CN114447229A

CN114447229A - 一种宽角度入射颜色不变彩色太阳能电池

Info

Publication number: CN114447229A
Application number: CN202210105973.6A
Authority: CN
Inventors: 邵宇川; 郑毅帆; 杨陈楹
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-05-06

Abstract

本发明公开了一种宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池。该太阳能电池结构从下到上依次为底光学彩色层、底半透明电极、底电荷传输层、光吸收层、顶电荷传输层、顶半透明电极，顶透明封装层；底光学彩色层为宽角度入射颜色不变滤光膜结构，由具有一定折射率差的两种介质材料堆叠而成。该太阳能电池可呈现不同的色彩，能满足分布式光伏不同环境的布置需求。由于采用滤光膜结构，具有宽角度入射颜色不变的特点，既从不同角度都能观测到相同的颜色；同时具有很好的颜色稳定性，在长期高温、辐照、应力等条件下都能保持颜色不变。

Description

一种宽角度入射颜色不变彩色太阳能电池

技术领域

本发明专利涉及太阳能电池发电领域，具体为一种宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池。

背景技术

太阳能电池技术，是一种能实现光电转换的清洁能源技术。其中，薄膜太阳能电池技术以其光吸收层薄，转换效率高而逐渐成为该领域研究的重点。将光吸收层厚度做得尽可能厚有利于对太阳光的捕获，提高电池的短路电流密度。通常为太阳能发电站开发的太阳能电池组件采用百位米厚的硅基薄膜，所制备的太阳能电池无法呈现半透明效果。随着有机材料及钙钛矿材料的设计，及城市环境下分布式供电需求的提出，开发建筑一体化太阳能电池(BIPV)则显得尤其重要。

对于BIPV而言，其不仅要实现对太阳光的有效利用，同时由于其布置位置的特殊性，又要保证电池内外的环境需求。举例而言，对于高层建筑环境，就要求BIPV具有尽可能低的光反射率，从而降低高楼的光污染。而对于办公写字楼环境，则要求BIPV能过滤对人体有害的紫外光部分，从而降低屋内的热辐射。而对于一体玻璃框架建筑而言，常规彩色太阳能电池表面并未做特殊处理，由于偏光效应，将展现出完全不同的颜色，严重制约了一体化建筑的美感呈现。

为了满足光伏组件具有不同颜色的市场需求，目前已有一些技术方案公开用于制作彩色光伏组件。如专利CN105280728A公开的一种彩色太阳能电池，在活性层中设置滤波层，滤波层对电池表面的反射光在全色域内进行窄带调制，以使电池表面呈现不同的颜色，此技术方案工艺条件非常复杂，目前很难产业化。又如专利CN203536452U公开的采用彩色环氧树脂层实现电池的不同颜色效果，其彩色环氧树脂层存在耐候性不足的本征问题，长期使用将具有明显的稳定性问题。再如CN203967102U公开的在太阳能电池正面覆盖一层透明主动显色膜技术，其通过控制驱动电压来控制多个透明LED或OLED的发光色彩，但会存在LED或OLED光衰减而造成颜色的失真和缺陷、LED或OLED工作过程中温升而造成的发电效率降低等现象。

现阶段而言，市场中尚未提出稳定性好，流程可靠的彩色太阳能电池制备方案。更为重要的是，目前彩色太阳能电池反射颜色随观测角度变化偏移明显，将严重制约大面积彩色太阳能电池颜色的呈现。提出一种能实现宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池技术，对于分布式光伏适用于城市中的复杂环境至关重要。

发明内容

本发明所要解决的问题是，如何设计一种宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其可实现不同观测角度呈现相同颜色的效果。该颜色的展现不仅具有优异的色纯度，同时需要保证色彩的稳定性，不会在长期高温辐照后衰退。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，该结构从下到上依次为底光学彩色层、底半透明电极、底电荷传输层、光吸收层、顶电荷传输层、顶半透明电极、顶透明封装层，其特点在于：底部光学彩色层为宽角度入射颜色不变的滤光膜体系。

作为优选，该滤光膜体系由具有一定折射率差(Δn≥0.4)的两种介质材料堆叠而成；一种为较高折射率材料(n≥1.8)，可选自氧化锆、氧化锌、氧化铪、氧化钽、氮化硅或其化合物；另一种为更高折射率材料(n≥2.3)，可选自氧化钛、硫化锌、硅及其化合物；各层厚为30-150nm，总层数为4-20层。

作为优选，利用薄膜传输矩阵方法和CIE色度学理论，通过结合多角度下薄膜反射光谱要求(颜色、带宽等参数)以及色度学要求(色坐标、CIE2000 色差等)合并优化实现底光学彩色层，主要以目标光谱曲线和色坐标(或色差) 为综合评价函数进行薄膜设计，即F＝a×Σ(R(λ)-R₀(λ))²+b×((x-x₀)²+(y-y₀)²)或F＝a×Σ(R(λ)-R₀(λ))²+b×ΔE₀₀)，其中R(λ)、R₀(λ)分别是设计的反射光谱和理想目标光谱，(x,y)、(x₀,y₀)分别是设计的反射光谱对应的色坐标和理想目标光谱对应的色坐标，ΔE₀₀为不同角度的反射光谱对应颜色的CIE 2000色差，a、b分别是两项的权重，根据不同颜色的光谱响应结果，调整相应的权重值以得到最优的结果，满足|x-x₀|≤0.7，|y-y₀|≤0.7。

作为优选，底光学彩色层和底半透明电极可合并为一层，即由ITO材料作为较高折射率材料与更高折射率材料堆叠出具有导电功能的滤光膜结构，更高折射率膜层控制在60nm以下，总层数为4-8层。

作为优选，半透明电极材料为ITO或金属纳米线或金属/介质/金属三明治结构。

作为优选，光吸收层采用具有优异光伏特性的钙钛矿材料制备而成，厚度 50nm～1000nm。

作为优选，根据太阳能电池器件结构不同，底电荷传输层和顶电荷传输层可以分别为空穴及电子传输层，或电子及空穴传输层组合，层厚度为1nm～300 nm。

作为优选，所述空穴传输层为PTAA，PEDOT:PSS，F4-TCNQ，2-PACZ或金属氧化物的一种或多种。所述电子传输层材料为TPBi、C60、BCP、PC60BM、 Bphen、Alq3或ZnO的一种或多种。

作为优选，所述光吸收层材料包括钙钛矿材料、有机材料的一种或多种，其中钙钛矿材料采用ABX₃结构，A为Cs⁺、HN＝CHNH₃ ⁺、CH₃NH₃ ⁺、Rb⁺、 Na⁺、K⁺或其组合；B为Sn²⁺、Pb²⁺或其组合；X为卤素阴离子、O^2-、S^2-或它们的组合。

作为优选，顶透明封装层采用封装材料为热固化密封树脂，可为PDMS、 PMMA、PVA、PI等常规热交联材料的一种或多种，也可采用透明UV固化树脂，层厚度为100nm～100μm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、通过采用滤光膜结构，可以实现宽角度入射颜色不变的特点，实现不同观测角度相同色彩输出效果。

二、高低折射率差介质材料体系本身具有优异的稳定性及成熟的制备工艺，因此保证了该彩色太阳能电池具有极好的颜色稳定性。

三、该彩色太阳能电池采用钙钛矿或有机材料作为光吸收层，具有超高的能质比、可柔性化的特点。

附图说明

图1是本发明所涉及的一种宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，该结构从下到上依次为底光学彩色层、底半透明电极、底电荷传输层、光吸收层、顶电荷传输层、顶半透明电极，顶透明封装层。

图2是蓝色光学彩色膜的反射透射曲线及不同入射角颜色变化关系图

图3是红色光学彩色膜的反射透射曲线及不同入射角颜色变化关系图

图4是紫色光学彩色膜的反射透射曲线及不同入射角颜色变化关系图

图5是蓝绿色光学彩色膜的反射透射曲线及不同入射角颜色变化关系图

图6是绿色光学彩色膜的反射透射曲线及不同入射角颜色变化关系图

图7是黄色光学彩色膜的反射透射曲线及不同入射角颜色变化关系图

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

采用磁控溅射工艺溅射底光学彩色层，用以反射蓝色，具体膜系为基板|氧化铪(74nm)|氧化钛(119nm)|氧化铪(172nm)|氧化钛(151nm)|氧化铪(191nm) |氧化钛(51nm)|氧化铪(106nm)。对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式,以300μm的刮涂厚度， 20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI₃·MAPbBr₃钙钛矿(5:83:17，1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层 (5000rpm,50s，45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm²，测得器件的开路电压(V_OC)为1.04V，短路电流(J_SC)为15.96mA/cm²，填充因子(FF) 为0.71，光电转换效率(PCE)为15.1％。垂直入射时，反射带颜色470nm,反射峰值大于40％，为彩色显示提供了充分的亮度分量，而剩余能量平均透过率高达93.6％，为光电转换效能提供了高效的透过能量，其颜色显示分布如 CIE1931色品图2中所示，0-50°入射，色坐标分布在0.17≤x≤0.23，0.13≤y ≤0.19，角度特性优良。

实施例2：

采用磁控溅射工艺溅射底光学彩色层，用以反射红色，具体膜系为基板|氧化铪(182nm)|氧化钛(97nm)|氧化铪(234nm)|氧化钛(92nm)|氧化铪(235nm) |氧化钛(94nm)|氧化铪(229nm)|氧化钛(93nm)|氧化铪(240nm)|氧化钛 (49nm)|氧化铪(61nm)。对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式，以300μm的刮涂厚度，20mm/s 的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO 表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃, 10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI₃·MAPbBr₃钙钛矿(5:83: 17，1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层(5000rpm,50 s，45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80 nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm²，测得器件的开路电压(V_OC) 为1.04V，短路电流(J_SC)为18.67mA/cm²，填充因子(FF)为0.70，光电转换效率(PCE)为17.7％。垂直入射时，反射带颜色670nm，反射峰值大于65％，为彩色显示提供了充分的亮度分量，而剩余能量平均透过率高达84.1％，为光电转换效能提供了高效的透过能量，其颜色显示分布如CIE1931色品图3中所示， 0-50°入射，色坐标分布在0.23≤x≤0.29，0.33≤y≤0.36，角度特性优良。

实施例3：

采用磁控溅射工艺溅射底光学彩色层，用以反射红色,具体膜系为基板|氧化铪(108nm)|氧化钛(55nm)|氧化铪(31nm)|氧化钛(64nm)|氧化铪(13nm) |氧化钛(99nm)|氧化铪(84nm)。对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式，以300μm的刮涂厚度， 20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI₃·MAPbBr₃钙钛矿(5:83:17，1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层 (5000rpm,50s，45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm²，测得器件的开路电压(V_OC)为1.05V，短路电流(J_SC)为18.21mA/cm²，填充因子(FF) 为0.73，光电转换效率(PCE)为13.9％。垂直入射时，反射带颜色440nm，反射峰值大于40％，为彩色显示提供了充分的亮度分量，而剩余能量平均透过率高达90.4％，为光电转换效能提供了高效的透过能量，其颜色显示分布如 CIE1931色品图4中所示，0-50°入射，色坐标分布在0.22≤x≤0.26，0.13≤y ≤0.2，角度特性优良。

实施例4：

采用磁控溅射工艺溅射底光学彩色层，用以反射红色,具体膜系为基板|氧化铪(94nm)|氧化钛(209nm)|氧化铪(29nm)|氧化钛(185nm)|氧化铪(25nm) |氧化钛(216nm)|氧化铪(91nm)。对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式，以300μm的刮涂厚度， 20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI₃·MAPbBr₃钙钛矿(5:83:17，1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层 (5000rpm,50s，45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm²，测得器件的开路电压(V_OC)为1.04V，短路电流(J_SC)为17.37mA/cm²，填充因子(FF) 为0.68，光电转换效率(PCE)为12.28％。垂直入射时，反射带颜色510nm，反射峰值大于30％，为彩色显示提供了充分的亮度分量，而剩余能量平均透过率高达91.5％，为光电转换效能提供了高效的透过能量，其颜色显示分布如 CIE1931色品图5中所示，0-50°入射，色坐标分布在0.22≤x≤0.26，0.28≤y ≤0.35，角度特性优良。

实施例5：

采用磁控溅射工艺溅射底光学彩色层，用以反射红色,具体膜系为基板|氧化铪(117nm)|氧化钛(89nm)|氧化铪(202nm)|氧化钛(184nm)|氧化铪(206nm) |氧化钛(122nm)|氧化铪(75nm)。对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式，以300μm的刮涂厚度， 20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI₃·MAPbBr₃钙钛矿(5:83:17，1.5mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层 (5000rpm,50s，45s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm²，测得器件的开路电压(V_OC)为1.03V，短路电流(J_SC)为16.62mA/cm²，填充因子(FF) 为0.71，光电转换效率(PCE)为12.15％。垂直入射时，反射带颜色550nm，反射峰值大于40％，为彩色显示提供了充分的亮度分量，而剩余能量平均透过率高达90.7％，为光电转换效能提供了高效的透过能量，其颜色显示分布如 CIE1931色品图6中所示，0-50°入射，色坐标分布在0.27≤x≤0.33，0.48≤y ≤0.51，角度特性优良。

实施例6：

采用磁控溅射工艺溅射底光学彩色层，用以反射红色,具体膜系为基板|氧化钛(17nm)|氧化铪(130nm)|氧化钛(72nm)|氧化铪(27nm)|氧化钛(27nm) |氧化铪(83nm)。对表面粗糙度小于1nm的玻璃基板进行清洗，清洗后用氮气吹干；在玻璃基板上采用刮涂方式，以300μm的刮涂厚度，20mm/s的刮涂速度制备PVDF-HFP薄膜，并进行退火(80℃,5min)；完成衬底后，对PVDF-HFP 薄膜进行低温溅射ITO薄膜；完成透明导电阴极ITO后，在ITO表面旋转涂覆PTAA(4000rpm,30s,20nm)，并将所形成的薄膜进行烘烤(100℃,10min)；在空穴传输层上采用旋涂制备CsI·FAPbI₃·MAPbBr₃钙钛矿(5:83:17，1.5 mol/L，N,N-二甲基甲酰胺80％，二甲基亚砜20％)活性层(5000rpm,50s，45 s滴入反溶剂氯苯)，并进行退火(100℃,10min)；在活性层表面蒸镀电子传输层C60(30nm)、BCP(7nm)；并在电子传输层上蒸镀金属阳极Cu(80nm)。在标准测试条件下：AM1.5，100mW/cm²，测得器件的开路电压(V_OC)为1.02 V，短路电流(J_SC)为15.88mA/cm²，填充因子(FF)为0.69，光电转换效率 (PCE)为11.17％。垂直入射时，反射带颜色590nm，反射峰值大于25％，为彩色显示提供了充分的亮度分量，而剩余能量平均透过率高达89.8％，为光电转换效能提供了高效的透过能量，其颜色显示分布如CIE1931色品图7中所示， 0-50°入射，色坐标分布在0.38≤x≤0.45，0.42≤y≤0.48，角度特性优良。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，该结构从下到上依次为底光学彩色层、底半透明电极、底电荷传输层、光吸收层、顶电荷传输层、顶半透明电极、顶透明封装层，其特征在于：底部光学彩色层为宽角度入射颜色不变的滤光膜体系。

2.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：所述的滤光膜体系由具有一定折射率差(Δn≥0.4)的两种介质材料堆叠而成；其中，第一介质材料的折射率为n≥1.8，选自氧化锆、氧化锌、氧化铪、氧化钽、氮化硅或其化合物；第二介质材料的折射率为n≥2.3，选自氧化钛、硫化锌、硅及其化合物。

3.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：所述的滤光膜体系中各层厚为30-150nm，总层数为4-20层。

4.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：利用薄膜传输矩阵方法和CIE色度学理论，通过结合多角度下薄膜反射光谱要求(颜色、带宽等参数)以及色度学要求(色坐标、CIE2000色差等)合并优化实现底光学彩色层，主要以目标光谱曲线和色坐标(或色差)为综合评价函数进行薄膜设计，即F＝a×Σ(R(λ)-R₀(λ))²+b×((x-x₀)²+(y-y₀)²)或F＝a×Σ(R(λ)-R₀(λ))²+b×ΔE₀₀)，其中R(λ)、R₀(λ)分别是设计的反射光谱和理想目标光谱，(x,y)、(x₀,y₀)分别是设计的反射光谱对应的色坐标和理想目标光谱对应的色坐标，ΔE₀₀为不同角度的反射光谱对应颜色的CIE 2000色差，a、b分别是两项的权重，根据不同颜色的光谱响应结果，调整相应的权重值以得到最优的结果，满足|x-x₀|≤0.7，|y-y₀|≤0.7。

5.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：底光学彩色层和底半透明电极可合并为一层，即由ITO材料作为较高折射率材料与更高折射率材料堆叠出具有导电功能的滤光膜结构，更高折射率膜层控制在60nm以下，总层数为4-8层。

6.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：半透明电极材料为ITO或金属纳米线或金属/介质/金属三明治结构。

7.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：所述的光吸收层厚度50nm～1000nm。

8.权根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：根据太阳能电池器件结构不同，底电荷传输层和顶电荷传输层可以分别为空穴及电子传输层，或电子及空穴传输层组合，层厚度为1nm～300nm。

9.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层为PTAA，PEDOT:PSS，F4-TCNQ，2-PACZ或金属氧化物的一种或多种；所述电子传输层材料为TPBi、C60、BCP、PC60BM、Bphen、Alq3或ZnO的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：所述光吸收层材料包括钙钛矿材料、有机材料的一种或多种，其中钙钛矿材料采用ABX₃结构，A为Cs⁺、HN＝CHNH₃ ⁺、CH₃NH₃ ⁺、Rb⁺、Na⁺、K⁺或其组合；B为Sn²⁺、Pb²⁺或其组合；X为卤素阴离子、O^2-、S^2-或它们的组合。

11.根据权利要求1所述的宽角度入射颜色不变的彩色太阳能电池，其特征在于：所述的透明封装层的封装材料为热固化密封树脂，为PDMS、PMMA、PVA、PI等常规热交联材料的一种或多种，或采用透明UV固化树脂，层厚度为100nm～100μm。