CN113809237B - 一种由独立子电池组装的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种由独立子电池组装的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件及其制备方法。1.刻蚀透明衬底；2.制备晶硅电池；3.在衬底上覆盖银栅线电极；4.使用磁控溅射制备FTO透明导电层；5.制备宽带隙钙钛矿电池功能层；6.使用磁控溅射在空穴传输层上制备透明电极；7.通过导电银浆粘合形成叠层器件，并进行四周密封。在透明衬底上制备宽带隙钙钛矿电池，并在衬底上制备银栅线，提供了收集电流的新思路，优化了FTO层横向导电性能差的问题；使用导电银浆直接将钙钛矿电池和晶硅电池粘合形成钙钛矿/晶硅叠层电池，可以将两块子电池分开制备，避免了传统叠层电池制备过程中需要达成的工艺兼容问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种由独立子电池组装的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件及其制备方法。
背景技术
目前晶硅电池已经占据了光伏市场的绝大部分份额，单节晶硅电池的转化效率也已经达到了26.7％，逼近其理论极限效率(29.1％)。目前，备受瞩目的突破此极限的方法是制备叠层电池。而有机-无机杂化钙钛矿电池由于较高的转换效率，以及带隙可调等优点，被各方所推崇。尤其是两端叠层结构，被认为是最符合当前晶硅产线的产品。叠层电池可以充分利用太阳光各个波段的光线。对于晶硅电池来说，为了减少表面反射，增加光的利用，通常表面制备微米级的金字塔陷光结构，目前不少叠层电池都基于制绒的硅片进行制备，如CN111987184A。但目前于硅片上制备钙钛矿的方法，如CN112885914A所使用的涂布法，如CN112909187A使用的旋涂法，均会受制于硅片本身的形貌。
发明内容
本发明的目的在于，充分利用钙钛矿电池带隙可调节的特性和硅电池成熟的生产线，将两者的优势充分结合，使用导电银浆将两者连接起来，并进行封装，制得钙钛矿/晶硅叠层电池，可以在平面制备钙钛矿电池的同时不受硅片形貌的影响。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法，包括如下操作步骤：
S1.在4cm×4cm的透明玻璃基底(2)上完成刻槽与钻孔，将透明基底两面打通；
在透明玻璃基底双面进行刻槽与钻孔，最终效果如图2所示。所刻蚀的槽等间距排列，各条槽之间间距8.5mm，槽宽2mm，槽深0.5mm；钻孔直径1mm，孔深1.2mm，间距5mm。
S2.使用工业化的方法制备HIT晶硅电池(12)，其中银栅线结构如图4所示，包含主栅(10)和细栅(11)。其中主栅宽2mm，主栅间距8.5mm，细栅宽45μm，细栅间距3mm。
S3.清洗透明基底(2)；
透明玻璃基底超声清洗顺序为去离子水、丙酮、乙醇，每次清洗15min，清洗完成后使用气枪吹干。
S4.对应玻璃基底激光划刻部位使用金属浆料(1)进行覆盖；
在透明玻璃基底刻槽部位覆盖金属浆料，其中覆盖浆料应将刻槽部分完全填充，厚度两侧均为0.5mm，钻孔处也应填充满，孔深1.2mm，形成贯穿式金属电极，结构如图3所示的区域。
S5.在玻璃基底一侧使用磁控溅射制备FTO透明导电电极(3)；
S6.在FTO透明导电层上制备SnO2电子传输层(4)；
SnO2电子传输层厚度约为90nm，制备方法为水溶液旋涂，SnO2和去离子水体积比1：4。
SnO2电子传输层的退火温度为150℃，退火时间为30min。
S7.在电子传输层上制备宽带隙钙钛矿薄膜(5)；
在SnO2电子传输层上制备宽带隙钙钛矿，组分为Cs0.1FA0.9PbI2.1Br0.9，浓度为1.5M，溶剂为DMF和DMSO，比例为4：1，制备方法为真空法。
钙钛矿的退火温度为100℃，退火时间为20min。
S8.在钙钛矿薄膜上制备空穴传输层(6)；
在钙钛矿薄膜上制备Spiro-oMeTAD空穴传输层，制备方法为旋涂。
S9.在空穴传输层上制备MoO3保护层(7)；
在Spiro-oMeTAD空穴传输层上蒸发一层厚度约30nm的MoO3，目的是作为缓冲层，在磁控溅射ITO时保护Spiro-oMeTAD空穴传输层，制备方法为热蒸发。
S10.在空穴传输层上使用磁控溅射制备ITO透明导电电极(8)；
在MoO3层上制备ITO透明电极，厚度约120nm，制备方法为磁控溅射。
S11.使用导电银浆(9)将钙钛矿电池和硅电池连接起来，组装成叠层电池；
导电银浆连接层(9)均匀覆盖晶硅主栅(10)，并与透明基底(2)上的金属电极(1)位置相对应，并将钙钛矿顶电池和晶硅底电池粘连起来。
S12.电池封装。
得到的电池结构从光照方向依次为：透明基底(2)/FTO(3)/电子传输层(4)/钙钛矿薄膜(5)/空穴传输层(6)/MoO3保护层(7)/ITO(8)/晶硅电池(12)；其中，叠层太阳电池器件由宽带隙钙钛矿太阳电池与晶硅电池通过导电银浆(9)直接连接形成串联结构，并通过边缘封装直接构成叠层器件；透明基底(2)上通过激光刻蚀进行刻槽并在刻槽位置钻孔，将透明基底两面打通，沉积银浆料形成贯穿式金属电极(1)。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用激光在透明基底上划刻出槽线并沉积银栅线和FTO作为钙钛矿电池的顶电极，通过此方法可以改善由FTO横向电阻过大导致的载流子收集能力的衰减，进一步的可以提高叠层电池的电流密度。使用导电胶将钙钛矿/晶硅叠层太阳电池顶电池和底电池进行连接，突破了传统叠层电池的制备方法，可以避免固定制备顺序可能存在的工艺不兼容的问题，进一步拓宽了研究思路。
附图说明：
图1为本发明制备的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池整体结构示意图
图2为本发明制备的透明基底刻蚀效果示意图。
图3为本发明制备的透明基底金属浆料覆盖效果示意图。
图4为本发明制备的硅电池银栅线示意图。
图5为实施例J-V曲线。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
实施例1
S1.在4cm×4cm的透明基底上通过激光刻蚀进行刻槽并进行机械钻孔，其中，槽宽2mm，槽深1mm，共三条，各条之间间距8.5mm，孔直径1mm，孔深1.2mm，间距5mm。
最终效果如图2所示。
S2.使用银浆料在HIT晶硅电池N型一面印刷栅线电极，主栅宽2mm，主栅间距8.5mm，细栅宽45μm，细栅间距3mm，栅线结构如图4所示。
S3.在HIT硅片上使用激光切割出4cm×4cm大小的硅片。
S4.透明玻璃基底超声清洗顺序为去离子水、丙酮、乙醇，每次清洗15min，清洗完成后使用气枪吹干。
S5.在透明玻璃基底刻槽部位覆盖银浆料，其中覆盖浆料应将刻槽部分完全填充，厚度两侧均为0.5mm，钻孔处也应填充满，孔深1.2mm，结构如图3所示的区域。
S6.在透明基底一侧使用磁控溅射制备FTO透明导电层，使用13.56MHZ射频源，气氛为氩气，压强为0.32Pa，基底加热100℃，所使用的靶材为纯度99.99％的FTO靶材，所制备的FTO厚度为500nm，透光率80％。
S7.制备SnO2电子传输层
将SnO2水溶液(SnO2和去离子水体积比为1：4)均匀的铺在FTO一侧，5000r旋涂30s，加速度为1000r/s2，然后将衬底转移至热台上，150℃退火30min。
S8.制备钙钛矿薄膜
将前驱液均匀铺在SnO2一侧，首先2000r旋涂10s，加速度为200r/s2，再6000r旋涂10s，加速度为2000r/s2。将旋涂好前驱体溶液的衬底放置在真空腔内，抽真空至10-2Pa，待薄膜变色将衬底转移至热台上，100℃退火20min。在SnO2电子传输层上制备的宽带隙钙钛矿，组分为Cs0.1FA0.9PbI2.1Br0.9，溶剂为DMF和DMSO,比例为4：1，浓度为1.5M。
S9.在宽带隙钙钛矿层上旋涂一层Spiro-oMeTAD空穴传输层，旋涂速率为3000r/s，旋涂时间为30s，浓度为101.325mg/ml，溶剂为氯苯。
S10.通过热蒸发在Spiro-oMeTAD上先制备一层30nm的MoO3缓冲层，膜厚通过膜厚仪监测，蒸镀速率约为
真空腔体压强＜10-4Pa。
S11.通过磁控溅射在MoO3缓冲层上制备一层ITO透明电极，使用13.56MHZ射频源，气氛为氩氧混合气，流量比为99.5：0.5，压强为0.32Pa，功率为30W，所使用的靶材为氧化铟/氧化锡(90％:10％)陶瓷靶材，所制备的ITO厚度为120nm。
S12.在硅电池另一侧整面蒸发铝背场电极，蒸镀速率约
真空腔体压强＜10-4Pa。
S13.将银纳米线均匀分散在树脂固化剂中，(本实验中使用银犀牌环氧导电胶，其中树脂固化剂中含有胺类固化剂。其中按重量比10：1将银浆与树脂固化剂均匀混合制备成导电银浆)。引出电极，将导电银浆均匀涂敷在晶硅主栅线上，并将硅栅线电极一侧与ITO透明电极一侧粘连起来，在氮气氛围中室温固化12h，完成电池叠层，电池截面结构如图1所示。
S14.在氮气氛围中使用Norland紫外固化光学胶NOA61均匀涂敷在面板边缘，使用紫外光照射使其固化，完成封装。
对比例1
S1.使用银浆料在硅电池P型一面印刷栅线电极，主栅宽2mm，主栅间距8.5mm，细栅宽45μm，细栅间距3mm，栅线结构如图4所示。
S2.在HIT硅片上使用激光切割出4cm×4cm大小的硅片。
S3.使用Ar等离子体喷枪进行表面处理，喷枪距离硅片5cm。
S4.制备SnO2电子传输层
将SnO2水溶液(SnO2和去离子水体积比为1：4)均匀的铺在硅片P型面一侧，5000r旋涂30s，加速度为1000r/s2，然后将硅片转移至热台上，150℃退火30min。
S5.制备钙钛矿薄膜电池
将前驱液均匀铺在SnO2一侧，首先2000r旋涂10s，加速度为200r/s2，再6000r旋涂10s，加速度为2000r/s2。将旋涂好前驱体溶液的硅片放置在真空腔内，抽真空至10-2Pa，约抽8秒之后将硅片转移至热台上，100℃退火20min。在SnO2电子传输层上制备的宽带隙钙钛矿，组分为Cs0.1FA0.9PbI2.1Br0.9，溶剂为DMF和DMSO,比例为4：1，浓度为1.5M。
S6.在宽带隙钙钛矿层上旋涂一层Spiro-oMeTAD空穴传输层，旋涂速率为4000r/s，旋涂时间为30s，浓度为101.325mg/ml，溶剂为氯苯。
S7.通过热蒸发在Spiro-oMeTAD上蒸镀一层约30nm的MoO3缓冲层，膜厚通过膜厚仪监测，蒸镀速率约为
真空腔体压强＜10-4Pa。
S8.通过磁控溅射在MoO3缓冲层上制备一层ITO透明电极，使用13.56MHZ射频源，气氛为氩氧混合气，流量比为99.5：0.5，压强为0.32Pa，功率为30W，所使用的靶材为氧化铟/氧化锡(90％:10％)陶瓷靶材，所制备的ITO厚度为120nm。
S9.通过热蒸发在ITO上蒸镀一层银栅线电极，厚度约为100nm，膜厚通过膜厚仪监测，蒸镀速率约为
真空腔体压强＜10-4Pa。
S10.在硅电池另一侧整面蒸发铝背场电极，蒸镀速率约
真空腔体压强＜10-4Pa。
S11.在硅片两面放置玻璃面板，引出电极，在氮气氛围中通过Norland紫外固化光学胶NOA61均匀涂敷在面板边缘，利用紫外光照射使胶水固化，完成封装。
对比例2
S1.使用银浆料在硅电池N型一面印刷栅线电极，主栅宽2mm，主栅间距8.5mm，细栅宽45μm，细栅间距3mm，栅线结构如图4所示。
S2.在HIT硅片上使用激光切割出4cm×4cm大小的硅片。
S3.使用Ar等离子体喷枪进行表面处理，喷枪距离硅片5cm。
S4.制备NiOx空穴传输层
使用电子束蒸发制备NiOx空穴传输层，将硅片N型面朝下，放置于腔室内，抽真空至10-4Pa，通氧量为20sccm，蒸镀完成后将硅片转移至热台上，150℃退火15min。
S5.制备钙钛矿薄膜电池
将前驱液均匀铺在NiOx一侧，首先2000r旋涂10s，加速度为200r/s2，再6000r旋涂10s，加速度为2000r/s2。将旋涂好前驱体溶液的硅片放置在真空腔内，抽真空至10-2Pa，约8秒之后将硅片转移至热台上，100℃退火20min。在NiOx空穴传输层上制备的宽带隙钙钛矿，组分为Cs0.1FA0.9PbI2.1Br0.9，溶剂为DMF和DMSO,比例为4：1，浓度为1.5M。
S6.在宽带隙钙钛矿层上旋涂一层PCBM+BCP复合电子传输层，旋涂速率为PCBM：1200r/s，旋涂时间为30s，加速度为400r/s2，BCP：5000r/s,旋涂时间为30s，加速度为4500r/s2。
S7.通过原子层沉积技术在电子传输层上蒸镀一层约20nm的SnO2缓冲层，薄膜生长速率约为
真空腔体压强＜10-4Pa。
S8.通过磁控溅射在SnO2缓冲层上制备一层ITO透明电极，使用13.56MHZ射频源，气氛为氩氧混合气，流量比为99.5：0.5，压强为0.32Pa，功率为30W，所使用的靶材为氧化铟/氧化锡(90％:10％)陶瓷靶材，所制备的ITO厚度为120nm。
S9.通过热蒸发在ITO上蒸镀一层银栅线电极，厚度约为100nm，膜厚通过膜厚仪监测，蒸镀速率约为
真空腔体压强＜10-4Pa。
S10.在硅电池另一侧整面蒸发铝背场电极，蒸镀速率约
真空腔体压强＜10-4Pa。
S11.在硅片两面放置玻璃面板，引出电极，在氮气氛围中通过Norland紫外固化光学胶NOA61均匀涂敷在面板边缘，利用紫外光照射使胶水固化，完成封装。
对比例3
S1.使用银浆料在硅电池N型一面印刷栅线电极，主栅宽2mm，主栅间距8.5mm，细栅宽45μm，细栅间距3mm，栅线结构如图4所示。
S2.在HIT硅片上使用激光切割出4cm×4cm大小的硅片。
S3.透明玻璃基底超声清洗顺序为去离子水、丙酮、乙醇，每次清洗15min，清洗完成后使用气枪吹干。
S4.在透明基底一侧使用磁控溅射制备FTO透明导电层，使用13.56MHZ射频源，气氛为氩气，压强为0.32Pa，基底加热100℃，所使用的靶材为纯度99.99％的FTO靶材，所制备的FTO厚度为500nm，透光率80％。
S5.制备SnO2电子传输层
将SnO2水溶液(SnO2和去离子水体积比为1：4)均匀的铺在FTO一侧，5000r旋涂30s，加速度为1000r/s2，然后将衬底转移至热台上，150℃退火30min。
S6.制备钙钛矿薄膜
将前驱液均匀铺在SnO2一侧，首先2000r旋涂10s，加速度为200r/s2，再6000r旋涂10s，加速度为2000r/s2。将旋涂好前驱体溶液的衬底放置在真空腔内，抽真空至10-2Pa，待薄膜变色将衬底转移至热台上，100℃退火20min。在SnO2电子传输层上制备的宽带隙钙钛矿，组分为Cs0.1FA0.9PbI2.1Br0.9，溶剂为DMF和DMSO,比例为4：1，浓度为1.5M。
S7.在宽带隙钙钛矿层上旋涂一层Spiro-oMeTAD空穴传输层，旋涂速率为3000r/s，旋涂时间为30s，浓度为101.325mg/ml，溶剂为氯苯。
S8.通过热蒸发在Spiro-oMeTAD上先制备一层约30nm的MoOx缓冲层，膜厚通过膜厚仪监测，蒸镀速率约为
真空腔体压强＜10-4Pa。
S9.通过磁控溅射在MoO3缓冲层上制备一层ITO透明电极，使用13.56MHZ射频源，气氛为氩氧混合气，流量比为99.5：0.5，压强为0.32Pa，功率为30W，所使用的靶材为氧化铟/氧化锡(90％:10％)陶瓷靶材，所制备的ITO厚度为120nm。
S10.在硅电池另一侧整面蒸发铝背场电极，蒸镀速率约
真空腔体压强＜10-4Pa。
S11.将银纳米线均匀分散在树脂固化剂中，调节浓度制备成导电银浆。引出电极，将导电银浆均匀涂敷在晶硅主栅线上，并将硅栅线电极一侧与ITO透明电极一侧粘连起来，在氮气氛围中室温固化12h，完成电池叠层。
S12.在氮气氛围中使用Norland紫外固化光学胶NOA61均匀涂敷在面板边缘，使用紫外光照射使其固化，完成封装。
各实施例和对照例制得的电池性能见表1。
表1
Claims (4)
1.一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件，其结构从光照方向依次为：透明基底（2）/FTO（3）/电子传输层（4）/钙钛矿薄膜（5）/空穴传输层（6）/MoO3保护层（7）/ITO（8）/晶硅电池（12）；其特征在于：叠层太阳电池器件由宽带隙钙钛矿太阳电池与晶硅电池通过导电银浆（9）直接连接形成串联结构，并通过边缘封装直接构成叠层器件；透明基底（2）上通过激光刻蚀进行刻槽并在刻槽位置钻孔，将透明基底两面打通，在透明玻璃基底刻槽部位覆盖金属浆料，形成贯穿式金属电极（1）；
刻蚀的槽等间距排列，槽间距8.5mm，槽宽2mm，槽深0.5mm；钻孔直径1mm，孔深1.2mm，间距5mm；
导电银浆（9）覆盖晶硅主栅（10），并与透明基底（2）上的金属电极（1）位置相对应。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件，其特征在于：宽带隙钙钛矿太阳电池与晶硅电池为分开独立制备。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件，其特征在于：所述叠层器件的四周通过封装材料在氮气氛围内进行边缘密封。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池器件的制备方法，电池器件由独立子电池组装，其特征在于：所述制备方法步骤如下：
S1.刻蚀透明基底；
S2.制备晶硅电池；
S3.在刻蚀过的透明基底上覆盖金属电极；
S4.在透明基底上使用磁控溅射制备FTO透明导电层；
S5.制备宽带隙钙钛矿太阳电池功能层；
S6.使用磁控溅射在空穴传输层上制备透明电极；
S7.通过导电银浆粘合形成叠层器件，并进行四周密封。
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