CN112909179A

CN112909179A - 一种钙钛矿太阳电池的封装方法

Info

Publication number: CN112909179A
Application number: CN202110085053.8A
Authority: CN
Inventors: 李跃龙; 李佳乐
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳电池的封装方法，属于太阳电池技术领域。该封装方法包括如下步骤1)清洗衬底；2)在导电薄膜上制备电子传输层；3)在电子传输层上制备钙钛矿吸收层；4)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；5)在导电薄膜边缘和空穴传输层上制备金属电极；6)在电池表面覆盖薄膜封装材料；7)在电池边缘覆盖边缘密封材料；8)在薄膜封装材料上覆盖盖板；9)在加热设备中加热并施加一定压力使封装材料充分熔融。本发明公开的钙钛矿太阳电池封装方法可以完全避免钙钛矿太阳电池暴露于水、氧等环境发生的降解，提高基于钙钛矿材料的单结或叠层太阳电池的稳定性，加速钙钛矿太阳电池商业化进程。

Description

一种钙钛矿太阳电池的封装方法

技术领域

本发明涉及太阳电池，特别是一种基于钙钛矿材料的单结或叠层太阳电池的封装方法。

技术背景

近年来，化石能源日益枯竭以及化石能源燃烧带来的环境问题备受关注，因此开发可再生的清洁能源势在必行。太阳能作为可再生的、清洁的、用之不竭的新能源被寄予厚望，而低成本、高效率的太阳电池是利用太阳能最直接的方式之一，是新能源领域的研究热点。

有机/无机金属卤化物钙钛矿太阳电池2009年才出现，当时效率仅为3.8％，但仅用短短十年时间其效率已经达到25.5％，而且可以采用低成本的溶液法来制备，在高效率和低成本方面具有巨大的潜力。但是由于钙钛矿材料及器件对水、氧等因素敏感，导致其在空气中性能大幅度衰减，限制了钙钛矿太阳电池的商业化应用。为了克服这一问题，急需解决钙钛矿太阳电池的封装工艺，使钙钛矿太阳电池在使役条件下高效稳定地工作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种有效的钙钛矿太阳电池封装方法，该方法通过合理的衬底，廉价方便的热熔胶覆盖膜和边缘密封材料来对电池进行封装，实现了大气环境下和极端测试条件下钙钛矿太阳电池器件效率的稳定。本发明主要通过使用对钙钛矿材料惰性的共聚酯(PES)、醋酸丙烯酸共聚物(EAA)、聚氨酯(PU)、聚烯烃(PO)和聚酰胺(PA)等热熔胶搭配环氧树脂、聚异丁烯(PIB)、有机硅胶等低水蒸气渗透率的边缘密封材料来有效封装电池，有效阻隔电池中的钙钛矿材料与外界水氧接触，从而有效提高电池的稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钙钛矿太阳电池的封装方法，其结构特征在于自下到上包括：其特征在于其结构自下到上包括：1)衬底；2)透明导电氧化物薄膜；3)电极；4)边缘封装材料；5)电子传输层；6)钙钛矿吸收层；7)空穴传输层；8)薄膜封装材料；9)盖板。衬底与盖板可以但不局限于玻璃、金属、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、及其衍生物等柔性或刚性，衬底厚度为0.7mm-3mm，盖板厚度为0.5mm-4mm。透明导电氧化物薄膜可以但不局限于采用氧化铟锡(ITO)、掺铝的氧化锌(AZO)、掺铟的氧化锌(IZO)、掺氟的氧化锡(FTO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟铈(ICO)、Ag纳米线的一种或多种，厚度一般为100-400nm，且透明导电氧化物薄膜通过激光刻蚀或者绝缘材料填充等方式进行相互隔断；电子传输层可以但不局限于二氧化锡(SnO₂)、二氧化钛(TiO₂)、金属酞菁分子材料、氧化锌(ZnO)、聚苯乙烯磺酸盐(如PSSA)、氧化锌锡、富勒烯衍生物(如PCBM)、聚(3-己基噻吩-2，5-二基)、石墨烯、富勒烯等化合物及其衍生物中的一种或者多种，厚度一般为5-500nm；空穴传输层采用聚[双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺](PTAA)、2，2'，7，7'-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、氧化镍(NiO_x)、氧化钼(MoO_x)、氧化钨(WO_x)、五氧化二钒(V₂O₅)、硫氰酸亚铜(CuSCN)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(如PEDOT:PSS)、硫氰化铜、碘化亚铜、硫化锌、二硫化钥、氧化铬、氧化钥、聚乙烯咔唑、4-丁基-N，N-二苯基苯胺均聚物(Poly-TPD)、2，3，5，6-四氟-7，7'，8，8'-四氰二甲基对苯醌等中的一种或者多种，厚度一般为5-500nm；；钙钛矿吸收层包括多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX₃结构钙钛矿材料，其中A位阳离子为MA⁺、FA⁺、Cs⁺等烷基胺、烷基脒和碱金属元素中的一种或多种，B位阳离子为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Sb²⁺、Bi³⁺等分布在第四、第五和第六等主族元素中的一种或多种或Ag⁺、Cu²⁺等分布在第一副族元素中的一种或多种，X位阴离子为Cl^-、Br^-、I^-等卤素元素中的一种或多种，吸收层厚度一般为100nm-800nm。

上述钙钛矿太阳电池的封装结构，其特征在于在钙钛矿太阳电池表面覆盖对钙钛矿惰性的热熔胶材料，该材料可以但不局限于共聚酯(PES)、醋酸丙烯酸共聚物(EAA)、聚氨酯(PU)、聚烯烃(PO)和聚酰胺(PA)等热熔胶；边缘密封材料可以但不局限于环氧树脂、聚异丁烯(PIB)、有机硅胶等低水蒸气渗透率的绝缘密封材料以隔绝外界环境，且封装过程中所使用的边缘封装材料和薄膜封装材料应当在60-150℃温度下5-30分钟内得到流体溶胶；所使用的加热设备可以但不局限于压烫机、复合机、高周波、层压机、加热台中的一种或多种。

上述钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于其制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备良好导电性的薄膜；3)形成相互隔断的导电薄膜；4)在导电薄膜制备电子传输层；5)在电子传输层上制备钙钛矿吸收层；6)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；7)在导电薄膜边缘和空穴传输层上制备金属电极；8)在电池表面覆盖薄膜封装材料，在电池边缘覆盖封装密封材料；9)在薄膜封装材料上覆盖盖板；10)在加热设备中加热使封装材料充分熔融。对于反式钙钛矿太阳电池的封装顺序可以对调上述过程中4)和6)步骤。

上述钙钛矿太阳电池的封装方法，衬底采用超声波和电子清洗液清洗；良好导电性的薄膜采用蒸发或溅射等方法制备；利用激光刻蚀或化学腐蚀等方法形成导电薄膜的隔断；利用旋涂、蒸发、溅射或电沉积法在导电上制备电子传输层；利用蒸发、旋涂或化学气相沉积等方法在电子传输层上制备多晶态钙钛矿吸收层，或者采用溶液限域法等方法制备单晶态钙钛矿吸收层；采用旋涂、蒸发、化学气相沉积、物理气相沉积等方法制备空穴传输层；利用热蒸发或丝网印刷等方法制备在导电薄膜边缘和空穴传输层上金属电极；薄膜封装材料放置于空穴传输层上，边缘封装材料放置于钙钛矿太阳电池边缘；盖板放置于薄膜封装材料上。通过加热设备将各层紧密结合。

本发明的有益效果是：本发明采用的边缘封装与薄膜封装相结合的工艺不仅可以隔绝钙钛矿太阳电池与外界环境，而且抑制了分解产物的释放，确保其内部是热力学封闭系统，从而显著提高基于钙钛矿材料的单结或叠层太阳电池的稳定性。该封装方法同样适用于其他基于钙钛矿材料的光电器件，如发光二极管(LED)，光电探测器，激光器等。

附图说明

图1是本发明提供的一种钙钛矿太阳电池的封装结构示意图。

图2是本发明提供的一种钙钛矿太阳电池封装方法的封装流程示意图。其中，a.清洗并准备衬底，b.制备良好导电性的薄膜，c.形成相互隔断的导电薄膜，d.在导电薄膜上制备电子传输层，e.在电子传输层上制备钙钛矿吸收层，f.在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，g.在导电薄膜边缘和空穴传输层上制备金属电极，h.在电池表面覆盖薄膜封装材料，在电池边缘覆盖边缘密封材料，i.在薄膜封装材料上覆盖盖板，j.在加热设备中加热加压使封装材料充分熔融并贴合。

图3是基于本发明的一种变形，一种导电衬底的钙钛矿太阳电池的封装结构示意图。

图4是基于本发明的一种变形，一种导电衬底的钙钛矿太阳电池封装方法的封装流程示意图。其中，a.清洗并准备衬底，b.在衬底上制备电子传输层，c.在电子传输层上制备钙钛矿吸收层，d.在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，e.在电池边缘覆盖边缘密封材料，f.在衬底边缘和空穴传输层上制备金属电极，g.在电池表面覆盖薄膜封装材料h.在薄膜封装材料上覆盖盖板，i.在加热设备中加热加压使封装材料充分熔融并贴合。

图5是基于本发明的一种变形，一种反式钙钛矿太阳电池的封装结构示意图。

图6是基于本发明的一种变形，一种反式钙钛矿太阳电池封装方法的封装流程示意图。其中，a.清洗并准备衬底，b.制备良好导电性的薄膜，c.形成相互隔断的导电薄膜，d.在导电薄膜上制备空穴传输层，e.在空穴传输层上制备钙钛矿吸收层，f.在钙钛矿吸收层上制备电子传输层，g.在导电薄膜边缘和电子传输层上制备金属电极，h.在电池表面覆盖薄膜封装材料，在电池边缘覆盖边缘密封材料，i.在薄膜封装材料上覆盖盖板，j.在加热设备中加热加压使封装材料充分熔融并贴合。

图7是基于本发明的一种变形，一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的封装结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优势更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明，但所描述的实施例仅为本发明所有可能实施例中的一部分，并不限于此。

一种钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于其制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备良好导电性的薄膜；3)形成相互隔断的导电薄膜；4)在导电薄膜制备电子传输层；5)在电子传输层上制备钙钛矿吸收层；6)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；7)在导电薄膜边缘和空穴传输层上制备金属电极；8)在电池表面覆盖薄膜封装材料，在电池边缘覆盖封装密封材料；9)在薄膜封装材料上覆盖盖板；10)在加热设备中加热加压使封装材料充分熔融并贴合。

实施例1

1)采用玻璃作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图2a；

2)采用磁控溅射法制备厚度150nm的ITO薄膜，如图2b；

3)采用激光刻蚀在ITO薄膜上形成中间隔断，形成正电极和负电极，电极之间间隔5mm，如图2c；

4)采用掩膜版蒸发沉积法在右侧ITO薄膜上制备电子传输层，如SnO₂，厚度50nm，如图2d；

5)采用两步蒸发沉积法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度800nm，如图2e；

6)采用掩膜版蒸发沉积法在多晶态钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，如Spiro-MeOTAD，厚度200nm，如图2f；

7)采用热蒸发法在空穴传输层上以及ITO边缘蒸发Au金属，厚度100nm，如图2g；

8)在钙钛矿太阳电池上放置PU热熔胶，厚度为0.5mm，在钙钛矿太阳电池边缘放置PIB丁基橡胶，宽度为8mm，厚度为0.8mm，如图2h；

9)在钙钛矿太阳电池上方放置玻璃盖板，如图2i；

10)使用压烫机在0.3MPa，95℃的条件下压烫10分钟，如图2j。

实施例2

1)采用PEN作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图2a；

2)采用磁控溅射法制备厚度200nm的IZO薄膜，如图2b；

3)采用激光刻蚀在FTO薄膜上形成中间隔断，形成正电极和负电极，电极之间间隔5mm，如图2c；

4)采用溶液旋涂法在右侧FTO薄膜上制备电子传输层，如SnO₂，厚度50nm，如图2d；

5)采用溶液旋涂法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度500nm，如图2e；

6)采用溶液旋涂法在多晶态钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，如PTAA，厚度100nm，如图2f；

7)采用电子束蒸发法在空穴传输层上以及ITO边缘制备Au金属，厚度80nm，如图2g；

8)在钙钛矿太阳电池上放置PO热熔胶，厚度为0.5mm，在钙钛矿太阳电池边缘放置PIB丁基橡胶，宽度为8mm，厚度为0.8mm，如图2h；

9)在钙钛矿太阳电池上方放置PEN盖板，如图2i；

10)使用层压机在0.3MPa，95℃的条件下压烫10分钟，如图2j。

实施例3

1)采用PET作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图2a；

2)采用磁控溅射法制备厚度350nm的AZO薄膜，如图2b；

3)采用激光刻蚀在AZO薄膜上形成中间隔断，形成正电极和负电极，电极之间间隔5mm如图2c；

4)采用电化学沉积在AZO右侧薄膜上制备电子传输层，如SnO₂，厚度20nm，如图2d；

5)采用溶液法制备单晶态钙钛矿吸收层，厚度100μm，如图2e；

6)采用电化学沉积法在单晶态钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，如NiO_x，厚度20nm，如图2f；

7)采用热蒸发法在空穴传输层上以及AZO边缘制备Au金属，厚度100nm，如图2g；

8)在钙钛矿太阳电池上放置PA热熔胶，厚度为0.5mm，在钙钛矿太阳电池边缘放置PIB丁基橡胶，宽度为8mm，厚度为0.8mm，如图2h；

9)在钙钛矿太阳电池上方放置PET盖板，如图2i；

10)使用高周波在0.4MPa，90℃的条件下烫贴10分钟，如图2j。

实施例4

1)采用金属作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图4a；

2)采用旋涂法在金属上制备电子传输层，如SnO₂，厚度50nm，如图4b；

3)采用旋涂法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度800nm，如图4c；

4)采用旋涂法在多晶态钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，如PTAA，厚度150nm，如图4d；

5)在钙钛矿太阳电池边缘放置PIB丁基橡胶，宽度为8mm，厚度为0.8mm，如图4e；

6)采用热蒸发法在空穴传输层上制备Ag金属栅线并通过焊带引出，如图4f；

7)在钙钛矿太阳电池上放置PA热熔胶，厚度为0.5mm，如图4g；

8)在钙钛矿太阳电池上方放置玻璃盖板，如图4h；

9)使用高周波在0.4MPa，90℃的条件下烫贴10分钟，如图4i。

实施例5

1)采用玻璃作为衬底，并采用超声波和电子清洗液对其进行清洗，如图6a；

2)采用磁控溅射法制备厚度180nm的ITO薄膜，如图6b；

3)采用激光刻蚀在ITO薄膜上形成中间隔断，形成正电极和负电极，电极之间间隔5mm，如图6c；

4)采用溶液旋涂法在右侧ITO薄膜上制备空穴传输层，如PTAA，厚度50nm，如图6d；

5)采用溶液旋涂法制备多晶态钙钛矿吸收层，厚度500nm，如图6e；

6)采用溶液旋涂法在多晶态钙钛矿吸收层上制备电子传输层，如PCBM，厚度60nm，如图6f；

7)采用热蒸发法在电子传输层上以及ITO边缘蒸发Cu金属，厚度80nm，如图6g；

8)在钙钛矿太阳电池上放置厚度为0.5mm的PU热熔胶，在钙钛矿太阳电池边缘放置PIB丁基橡胶，宽度为8mm，厚度为0.8mm，如图6h；

9)在钙钛矿太阳电池上方放置玻璃盖板，如图6i；

10)使用层压机在0.65MPa，95℃的条件下压烫10分钟，如图6j。

实施例6

1)采用玻璃作为衬底；

2)放置钙钛矿/晶硅叠层太阳电池；

3)使用焊带引出电极；

4)在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池边缘放置边缘密封材料SET LP03丁基橡胶，宽度为10mm，厚度为0.8mm；

5)在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池表面放置薄膜密封材料EAA热熔胶，厚度为0.7mm；

6)在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池上方放置玻璃盖板；

7)使用层压机在0.4MPa，100℃的条件下压烫10分钟。

综上所述，本发明提供了一种钙钛矿太阳电池的封装方法，通过优化封装结构和工艺，可以有效避免钙钛矿太阳电池与外界环境中的氧气、水接触，还可以抑制了分解产物的释放，确保其内部是热力学封闭系统，提高基于钙钛矿材料的单结或叠层太阳电池的稳定性。该方法简单易行，有望真正解决钙钛矿材料或器件的稳定性问题，加快钙钛矿太阳电池的商业化进程。该封装方法同样适用于其他基于钙钛矿材料的光电器件，如发光二极管(LED)，光电探测器，激光器等。

以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，并非对本发明保护范围的限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，对任何熟悉本技术领域的技术人员来说，其依然可以对上述实施例所描述的技术方案进行变化或替换，但是凡在本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于其封装电池结构自下到上包括：1)衬底；2)电极；3)边缘封装材料；4)电子传输层；5)钙钛矿吸收层；6)空穴传输层；7)薄膜封装材料；8)盖板。该方法利用加热设备使边缘封装材料与薄膜封装材料熔融从而将衬底与盖板产生胶连隔绝钙钛矿太阳电池与外界环境，该封装方法可以完全避免钙钛矿太阳电池暴露于水、氧等工作环境中所发生的降解，提高钙钛矿太阳电池稳定性。

2.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于所用衬底与盖板可以但不局限于玻璃、金属、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、及其衍生物等柔性或刚性，衬底厚度为0.7mm-3mm，盖板厚度为0.5mm-4mm。

3.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于如果衬底具有绝缘性，需要在衬底上制备透明导电氧化物薄膜，透明导电氧化物薄膜可以但不局限于氧化铟锡(ITO)、掺铝的氧化锌(AZO)、掺铟的氧化锌(IZO)、掺氟的氧化锡(FTO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟铈(ICO)、Ag纳米线的一种或多种，厚度一般为100nm-400nm，且透明导电氧化物薄膜通过激光刻蚀或者绝缘材料填充等方式进行相互隔断。如果衬底导电，则无需制备透明导电氧化物薄膜。

4.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于钙钛矿太阳电池边缘通过在60-150℃温度下融化的环氧树脂、聚异丁烯(PIB)、有机硅胶等低水蒸气渗透率的绝缘密封材料中的一种或多种以隔绝外界环境。

5.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于所述钙钛矿材料为多晶态或者单晶态的有机-无机杂化ABX₃，其中A位为MA⁺、FA⁺、Cs⁺、Rb⁺等有机无机阳离子，B位为Pb²⁺、Sn²⁺等金属阳离子，C位为Cl^-、Br^-、I^-等卤素阴离子。

6.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于在钙钛矿太阳电池表面覆盖对钙钛矿惰性的薄膜封装材料，该薄膜封装材料可以但不局限于共聚酯(PES)、醋酸丙烯酸共聚物(EAA)、聚氨酯(PU)、聚烯烃(PO)和聚酰胺(PA)等热熔胶中的一种或多种。

7.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于封装过程中所使用的边缘封装材料和薄膜封装材料应当在60-150℃温度下5-30分钟内得到流体熔胶。

8.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于封装过程中所使用的加热设备可以但不局限于压烫机、复合机、高周波、层压机、加热台中的一种或多种，其可以达到的最高加热温度应当不小于150℃。

9.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于对于绝缘衬底其制备顺序依次为：1)清洗衬底；2)制备良好导电性的薄膜；3)形成相互隔断的导电薄膜；4)在导电薄膜上制备电子传输层；5)在电子传输层上制备钙钛矿吸收层；6)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；7)在导电薄膜边缘和空穴传输层上制备金属电极；8)在电池表面覆盖薄膜封装材料；9)在电池边缘覆盖边缘密封材料；10)在薄膜封装材料上覆盖盖板；11)在专利要求8所述的加热设备中加热使封装材料充分熔融。对于导电衬底其制备顺序依次为：1)清洗衬底；4)在衬底上制备电子传输层；5)在电子传输层上制备钙钛矿吸收层；6)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层；7)在衬底和空穴传输层上制备金属电极；8)在电池表面覆盖薄膜封装材料；9)在电池边缘覆盖边缘密封材料；10)在薄膜封装材料上覆盖盖板；11)在专利要求8所述的加热设备中加热使封装材料充分熔融。对于反式钙钛矿太阳电池的封装顺序可以对调上述过程中的4)和6)。

10.根据专利要求1所述的钙钛矿太阳电池的封装方法，其特征在于将钙钛矿太阳电池封装后进行固化处理，固化时间为1-15天。