为19.5μm。

实施例10

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为420nm；金属电极层401的厚度为290nm。第一刻线槽102的宽度为30μm；所述第二刻线槽101的宽度为71μm。P3刻线区的宽度为29μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为20.5μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在125℃。

实施例11

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

氮化硅层201的厚度为405nm；金属电极层401的厚度为260nm。第一刻线槽102的宽度为31μm；所述第二刻线槽101的宽度为70μm。P3刻线区的宽度为29μm，第一氮化硅板301和第二氮化硅板302的厚度均为20.5μm。氮化硅层201的沉积过程中，温度在132℃。

需要说明的是，上述实施例中使用的金属电极由铝、铜、银或金制备而成；导电玻璃为ITO玻璃或FTO玻璃；电荷传输层为富勒烯C60；钙钛矿电池结构为正式钙钛矿电池结构或反式钙钛矿电池结构。导电玻璃的厚度为1～3mm，其中的导电层一般在几十纳米到二百多纳米。氧化镍层的厚度为20-50nm，电荷传输层的厚度为20-50nm，钙钛矿层的厚度为400-700nm，实施例中选用的钙钛矿层为常用的钙钛矿层，主要成分是甲氨铅碘(CH₃NH₃PbI₃)。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种制备钙钛矿电池结构的激光划线方法，基于一种降低死区面积的钙钛矿电池结构，电池结构包括导电玻璃（106），导电玻璃（106）上表面设有若干个导电块（108），导电块（108）之间填充有钙钛矿层（104），导电块（108）上设有核心块（109），核心块（109）的侧壁上设有氮化硅壁，核心块（109）上部及氮化硅壁之间设有金属电极（401）；导电块（108）由下至上包括导电层（105）和氧化镍层（107）；核心块（109）由下至上包括钙钛矿层（104）和电荷传输层（103）；所述氮化硅层（201）的厚度为400~420nm；所述金属电极层（401）的厚度最大为400nm；所述金属电极层（401）的厚度为250~300nm；所述金属电极（401）由铝、铜、银或金制备而成；所述导电玻璃（106）为ITO玻璃或FTO玻璃；所述电荷传输层（103）为富勒烯C60；所述钙钛矿电池结构为正式钙钛矿电池结构或反式钙钛矿电池结构，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）导电玻璃（106）上设有导电层（105），在导电层（105）上沉积氧化镍（107），之后进行激光P1刻线，从氧化镍层（107）刻至导电层（105），直至裸露导电玻璃（106），使得导电玻璃（106）上形成若干个相互独立的导电块（108），若干个导电块（108）之间具有第一刻线槽（102）；

步骤2）在步骤1）P1刻线后的导电块（108）和第一刻线槽（102）上制备钙钛矿层（104），之后在钙钛矿层（104）上沉积电荷传输层（103），然后进行激光P2刻线，从电荷传输层（103）刻至钙钛矿层（104），直至导电块上的氧化镍层（107）裸露，使得氧化镍层（107）上形成若干个相互独立的核心块（109），若干个核心块（109）之间具有第二刻线槽（101）；

步骤3）在步骤2）P2刻线后的核心块（109）和第二刻线槽（101）上沉积氮化硅层（201），之后在氮化硅层（201）上选定金属电极沉积区，金属电极沉积区延伸至第二刻线槽（101）的底部，然后将选定的金属电极沉积区全部刻蚀，刻蚀后第二刻线槽（101）的侧边固定有氮化硅壁，最后在金属电极沉积区上沉积金属电极（401），得到降低死区面积的钙钛矿电池结构；

步骤3）的具体操作为：

步骤31）在步骤2）P2刻线后的核心块（109）和第二刻线槽（101）上沉积氮化硅层（201），之后在氮化硅层（201）上选定金属电极沉积区，将选定的金属电极沉积区全部刻蚀；

步骤32）在第二刻线槽（101）内选择P3刻线区进行刻线；P3刻线区的两侧为氮化硅壁，氮化硅壁包括第一氮化硅板（301）和第二氮化硅板（302），所述第一氮化硅板（301）的顶端与核心块（109）平齐，所述第二氮化硅板（302）的顶端位于核心块（109）的上方；

步骤33）然后在金属电极沉积区和刻线后的P3刻线区沉积金属电极（401），第二氮化硅板（302）将沉积的金属电极（401）分割；

步骤34）将第二氮化硅板（302）上高于金属电极（401）的部分刻蚀，使第二氮化硅板（302）的顶端与金属电极（401）平齐。

2.根据权利要求1所述的激光划线方法，其特征在于，所述P3刻线区的宽度为28~32μm，第一氮化硅板（301）和第二氮化硅板（302）的厚度均为19~21μm。

3. 根据权利要求1所述的激光划线方法，其特征在于，所述第一刻线槽（102）的宽度为28~32 μm；所述第二刻线槽（101）的宽度为69~71μm；第二刻线槽（101）与第一刻线槽（102）水平方向的距离为28~32μm。

4.根据权利要求1所述的激光划线方法，其特征在于，所述激光P1刻线前，在导电玻璃（106）上刻画mask点。

5.根据权利要求1所述的激光划线方法，其特征在于，所述氧化镍层（107）通过磁控溅射的方法沉积；所述金属电极（401）通过真空蒸镀方法沉积；所述钙钛矿层（104）通过刮涂或者狭缝涂布方法制备而成；所述氮化硅层（201）通过射频板式直接法沉积，氮化硅层（201）的沉积过程中，温度在150℃以下。