CN113471362A - 一种钙钛矿电池的互联工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钙钛矿电池的互联工艺方法,包括如下步骤:步骤一、在柔性钙钛矿电池上辊压内部嵌有镀镍铜线的粘合树脂组件以形成结合树脂组件的柔性钙钛矿子电池组件;步骤二、将柔性钙钛矿子电池组件依次敷设于基底上,敷设时,依次按照前一个柔性钙钛矿子电池组件顶部树脂组件中延伸出的镀镍铜线接触下一个柔性钙钛矿子电池组件的底部,使相邻柔性钙钛矿子电池组件完成电池串联互通。本发明的电池互联工艺方法可以避免传统激光工艺带来的对电池的损伤,提高均匀性,避免效率降低(效率损失使原有的电池总发电效率下降5%以上)以及稳定性问题的影响。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域,尤其涉及一种钙钛矿电池的互联工艺方法。
背景技术
最早的钙钛矿太阳电池出现在2009年,是日本科学家Miyasaka,第一个研制了量子点CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3并且应用在DSSC中,实现了3.8%的转换效率,从此钙钛矿材料的研究成为了光伏领域的一大热点。随后的几年,人们对钙钛矿电池的关注度越来越高,其器件性能不断得到优化,效率也突飞猛进,截止目前最高光电转换效率已达25.5%,已被视为最具潜力的光伏技术。
钙钛矿材料由于具有大的吸光系数,高载流子寿命、高电荷迁移率以及极低的缺陷态密度,在太阳电池及其他光电器件中展现出极大的应用价值。因器件制备方法简单、材料廉价、对污染物不敏感等突出优点,钙钛矿有望成为光伏、激光、发光等领域的革命性材料。另外,钙钛矿太阳电池还具有成本低,制备工艺简单,以及可制备柔性、透明及叠层电池等一系列优点,而且其独特的缺陷特性,使钙钛矿晶体材料既可呈现n型半导体的性质,也可呈现p型半导体的性质,故而其应用更加多样化。太阳电池中,柔性电池由于具有质量轻、便携带、易于运输等优点被广泛关注。
现有技术中,在制备柔性钙钛矿电池组件过程中,通过使用晶硅,薄膜行业的传统封装技术(P1,P2,P3激光划刻串并联技术,完成子电池的串联,达到较高的电压输出,完成电路上每节子电池电压的叠加),使钙钛矿电池经过一系列互联以及封装工艺后,成为太阳能光伏电池组件,并最终投放于应用市场。
在制备柔性大面积的钙钛矿电池过程中,使用传统的激光切割刻划的方法完成电池的串联,获取较高的电压,但是由于钙钛矿薄膜的特性,在激光刻划过程中会对膜层进行不同程度的损伤,造成电池稳定性的破坏以及电池效率的降低。
另外,在制备大面积的均匀钙钛矿薄膜技术问题上存在难点,当前世界纪录64cm2的面积上钙钛矿电池最高效率为20.01%,远远低于小面积最高效率的25.5%,在更大面积的薄膜制备上,转换效率维持在16-18%的范围内,随着电池面积的增大,转换效率具有较大幅度的下降,因此大面积的钙钛矿薄膜制备存在镀膜均匀性不良问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此,本发明提供一种钙钛矿电池的互联工艺方法,目的是实现电池互联的同时避免激光划刻对电池的损伤。
基于上述目的,本发明提供了一种钙钛矿电池的互联工艺方法,包括如下步骤:
步骤一、在柔性钙钛矿电池上辊压内部嵌有镀镍铜线的粘合树脂组件以形成结合树脂组件的柔性钙钛矿子电池组件;
步骤二、将柔性钙钛矿子电池组件依次敷设于基底上,敷设时,依次按照前一个柔性钙钛矿子电池组件顶部树脂组件中延伸出的镀镍铜线接触下一个柔性钙钛矿子电池组件的底部,使相邻柔性钙钛矿子电池组件完成电池串联互通。
所述柔性钙钛矿子电池组件的参数条件为:窗口宽度为40-42mm,镀镍铜线的线径为60-90μm,导线数为90-100,线间距为3-3.5mm,透过率为88-89%,遮光比例为2.4-2.5%。
所述柔性钙钛矿子电池组件的参数条件为:窗口宽度为41.2mm,镀镍铜线的线径为80μm,导线数为96,线间距为3.2mm,透过率为88.9%,遮光比例为2.45%,所述柔性钙钛矿子电池组件的总面积为136.5cm2,方阻为25Ω/cm2。
所述柔性钙钛矿电池为45-60μm厚的柔性不锈钢衬底钙钛矿薄膜电池,所述压辊采用铁氟龙材质的压辊,辊压速度为75-90mm/s,辊压温度为120-160℃。
所述粘合树脂组件中粘合树脂材料的厚度为90-110μm。
所述方法还包括对步骤二电池串联互通后的组件进行封装的步骤。
所述粘合树脂组件包括第一粘合树脂层、层压于第一粘合树脂层上的第二粘合树脂层和设于第一粘合树脂层与第二粘合树脂层之间的镀镍铜线,所述镀镍铜线部分延伸出粘合树脂组件的边侧。
所述第一粘合树脂层与第二粘合树脂层为相同的三明治粘合树脂层,所述三明治粘合树脂层包括第一杜邦拜牢粘合树脂层、第二杜邦拜牢粘合树脂层和设于第一杜邦拜牢粘合树脂层与第二杜邦拜牢粘合树脂层之间的PET层
所述镀镍铜线呈蛇形分布于粘合树脂组件中。
所述基底为柔性不锈钢基底。
本发明的有益效果:
1、本发明通过使用制备小尺寸柔性钙钛矿薄膜电池,通过独特的串联工艺结构与材料(内嵌有镀镍铜线的树脂结构材料),完成每个子电池间的串联工艺,获取较高的电压,最终通过子电池敷设的封装与层压工艺形成柔性钙钛矿薄膜组件。
2、本发明的电池互联工艺方法可以避免传统激光工艺带来的对电池的损伤,避免效率降低(效率损失使原有的电池总发电效率下降5%以上)以及稳定性问题的影响。
3、本发明使用小尺寸电池串联方法把子电池通过一定顺序敷设拼凑成大电池,只需保证小面积镀膜均匀性即可,难度大大降低,均匀性得到提升,进而确保工艺镀膜的均匀性,最终得到稳定高效的柔性钙钛矿电池。
4、本发明的互联工艺方法,能极大的降低电池的电阻,并提高电池开压。最终做到电池加工成组件的CTM值大于1,行业中计划是小于1的,因为现有技术中电池在经过一系列工艺制备成组件后,效率有损失,而采用本发明的互联工艺方法,不仅没有损失,还有一些增益,具体值为1.05。
5、与现有技术相比,本发明的工艺方法可以应用到柔性不锈钢基底的钙钛矿电池制作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明柔性钙钛矿子电池组件的爆炸图;
图2为本发明多个柔性钙钛矿子电池组件串联的结构示意图;
图3为本发明多个柔性钙钛矿子电池组件串联的电流传输示意图;
图4为本发明的柔性钙钛矿子电池组件敷设到背板上的示意图。
图中标记为:
1、柔性钙钛矿电池;2、第一粘合树脂层;3、第二粘合树脂层;4、镀镍铜线;5、柔性钙钛矿子电池组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
需要说明的是,除非另外定义,本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明涉及一种钙钛矿电池的互联工艺方法,该方法是通过制备小尺寸柔性钙钛矿薄膜电池(柔性钙钛矿子电池组件),通过独特的串联工艺结构与材料(内嵌有镀镍铜线的粘合树脂结构材料),完成每个子电池组件间的串联工艺,获取较高的电压,最终通过子电池敷设的封装与层压工艺形成柔性钙钛矿薄膜组件。
如图1所示,柔性钙钛矿子电池组件包括柔性钙钛矿电池1和设于柔性钙钛矿电池上的粘合树脂组件,粘合树脂组件包括第一粘合树脂层2、层压于第一粘合树脂层2上的第二粘合树脂层3和设于第一粘合树脂层2与第二粘合树脂层3之间的镀镍铜线4,镀镍铜线4部分延伸出粘合树脂组件的边侧。粘合树脂组件设置成此种结构,一方面便于与柔性钙钛矿电池通过辊压工艺进行层压,形成便于串联的柔性钙钛矿子电池组件,另一方面,镀镍铜线部分延伸出粘合树脂组件的边侧,在串联敷设时,便于将此延伸出的镀镍铜线延伸至下一个需要串联的柔性钙钛矿子电池组件的底部不锈钢材料处。
如图2所示为多个柔性钙钛矿子电池组件串联的结构示意图,相邻柔性钙钛矿子电池组件的敷设方式为:第一个柔性钙钛矿电池顶部的粘合树脂组件中延伸出的镀镍铜线接触第二个柔性钙钛矿子电池组件5的底部,之后依次进行此种方式的敷设。优选的,镀镍铜线4呈蛇形分布于粘合树脂组件中。采用此种方式敷设,以及采用的夹层分布结构形式,便于相邻柔性钙钛矿子电池组件更好的串联连接,使其整个1709mm长度X宽348mm的组件上,获取到21.8V的峰值电压(26.3V开路电压,4.41A短路电流)以及90W的峰值功率,电池转效率18.3%,提高柔性钙钛矿电池的稳定性及高效性。
采用上述敷设方式的互联工艺方法包括如下步骤:
步骤一、在柔性钙钛矿电池1上辊压内部嵌有镀镍铜线4的粘合树脂组件以形成结合树脂组件的柔性钙钛矿子电池组件5;
步骤二、将柔性钙钛矿子电池组件5依次敷设于基底上,敷设时,依次按照前一个柔性钙钛矿子电池组件5的顶部树脂组件中延伸出的镀镍铜线4接触下一个柔性钙钛矿子电池组件5的底部,使相邻柔性钙钛矿子电池组件5完成电池串联互通。
具体而言,通过使用特殊工艺的电池互联技术,将45-60微米厚度的柔性不锈钢衬底柔性钙钛矿薄膜电池经过120-160℃的传统辊压工艺,使用铁氟龙材质的压辊,辊压速度为75-90mm/s,与内部嵌有镀镍铜线(60-90微米线径)的粘合树脂材料(90-110微米厚度)进行辊压工艺,将柔性钙钛矿电池与内部嵌有镀镍铜线的粘合树脂材料完美层压,如图1所示具体的敷设结构,最终形成柔性钙钛矿电池与粘合树脂材料的结合组件(如图1),完成柔性钙钛矿子电池组件的制作。随后通过每个柔性钙钛矿子电池组件在组件基底上的顺序敷设,柔性钙钛矿子电池组件的底部接触前一个柔性钙钛矿电池延长出来的镀镍铜线,柔性钙钛矿电池的顶部连接有镀镍铜线的粘合树脂材料,延伸出的镀镍铜线与下一个柔性钙钛矿电池的底部不锈钢衬底材料接触,最终使相邻的柔性钙钛矿子电池组件完成电池串联互通,形成电流的传输以及电压的收集。其中,粘合树脂材料为一种复合材料,由三层结构组成,三明治结构,上下两层为杜邦拜牢(Bynel)粘合树脂材料,中间层为PET(苯甲酸乙二酸脂)。粘合树脂的三层合成材料(厚度25μm-50μm-25μm)与镀镍铜线进行辊压压制,形成最终的子电池封装材料。
实施时,柔性钙钛矿子电池组件5的参数条件为:窗口宽度为40-42mm,镀镍铜线4的线径为60-90μm,导线数为90-100,线间距为3-3.5mm,透过率为88-89%,遮光比例为2.4-2.5%。
下面通过具体的实例进行说明:
实施例1
将50微米厚度的柔性不锈钢衬底柔性钙钛矿薄膜电池经过130℃的传统辊压工艺,使用铁氟龙材质的压辊,辊压速度为80mm/s,与内部嵌有镀镍铜线(80微米线径)的粘合树脂材料(100微米厚度)进行辊压工艺,将柔性钙钛矿电池与内部嵌有镀镍铜线的粘合树脂材料完美层压。最终形成柔性钙钛矿电池与粘合树脂材料的结合组件,完成柔性钙钛矿子电池组件的制作。辊压后的柔性钙钛矿子电池性能参数如下:
随后通过每个柔性钙钛矿子电池组件在背板上的顺序敷设,柔性钙钛矿子电池组件的底部接触前一个柔性钙钛矿电池延长出来的镀镍铜线,柔性钙钛矿电池的顶部连接有镀镍铜线的粘合树脂材料,延伸出的镀镍铜线与下一个柔性钙钛矿电池的底部不锈钢衬底材料接触,最终使相邻的柔性钙钛矿子电池组件完成电池串联互通,形成电流的传输以及电压的收集。同时使用柔性薄膜组件的封装工艺,完成最终钙钛矿组件的制备。
本实施例采用80μm的镀镍铜线的线宽,柔性钙钛矿子电池敷设合成树脂后,导线与电池接触的总体面积小,远远低于现有技术的导线宽度,占用子电池的面积较小,从而电池的效率损失小(因为电池表面,如果被导线覆盖,或者有遮挡,会降低电池的发电效率,本实施例的导线线宽小,总体电池效率损失小,约原有电池效率的3%)。本实施例经过串并联后的柔性钙钛矿子电池组件,经过二次的封装层压成组件,CTM(电池加工成组件)后的值为1.05,(电池在经过封装成组件后,大面积的组件效率高于子电池的效率,比如子电池的效率为1,而本实施例经过串并联工艺以及二次整体封装后,组件的效率为1.05。
现有的方法是直接用1平方米的面积去进行镀膜,然后通过激光划线的方式完成电池串并联工艺,形成电池组件,在这个工艺中,由于是直接大面积的镀膜,均匀性比较难控制,且激光划线会对效率存在一定的损失。采用本发明的上述工艺方法是进行小面积的电池镀膜,经过本发明的上述串联技术,把子电池通过一定顺序进行敷设,拼凑成大电池,这样只需要保证小面积的镀膜均匀性即可,难度大大降低,均匀性得以提升。相比传统的3次激光划线串并联工艺,效率损失将使原有的电池总发电效率下降5%以上(比如本实施例从18%的电池转换效率降低到17%,即电池效率点下降1/18≈5.56%)。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、在柔性钙钛矿电池上辊压内部嵌有镀镍铜线的粘合树脂组件以形成结合树脂组件的柔性钙钛矿子电池组件;
步骤二、将柔性钙钛矿子电池组件依次敷设于基底上,敷设时,依次按照前一个柔性钙钛矿子电池组件顶部树脂组件中延伸出的镀镍铜线接触下一个柔性钙钛矿子电池组件的底部,使相邻柔性钙钛矿子电池组件完成电池串联互通。
2.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述柔性钙钛矿子电池组件的参数条件为:窗口宽度为40-42mm,镀镍铜线的线径为60-90μm,导线数为90-100,线间距为3-3.5mm,透过率为88-89%,遮光比例为2.4-2.5%。
3.根据权利要求2所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述柔性钙钛矿子电池组件的参数条件为:窗口宽度为41.2mm,镀镍铜线的线径为80μm,导线数为96,线间距为3.2mm,透过率为88.9%,遮光比例为2.45%,所述柔性钙钛矿子电池组件的总面积为136.5cm2,方阻为25Ω/cm2。
4.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述柔性钙钛矿电池为45-60μm厚的柔性不锈钢衬底钙钛矿薄膜电池,压辊采用铁氟龙材质的压辊,辊压速度为75-90mm/s,辊压温度为120-160℃。
5.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述粘合树脂组件中粘合树脂材料的厚度为90-110μm。
6.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述方法还包括对步骤二电池串联互通后的组件进行封装的步骤。
7.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述粘合树脂组件包括第一粘合树脂层、层压于第一粘合树脂层上的第二粘合树脂层和设于第一粘合树脂层与第二粘合树脂层之间的镀镍铜线,所述镀镍铜线部分延伸出粘合树脂组件的边侧。
8.根据权利要求7所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述第一粘合树脂层与第二粘合树脂层为相同的三明治粘合树脂层,所述三明治粘合树脂层包括第一杜邦拜牢粘合树脂层、第二杜邦拜牢粘合树脂层和设于第一杜邦拜牢粘合树脂层与第二杜邦拜牢粘合树脂层之间的PET层。
9.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述镀镍铜线呈蛇形分布于粘合树脂组件中。
10.根据权利要求1所述钙钛矿电池的互联工艺方法,其特征在于,所述基底为柔性不锈钢基底。
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