CN112687828A - 一种钙钛矿太阳能电池封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池封装方法，其特点是采用气体阻挡层、粘结层和保护层组成的叠层封装结构，对太阳能电池组件进行整体包裹封装或太阳能电池组件中的有效工作区进行局部包裹封装。本发明与现有技术相比具有根据不同的太阳能电池组件进行不同的封装，有效避免了封装胶与电极部分接触导致水氧通过间隙进入封装空间，减少电池中水氧的含量，提高电池效率，操作简易，低温操作，且对设备的要求低，封装成本低，封装效果好，进一步提高了钙钛矿电池的稳定性和使用寿命，是一种实用、高效、普适的太阳能电池封装方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体的说是一种钙钛矿太阳能电池封装方法。
背景技术
自2009年后的十一年里，钙钛矿太阳能电池因其卓越的优点脱颖而出，钙钛矿电池制备简单，转换效率高，使其成为新一代光伏器件的理想吸光材料，具有良好的商业化前景和极大的市场价值。自钙钛矿太阳能电池被发明以来，转换效率不断突破。目前已获得了超过25%的光电转换效率，大幅降低了太阳能电池的使用成本。但是钙钛矿太阳能电池也存在一些问题待解决，要实现商业化必须要让钙钛矿太阳能电池在日常使用环境中长时间稳定运行，而钙钛矿太阳能电池长期暴露在空气中，就极易受到空气中的水氧侵蚀，其光电转换效率会因此极大地降低，所以钙钛矿太阳能电池在环境中的稳定性有待提高，因此钙钛矿太阳能电池实际应用前需进行封装。钙钛矿太阳能电池主要由透明导电层、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层和背电极组成，其中可以在界面进行修饰或者参杂来减少能级势垒和表面缺陷，提高效率。目前，提高钙钛矿太阳能电池稳定性的问题亟待解决。
现有技术的钙钛矿电池存在着电极腐蚀，以致钙钛矿器件的效率衰减，影响钙钛矿电池的稳定性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种钙钛矿太阳能电池封装方法，采用叠层结构的低温热封装方法，阻水性能和抗氧化性能得到进一步提高，有效解决了钙钛矿电池的效率衰减，并可根据不同的太阳能电池组件进行不同的封装，可以有效的减少电池中水氧的含量，提高电池效率，操作简易，低温操作，且对设备的要求低，封装成本低，封装效果好，在实际使用中可以根据所需不同种的太阳能电池组件，选择不同的封装方案，具有很强灵活性和可操作性，大大提高钙钛矿太阳能电池在日常使用环境下的稳定性，结构简单，制作方便，整个封装的钙钛矿太阳能电池是一个三明治结构，封装层采用低温热封装，最大程度的保证了密封性，进一步提高了钙钛矿电池的稳定性和使用寿命，是一种实用、高效、普适的太阳能电池封装方法。
实现本发明的具体技术方案是：一种钙钛矿太阳能电池封装方法，包括设置在衬底上的太阳能电池组件，其特点是采用气体阻挡层、粘结层和保护层组成的叠层封装结构，对太阳能电池组件进行整体包裹封装或太阳能电池组件中的有效工作区进行局部包裹封装，所述气体阻挡层、粘结层和保护层为依次设置在太阳能电池组件上的叠层封装结构；所述保护层和衬底为玻璃或柔性塑料薄膜；所述粘结层为有机聚合物低温热熔薄膜；所述气体阻挡层为石蜡或松香，熔融石蜡或松香能有效地隔绝有机聚合物在包覆过程中所含的水分和氧气，且不会对电池的性能造成不利的影响使电池更具有稳定性；所述粘结层为EVA、POE、PU、EVA、TPU、PS、PO、PA或PES有机聚合物热熔胶，其溶解温度为50~100℃，这种无溶剂的有机聚合物被用作封装层应具有成本低、透明性高，稳定性好，延展性好，易于制造。最重要的是，它对钙钛矿具有惰性，不对钙钛矿造成不利的影响，对环境的气氛有很好的抵抗性。
所述太阳能电池组件为介观型钙钛矿太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池或有机太阳能电池，优选反置结构的钙钛矿太阳能电池。
所述钙钛矿太阳能电池组件选用：导电玻璃基底、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、金属背电极；所述导电玻璃基底上旋涂空穴传输层；所述空穴传输层顶面旋涂钙钛矿吸收层；所述钙钛矿吸收层顶面旋涂电子传输层；所述电子传输层顶面设置金属电极；所述钙钛矿太阳能电池组件上设置叠层结构的封装层；所述封装层顶面设置保护层；所述金属背电极可根据实际所选采用不同材。
所述粘结层优选EVA胶，其封装厚度为100~1000nm；所述保护层优选普通玻璃，其覆盖层厚度为0.2~0.5mm；所述气体阻挡层优选56#全精炼颗粒石蜡。
本发明的封装温度，压力，加热时间，冷却时间等参数对提高封装的稳定性密切相关，封装时的参数如封装层的加热温度、加热时间、各层薄膜厚度等可根据需要进行调整，具体制备包括如下步骤：
步骤一：将层压机放到加热板之上，将玻璃盖板（保护层）放在层压机中，将热板的温度调到50~100℃之间，在玻璃盖板上放入微量的固体石蜡或松香粉末（气体阻挡层）且在玻璃盖板上均匀摊开，加热数分钟待其完全融化。
步骤二：将层压机加热板升温加热后，待石蜡或松香融化将封装胶（粘结层）紧密的贴在玻璃盖板的粘结层之上，将热板的温度保持在50~100℃之间，加热数分钟，待封装胶可以紧密贴在玻璃盖板上。
步骤三：基于步骤二将少量的石蜡或松香粉末均匀的放在封装胶之上，在5~100℃之间加热数分钟，待石蜡或松香粉末融化后进行下述步骤四。
步骤四：将太阳能电池组件正面的四个工作单元放在玻璃盖板和封装胶之上，在50~100℃之间保持挤压数分钟，然后从加热板取出，冷却至室温，在该操作下，封装层可完全填满电池模块和底部衬底之间的缝隙，并与基板结合牢固，不会出现气泡、脱层等现象，实现理想的封装效果。
本发明与现有技术相比具有如下技术效果：
（1）发明设计的封装电池能够有效阻挡水氧对钙钛矿电池的影响，增加了钙钛矿电池在空气中使用的有效时长；
（2）本发明设计的粘结层和气体阻挡层通过低温热熔封装工艺将粘结层和阻挡层熔为一体形成具有粘结和阻挡双重功能的复合层，进一步地该结构封装组件具有更好的阻水效果。
（3）本发明设计的封装方法，操作简易，低温操作对设备的要求低，封装成本低，且效果较好。
附图说明
图1为本发明封装的钙钛矿太阳能电池的剖面结构示意图；
图2为本发明封装的钙钛矿太阳能电池的正面结构示意图。
具体实施方式
参阅附图1~图2，本发明采用气体阻挡层3、粘结层2和保护层1组成的叠层封装结构，对太阳能电池组件4进行整体包裹封装或太阳能电池组件4中的有效工作区进行局部包裹封装，其具体制备包括如下步骤；
步骤一：钙钛矿太阳能电池通过一步法在衬底5上制得。
步骤二：将层压机放到加热板之上，将玻璃盖板1（保护层）放在层压机中，将热板的温度调到50~100℃之间，在玻璃盖板1上放入少量固体石蜡或松香粉末3（气体阻挡层）且均匀摊开。
步骤三：将层压机加热板升温加热后，待石蜡或松香粉末融化将封装胶2（粘结层）紧密的贴在玻璃盖板1之上，将热板的温度保持在50~100℃之间，加热几分钟，待封装胶2紧密贴在玻璃盖板1上后执行下述步骤四；
步骤四：基于上述步骤二将少量的固体石蜡或松香粉末3均匀的放在封装胶2之上，保持在50~100℃之间加热几分钟，待固体石蜡或松香粉末3（气体阻挡层）融化后进行下述步骤五。
步骤五：将钙钛矿太阳能电池组件4正面的四个工作单元6放在气体阻挡层3之上，在50~100℃之间保持挤压几分钟，然后从加热板取出，冷却至室温。
通过上述操作，封装层可完全填满电池模块和底部衬底之间的缝隙，并与基板结合牢固，不会出现气泡、脱层等现象，实现理想的封装效果。
以下分别以MAPbI3、CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的封装为例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
参阅附图1，太阳能电池组件4采用MAPbI3钙钛矿，包括FTO层（透明导电层）、空穴传输层、电子传输层、 MAPbI3钙钛矿层、空穴传输层、金属背电极，电池封装组件包括：玻璃盖板1（保护层）、EVA封装胶2（粘结层）、石蜡3（气体阻挡层）和衬底5，其封装具体步骤如下：
步骤一：通过一步法制备钙钛矿太阳能电池。
步骤二：在衬底5上设置钙钛矿太阳能电池组件4， 钙钛矿太阳能电池组件4上方的气体阻挡层3选用石蜡，EVA封装胶2位于气体阻挡层3的石蜡之上。
步骤三：将层压机放到加热版之上，将玻璃盖板1放在层压机中，将热板的温度调到50~100℃之间，加热数分钟，将EVA封装胶2紧密的贴在玻璃盖板1上且要均匀摊开。
步骤四：放入少量的固体石蜡粉末在EVA封装胶2上均匀摊开，加热板继续在50~100℃之间加热数分钟，待石蜡融化后进行下述步骤五。
步骤五：将钙钛矿太阳能电池组件4正面的四个工作单元放在EVA封装胶2之上，在50~100℃ 之间保持挤压数分钟，然后从加热板取出，冷却至室温。
实施例2
参阅附图1，太阳能电池组件4采用CsPbI2Br钙钛矿，本实施例利用CsPbI2Br钙钛矿层替换实施例1中的MAPbI3钙钛矿层，电池结构与实施例1相同。电池封装组件包括：玻璃盖板1（保护层）、POE封装胶2（粘结层）、石蜡3（气体阻挡层）和衬底5，其具体封装过程与实施例1相同。
实施例3
参阅附图1，太阳能电池组件4采用MAPbI3钙钛矿，本实施例利用两步法制备MAPbI3钙钛矿层（钙钛矿吸光层），电池结构与实施例1相同。电池封装组件包括：玻璃盖板1（保护层）、PO封装胶2（粘结层）、56#全精炼颗粒石蜡石蜡3（气体阻挡层）和衬底5，其具体封装过程与实施例1相同。
上述各实施例封装的钙钛矿太阳能电池在空气暴露200小时后，填充因子，光电转换效率都没有明显地下降，反而略有提升，证明采用本发明封装的电池结构具有较佳的阻水性能，且封装方法没有对钙钛矿太阳能电池造成破坏。通过与未封装的钙钛矿太阳能电池对比，经过封装的钙钛矿太阳能电池在空气中暴露其性能依然会保持得和初始状态一样的光电转换效率且有的电池效率还略有提升，证明了本发明的封装电池结构具有绝佳的阻隔水氧的性能，可明显提高钙钛矿太阳能电池在日常使用环境下得稳定性，且在封装过程中还可以去除电池中的水氧含量。而未采用本发明封装的钙钛矿太阳能电池在空气暴露200小时后，填充因子和光电转换效率都有显著的下降，说明未经过封装的钙钛矿太阳能电池在空气中暴露其性能会稳定的衰减。实验证实在空气中暴露200小时后的封装与未封的装钙钛矿太阳能电池效率上有明显的差异，其中封装之后的电池在空气中暴露200小时后仍能保持初始效率近100%效率，有一部分的电池经过封装后其效率比初始效率还要高，而未经封装的电池效率衰减到了初始效率的60~70%。存放环境室内为湿度65~80之间，温度为25℃左右，暴露于空气中。
本发明可以使太阳能电池在高湿度、高氧浓度的环境中稳定运行至少200小时以上，其效率可以保持在初始效率的99%以上。在这里可以得出结论经过封装的钙钛矿太阳能电池在空气中暴露其性能依然会保持得和初始状态一样且光电转换效率还略有提升，证明了本发明的封装电池结构具有绝佳的阻水氧性能，可明显提高钙钛矿太阳能电池在日常使用环境下得稳定性。
本发明设计了一种可针对于各种钙钛矿太阳能电池器件结构的封装方法，无论是对有效工作区域的封装还是扩大到整个组件的封装又或者是对串联电池的封装本发明都极其有效，不仅可以灵活改变封装的可接触面积以保证不同电池结构有良好的封装效果，同时可有效避免封装材料以及封盖玻璃对钙钛矿薄膜的破坏。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种钙钛矿太阳能电池封装方法，包括设置在衬底上的太阳能电池组件，其特征在于采用气体阻挡层、粘结层和保护层组成的叠层封装结构，对太阳能电池组件进行整体包裹封装或太阳能电池组件中的有效工作区进行局部包裹封装，所述气体阻挡层、粘结层和保护层为依次设置在太阳能电池组件上的叠层封装结构；所述保护层和衬底为玻璃或柔性塑料薄膜；所述粘结层为有机聚合物低温热熔薄膜；所述气体阻挡层为石蜡或松香的低温热熔薄膜。
2.根据权利要求1所述钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于所述粘结层和气体阻挡层采用低温热熔封装工艺将粘结层和阻挡层熔为一体，形成具有粘结和阻挡双重功能的复合层。
3.根据权利要求1所述钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于所述太阳能电池组件为介观型钙钛矿太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池或有机太阳能电池。
4.根据权利要求1所述钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于所述粘结层为EVA、POE、PU、EVA、TPU、PS、PO、PA或PES有机聚合物热熔胶，其溶解温度为50~100℃。
5.根据权利要求1所述钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于所述气体阻挡层填充在太阳能电池组件与封装胶之间的毛细空隙，以及保护层与封装胶之间毛细空隙。
6.根据权利要求1所述钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于所述整体包裹封装的背电极采用导电性良好的金属导线或金属箔片引出，其引出端子与背电极的连接处采用密封材料封装保护。
7.根据权利要求1所述钙钛矿太阳能电池封装方法，其特征在于所述叠层封装结构为太阳能电池组件上依次设置气体阻挡层、粘结层和保护层的封装结构、太阳能电池组件上依次设置气体阻挡层、粘结层气体阻挡层、粘结层和保护层的封装结构、太阳能电池组件上依次设置粘结层气体阻挡层和保护层的封装结构或根据使用环境进行粘结层、气体阻挡层和保护层不同组合的封装结构。
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