CN112993162A - 一种钙钛矿太阳电池器件结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿太阳电池器件结构及制备方法。制备方法包括：在衬底材料上制备金属复合薄膜、钙钛矿太阳电池、透明导电薄膜；去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池，将器件结构区分为n个钙钛矿子电池单元；将边缘区域的透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池完全去除；去除部分金属复合薄膜，将边缘区域的金属复合薄膜区分别分为n+1个不同区域，其中第n个区域分别与第n的子电池单元相连；在子电池单元与边缘区域金属复合薄膜上铺设固定导电栅线。本发明中减小了子电池单元之间的死区，增大了子电池单元的面积，提高了电池的功率；子电池单元之间的连接是在电池膜层全部沉积完成后进行，缩短了电池生产节拍时间，降低了电池生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种钙钛矿太阳电池器件结构及制备方法，属于太阳电池制备领域。
背景技术
钙钛矿太阳电池作为一种新型薄膜太阳电池，在短短几年时间内，电池效率由3.8％提升至23.3％，并且制备工艺简单，成本低廉，极具商业发展潜力。钙钛矿太阳电池在日常生活、高新技术、国防军工等各个领域都显现出广泛的应用前景，尤其是便携式、柔性及消费电子领域，如帐篷、背包、光伏建筑一体化以及飞艇、单兵装备等军民融合领域。因此，钙钛矿太阳电池已经成为新能源领域研究的热点。
从已公开的专利情况来看，如专利CN105514280A，虽然公开了一种钙钛矿太阳电池的制备方法，但没有给出钙钛矿太阳电池子单元的连接方式。专利CN108389975A，虽然公开了一种钙钛矿太阳电池子单元的连接方式，但是子电池单元之间的隔离需要三次工艺步骤，其中两次工艺步骤发生在钙钛矿太阳电池制备过程中，势必影响钙钛矿太阳电池质量及生产节拍时间。此外，子电池单元之间的隔离区域过大，造成不必要的子电池单元面积减小，影响电池发电功率。因此，有必要进一步改进钙钛矿太阳电池器件结构及制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种钙钛矿太阳电池结构及制备方法。该发明将在钙钛矿太阳电池制备完成后再实现子电池单元隔离，降低钙钛矿太阳电池生产节拍时间，减小隔离工艺对钙钛矿太阳电池质量的影响；该发明将减小钙钛矿太阳电池子单元之间的隔离区域面积，增大子电池单元的受光面积，提高钙钛矿太阳电池的发电功率，解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种钙钛矿太阳电池器件截面结构从下至上依次包括衬底材料、金属复合薄膜、钙钛矿太阳电池、透明导电薄膜、导电栅线；
钙钛矿太阳电池器件结构从平面结构可分为子电池单元和边缘区域，其中子电池单元的个数为n，边缘区域的个数为n+1，n大于等于2；
所述各子电池单元均包括金属复合薄膜、钙钛矿太阳电池、透明导电薄膜；
所述各边缘区域只包括金属复合薄膜；
所述各子电池单元之间完全隔离；
所述边缘区域之间完全隔离；
第一个子电池单元与第二个边缘区域完全隔离、通过导电栅线相连，第一个子电池单元与第一个边缘区域通过金属复合薄膜相连；
第二个子电池单元与第三个边缘区域完全隔离、通过导电栅线相连，第二个子电池单元与第二个边缘区域通过金属复合薄膜相连；
第三个子单元电池与第四个边缘区域完全隔离、通过导电栅线相连；第三个子电池单元与第三个边缘区域通过金属复合薄膜相连
依次类推，第n个子单元电池与第n+1个边缘区域完全隔离、通过导电栅线相连，第n个字单元电池与第n个边缘区域通过金属复合薄膜相连。
一种钙钛矿太阳电池器件结构制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底材料上依次制备金属复合薄膜、钙钛矿太阳电池、透明导电薄膜；
2)去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池，将器件结构区分为n个钙钛矿子电池单元和上、下总边缘区域，n的个数大于等于2；
3)上、下总边缘区域和的透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池完全去除，只保留金属复合薄膜；
4)去除上、下总边缘区域部分金属复合薄膜，分别将上、下总边缘区域的金属复合薄膜区分为n+1个不同边缘区域；
5)去除步骤2)中形成沟槽内的部分金属复合薄膜，使第一个子电池单元与第一个边缘区域通过金属复合薄膜相连，第二个子电池单元与第二个边缘区域通过金属复合薄膜相连，以此类推，第n个边缘区域与相对于的第n个子电池单元通过复合金属薄膜连接；
6)在第1至n个子电池单元与第2至n+1个边缘区域金属复合薄膜上铺设固定导电栅线。
进一步地，所述步骤2)中，去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池，所使用方法是激光划刻，去除后形成沟槽宽度为20-50um或更窄，平行于边缘区域的沟槽之间的间距决定了子电池单元的长度，垂直于边缘区域的相邻沟槽之间的间距决定了子电池单元的宽度；
进一步地，所述步骤3)中，上、下总边缘区域的透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池完全去除，所使用方法是激光划刻或机械划刻；
进一步地，所述步骤4)中，去除边缘区域部分金属复合薄膜，所使用方法是激光划刻，边缘区域内形成的沟槽，相邻沟槽之间的间距与子电池单元宽度相同，沟槽的方向与子电池长度方向的沟槽平行；
进一步地，所述步骤4)中，去除步骤2)中形成沟槽内的部分金属复合薄膜，所述部分金属复合薄膜是指除边缘区域沟槽与最临近的子电池单元长度方向沟槽之间的金属复合薄膜之外部分，所使用方法是激光划刻，去除宽度不大于步骤2)中形成沟槽的宽度；
进一步地，所述步骤5)中，导电栅线铺设方向与子电池单元长度方向平行，导电栅线表面包裹有导电胶，导电栅线通过导电胶与子电池单元的透明导电薄膜和边缘区域的金属复合薄膜固定，所使用固定方法是热压。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供了一种钙钛矿太阳电池器件结构及制备方法。使用本发明具备以下优势：1)本发明的钙钛矿太阳电池器件减小了子电池单元之间的死区，增大了子电池单元的面积，提高了电池的功率；2)本发明中的子电池单元之间的连接是在电池膜层全部沉积完成后进行的，不影响电池的制备过程，缩短了电池生产节拍时间，降低了电池生产成本。
附图说明
图1.在衬底材料上依次制备金属复合薄膜、钙钛矿太阳电池、透明导电薄膜后截面图；
图2.去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池后器件平面图；
图3.图2中沿3-3线的器件截面图；
图4.去除边缘区域的透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池后的器件截面图；
图5.去除边缘区域部分金属复合薄膜后的器件平面图；
图6.图5中沿6-6线的器件截面图；
图7.去除步骤2)中形成沟槽内的部分金属复合薄膜后器件截面图；
图8.图7中沿8-8线的器件截面图；
图9.图7中沿9-9线的器件截面图；
图10.图7中沿10-10线的器件截面图；
图11.图7中沿11-11线的器件截面图；
图12.铺设固定导电栅线后的器件平面图；
图13.图12中沿13-13线的器件截面图；
图14.安装“+”、“—”接线端子后的器件平面图。
其中，10为衬底材料，20为金属复合薄膜，30为钙钛矿太阳电池，40为透明导电薄膜，50为导电栅线，(32)、(34)、(36)为第一至第三个子电池单元，(42)、(44)为上、下总边缘区域，(22)、(24)、(26)、(28)为分隔后的第一至第四个边缘区域，(51)、(52)为“+”接线端子，(53)、(54)为“—”接线端子。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步说明本发明的具体实现方法，但本发明并不限于这些具体实施例。
实施例1
下面将结合附图1-14，通过实施例对本发明作进一步说明。
1.在衬底材料(10)上依次制备金属复合薄膜(20)、钙钛矿太阳电池(30)、透明导电薄膜(40)，本实施例中衬底材料是PET，厚度约为250um，本实施例中金属复合薄膜是Ag薄膜，所使用沉积方法是溅射，厚度约为100nm，本实施例中钙钛矿太阳电池是有机钙钛矿太阳电池，所使用沉积方法是真空沉积，厚度约为300nm，本实施例中透明导电薄膜是ITO，所使用沉积方法是溅射，厚度为70～80nm，沉积后的截面图如附图1所示；
2.去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池，将器件结构区分为钙钛矿第一个子电池单元(32)、第二个子电池单元(34)、第三个子电池单元(36)和上、下总边缘区域(42)和(44)，本实施例中所使用去除方法是激光划刻，划刻宽度为20um，激光划刻后的器件平面图如附图2所示，截面图如附图3所示；
3.将上、下总边缘区域(42)和(44)的透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池完全去除，只保留金属复合薄膜，本实施例中所使用去除方法是激光划刻，激光划刻后的截面图如附图4所示；
4.去除边缘区域部分金属复合薄膜，将边缘区域的金属复合薄膜区分为四个不同边缘区域，(22)，(24)，(26)，(28)，本实施例中所使用去除方法是激光划刻，划刻宽度为20um，激光划刻后的器件平面图如附图5所示，截面图如附图6所示；
5.去除步骤2)中形成沟槽内的部分金属复合薄膜，其中，(22)，(24)，(26)分别与子电池单元(32)，(34)，(36)通过金属复合薄膜相连，本实施例中所使用去除方法是激光划刻，划刻宽度为20um，激光划刻后的器件平面图如附图7所示，截面图如附图8，附图9，附图10，附图11所示；
6.在子电池单元(32)、(34)、(36)与边缘区域金属复合薄膜(24)，(26)，(28)上铺设固定导电栅线(50)，本实施例中导电栅线是导电胶包裹的金属导线，所使用的固定方法是热压，热压温度是160℃，热压压强为1个大气压，热压时间是20分钟，固定后的器件平面图如附图12所示，截面图如附图13所示。
7.在边缘区域(42)和(44)内安装“+”、“—”接线端子，(51)、(52)为“+”接线端子，(53)、(54)为“—”接线端子，安装“+”、“—”接线端子后的器件平面图如附图14所示。
实施例2
如实施例1所述制备方法，将衬底材料PET改为玻璃衬底，也可获得玻璃衬底钙钛矿太阳电池器件。
实施例3
如实施例1所述制备方法，将衬底材料PET改为不锈钢衬底，在不锈钢表面先沉积一层绝缘层，如SiO2，厚度约为100nm，也可获得不锈钢衬底钙钛矿太阳电池器件。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下做出的若干替代或变形，且性能相近或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种钙钛矿太阳电池器件结构，其特征在于：
钙钛矿太阳电池器件结构从下至上依次包括衬底材料(10)、金属复合薄膜(20)、钙钛矿太阳电池(30)、透明导电薄膜(40)、导电栅线(50)；
钙钛矿太阳电池器件结构从平面结构可分为子电池单元和边缘区域，其中子电池单元的个数为n，边缘区域的个数为n+1，n大于等于2；各子电池单元均包括金属复合薄膜(20)、钙钛矿太阳电池(30)、透明导电薄膜(40)；各边缘区域只包括金属复合薄膜(20)；各子电池单元之间完全隔离；各边缘区域之间完全隔离；其中，
第一个子电池单元(32)与第二个边缘区域(24)完全隔离、通过导电栅线(50)相连，第一个子电池单元(32)与第一个边缘区域(22)通过金属复合薄膜(20)相连；
第二个子电池单元(34)与第三个边缘区域(26)完全隔离、通过导电栅线(50)相连，第二个子电池单元(34)与第二个边缘区域(24)通过金属复合薄膜(20)相连；
第三个子单元电池(36)与第四个边缘区域(28)完全隔离、通过导电栅线(50)相连；第三个子电池单元(36)与第三个边缘区域(26)通过金属复合薄膜(20)相连
依次类推，第n个子单元电池与第n+1个边缘区域完全隔离、通过导电栅线(50)相连，第n个子单元电池与第n个边缘区域通过金属复合薄膜(20)相连。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池器件结构，其特征在于：钙钛矿太阳电池(30)的子电池单元连接方式为：第一个子电池单元(32)的电流经导电栅线(50)汇集后经流向第二个边缘区域(24)，再经金属复合薄膜(20)流向第二个子电池单元(34)；第二个子电池单元(34)的电流经导电栅线(50)汇集后流向第三边缘区域(26)，再经金属复合薄膜(20)流向第三个子电池单元(36)，依次类推，第n-1个子单元电池的电流经导电栅线(50)汇集后经流向第n个边缘区域,，再经金属复合薄膜(20)流向第n个子电池单元，从而形成各子电池单元之间的串联，构成钙钛矿太阳电池串联结构。
3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池器件结构，其特征在于：衬底材料(10)是非导电材料；衬底材料为刚性衬底(优选玻璃)或柔性衬底(优选PI、PEN、PET等高分子聚合物)；衬底材料可以是透明材料，也可以是半透明或非透明材料。
4.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池器件结构，其特征在于，金属复合薄膜(20)包括但不仅限于银薄膜或铝薄膜中的一种或二种以上或金属薄膜与透明导电氧化物形成的金属复合薄膜。
5.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池器件结构，其特征在于，钙钛矿太阳电池(30)包括但不仅限于有机钙钛矿太阳电池、无机钙钛矿太阳电池或有机-无机杂化钙钛矿太阳电池。
6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳电池器件结构，其特征在于，透明导电薄膜包括但不仅限于掺氟氧化锡薄膜(FTO)、掺铝氧化锌薄膜(AZO)、掺硼氧化锌薄膜(BZO)、掺铟氧化锡薄膜(ITO)等透明导电薄膜中的一种或二种以上。
7.一种权利要求1-6任一所述的一种钙钛矿太阳电池器件结构的制备方法，其特征在于，于非导电衬底材料表面制备钙钛矿太阳电池包括以下步骤：
1)在衬底材料(10)上依次制备金属复合薄膜(20)、钙钛矿太阳电池(30)、透明导电薄膜(40)；
2)通过去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池，将器件结构区分为n个钙钛矿子电池单元和上、下总边缘区域(42)和(44)，n的个数大于等于2；
3)将上、下总边缘区域(42)和(44)的透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池完全去除，只保留金属复合薄膜；
4)去除上、下总边缘区域部分金属复合薄膜，分别将将上、下总边缘区域的金属复合薄膜区分为n+1个不同边缘区域；
5)去除步骤2)中形成沟槽内的部分金属复合薄膜，使第一个子电池单元(32)与第一个边缘区域(22)通过金属复合薄膜相连，第二个子电池单元(34)与第二个边缘区域(24)通过金属复合薄膜相连，以此类推，第n个子电池单元与第n个边缘区域通过金属复合薄膜相连；
6)在第1至n个子电池单元与第2至n+1个边缘区域的金属复合薄膜上铺设固定导电栅线(50)。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，金属复合薄膜或透明导电薄膜的制备包括但不仅限于溅射、热蒸发或其他方法中的一种或二种以上。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，钙钛矿太阳电池的制备包括但不仅限于真空沉积、溶液刮涂、溶液旋涂、喷墨印刷或其他方法中的一种或二种以上。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)，3)，4)中的透明导电薄膜、钙钛矿太阳电池、金属复合薄膜去除方法，包括但不限于化学腐蚀、激光刻蚀等去除方法。
11.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中的去除部分透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池，透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池去除部分的位置和宽度相同。
12.如权利要求7述的制备方法，其特征在于，步骤4)中去除部分金属复合薄膜，金属复合薄膜去除部分的宽度和和步骤2)中透明导电薄膜和钙钛矿太阳电池去除部分的宽度相同，在绝缘区域内金属复合薄膜去除位置之间的间距大小与钙钛矿太阳电池子单元的宽度相同。
13.如权利要求7述的制备方法，其特征在于，步骤6)中导电栅线可以是金属导线，也可以是导电胶包裹的金属导线。
14.如权利要求7述的制备方法，其特征在于，步骤6)中，导电栅线铺设方向与子电池单元长度方向平行；导电栅线的铺设固定方法包括但不限于粘贴或热压等方法。
15.如权利要求7述的制备方法，其特征在于，步骤6)中，第一子电池单元(32)的上电极通过导电栅线及金属复合薄膜与第二子电池单元(34)的下电极相连；第二子电池单元(34)的上电极通过导电栅线及金属复合薄膜与第三子电池单元(36)的下电极相连，依次类推；各子电池单元形成串联。
16.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，制备的钙钛矿太阳电池器件结构正面或反面可以进一步封装一层或多层保护膜。
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2019
- 2019-12-12 CN CN201911274995.XA patent/CN112993162B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 苏法刚;: "激光加工在太阳能电池制造中的应用与机遇", 光机电信息, no. 03 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112993162B (zh) | 2023-11-21 |
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