CN115411196A - 一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法，包括：1)提供贴覆铜膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将铜膜刻蚀成多个单元的底电极线路，每个单元的底电极线路包括边缘主栅线和内部细栅线；2)形成多个通孔，在通孔中沉积导电材料形成背面电极；3)依次沉积空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层以及透明氧化物导电层；4)印刷顶电极栅线；5)切割成多个分离的太阳电池单元；6)采用导电胶粘接形成串联的钙钛矿太阳电池组件。本发明的铜膜和底电极线路工艺过程适合卷对卷方式连续生产，再采用裁剪叠拼的方式形成柔性组件，这样，组件的形状大小可以通过蚀刻线路设计，组件面积形状设计灵活性高，可实现零“死区”。

Description

一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法

技术领域

本发明属于光伏电池技术领域，特别是涉及一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法。

背景技术

目前，随着全球生态环境和能源短缺问题的日益严峻，太阳能光伏发电受到各国普遍关注。近年来，一种称之为“钙钛矿太阳电池”的新型电池技术引起了科研人员的广泛关注，其电池转换效率在短短的数年时间内迅速提升。钙钛矿是一种具有与矿物钙钛氧化物(CaTiO3)相同的晶体结构的材料，钙钛矿电池是以有机-无机复合型钙钛矿材料作为吸光材料，配合电子和空穴传输的新型太阳能电池。作为第三代太阳能电池技术，钙钛矿电池具有转化效率高、生产成本低、柔性好、清洁廉价等优势，在光伏、新能源、消费电子等领域应用前景可期。

实验室中，小面积钙钛矿太阳电池的效率已经达到24.2％。已具备了商业化价值，钙钛矿为低温工艺制成，薄膜结构适合大面积成型柔性组件。目前在玻璃上大面积组件化的钙钛矿工艺采用类似CIGS太阳电池的方式激光划线形成串联小单元，但是，该方案用于柔性器件时，由于单元顶电极之间只有微米级的断开，弯曲时容易形成短路，且钙钛矿膜层稳定性较差，顶电极之间也难以使用光刻胶实现绝缘。

因此，提供一种新的双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法，用于解决现有技术中单体太阳电池的形状以及组件的面积难于根据具体应用场合来改变、顶电极容易短路等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，所述制作方法至少包括：

1)提供表面贴覆有铜膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将所述铜膜刻蚀形成多个单元的底电极线路，每个单元的所述底电极线路包括边缘主栅线和与所述主栅线电气连接的内部细栅线；

2)在所述透明柔性衬底中形成暴露所述主栅线的多个通孔，并在所述通孔中沉积导电材料形成背面电极；

3)在所述透明柔性衬底表面依次沉积覆盖所述底电极线路的空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层以及透明氧化物导电层；

4)在所述透明氧化物导电层表面印刷顶电极栅线，形成整卷钙钛矿太阳电池；

5)采用模切方式对所述整卷钙钛矿太阳电池按照单元切割成多个分离的钙钛矿太阳电池单元；

6)采用导电胶将每个所述钙钛矿太阳电池单元中的所述背面电极与下一个相邻钙钛矿太阳电池单元中的所述顶电极栅线粘接固定，从而形成串联的所述钙钛矿太阳电池组件。

可选地，所述透明柔性衬底为聚酰亚胺衬底或者聚萘二甲酸乙二醇酯衬底。

可选地，所述空穴传输层为PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、TPD、PTAA、P3HT、PCPDTBT中的一种，采用涂覆或连续蒸镀的方式形成。

可选地，所述钙钛矿光吸收层厚度为100nm～1000nm，为ABX₃结构化合物，其中，A为CH₃NH₃ ⁺、NH₂-CH＝NH₂ ⁺、C₄H₉NH₃ ⁺、Cs⁺、K⁺或Na⁺中的一种或组合，B为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mn²⁺、Cu²⁺中的一种或组合，X为Cl^-、Br^-、I^-中的一种或组合，所述钙钛矿光吸收层采用狭缝涂覆法形成。

可选地，所述电子传输层为富勒烯衍生物或者金属酞菁，厚度为100～500nm，采用涂覆或连续蒸镀方式制备。

可选地，所述透明氧化物导电层为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用连续溅射方法形成。

可选地，所述顶电极栅线为丝网印刷低温固化浆料的方式形成，所述低温固化导电浆料为导电银浆、导电铜浆、导电镍浆、导电银包铜浆、导电银包镍浆、导电金浆料中的一种。

可选地，步骤6)中，通过粘接固定的所述钙钛矿太阳电池单元形成交叠结构，重叠的总面积小于所述钙钛矿太阳电池组件总面积的2％。

可选地，所述导电胶为无溶剂型热固化导电胶，固化后电阻率小于10^-3Ωcm。

本发明还提供一种利用上述任意一项所述双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法所制作的双面柔性钙钛矿太阳电池组件。

如上所述，本发明的双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法，具有以下有益效果：

1)本发明采用卷对卷的镀膜工艺和蚀刻工艺，在衬底上形成底电极线路，卷对卷技术可以连续生产，极大地提升电池的生产效率，降低生产成本。

2)本发明的衬底为透明柔性衬底，可以采用裁剪叠拼的方式形成柔性组件，免去激光划线，不会出现顶电极短路，另外，其单体电池的形状大小可以通过刻蚀底电极线路来设计，组件可以双面受光，面积形状的设计灵活性更高、无死区且裁剪方便，适用于各种场合的应用。

附图说明

图1～图9为本发明的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法各个步骤所呈现的结构示意图。其中，图9为本发明的双面柔性钙钛矿太阳电池组件示意图。

图10为本发明的双面柔性钙钛矿太阳电池组件整体示意图。

元件标号说明

1 铜膜

2 透明柔性衬底

3 底电极线路

31 主栅线

32 细栅线

4 通孔

5 背面电极

6 空穴传输层

7 钙钛矿光吸收层

8 电子传输层

9 透明氧化物导电层

10 顶电极栅线

11 导电胶

100 钙钛矿太阳电池单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～9所示，本发明提供一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

首先执行步骤1)，如图1所示，提供表面贴覆有铜膜1的透明柔性衬底2，如图2所示，通过卷对卷的蚀刻工艺将所述铜膜1刻蚀形成多个单元的底电极线路3，每个单元的所述底电极线路3包括边缘主栅线31和与所述主栅线31电气连接的内部细栅线32。

作为示例，所述透明柔性衬底2为聚酰亚胺衬底或者聚萘二甲酸乙二醇酯衬底。当然，所述透明柔性衬底2也可以是由其他适合的材料构成，在此不做限制。

所述铜膜1通过卷对卷(roll-to-roll)的镀膜方式形成在所述透明柔性衬底2上，并且通过卷对卷(roll-to-roll)的蚀刻工艺刻蚀所述铜膜1。通过卷对卷的技术可以实现连续生产，极大地提升电池的生产效率，降低生产成本。

所述主栅线31位于每个单元的边缘，所述细栅线32则位于每个单元的内部，单元中的主栅线31和细栅线32电气相连，相邻单元的底电极线路3之间电气不连接。

边缘的所述主栅线31的位置、形状及大小可以界定每个太阳电池单元的面积及形状，例如，可以是方形、圆形或者相对设置的平行线等。本实施例中，所述主栅线31的形状为一组相对设置的平行线，后续裁剪更为方便。所述细栅线32的排列方式不限，例如可以是平行排列、或者以中点为中心呈放射状分布排列等等，在此不做限制。所述细栅线32用于收集光生电流，收集的光生电流汇集至所述主栅线31。

然后执行步骤2)，如图3所示，在所述透明柔性衬底2中形成暴露所述主栅线31的多个通孔4，如图4所示，并在所述通孔4中沉积导电材料形成背面电极5。

作为示例，可以采用激光器在所述透明柔性衬底2中打孔形成多个连续分布的通孔4，所述通孔4的形状根据具体需求来设置，包括但不限于圆形、方形、三角形等。所述通孔4的位置与所述主栅线31的位置对应。在所述通孔4中沉积的导电材料与所述主栅线31形成电气连接。

作为示例，所述导电材料包括但不限于银、铝、金、铜和镍中的一种或多种的组合。本实施例中，所述导电材料选择为电镀铜。

接着执行步骤3)，如图5所示，在所述透明柔性衬底2表面依次沉积覆盖所述底电极线路3的空穴传输层6、钙钛矿光吸收层7、电子传输层8以及透明氧化物导电层9。

作为示例，所述空穴传输层6为PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、TPD、PTAA、P3HT、PCPDTBT中的一种，采用涂覆或连续蒸镀的方式形成。本实施例中，所述空穴传输层6为PEDOT:PSS。

作为示例，所述钙钛矿光吸收层7厚度为100nm～1000nm，为ABX₃结构化合物，其中，A为CH₃NH₃ ⁺、NH₂-CH＝NH₂ ⁺、C₄H₉NH₃ ⁺、Cs⁺、K⁺或Na⁺中的一种或组合，B为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mn^{2 +}、Cu²⁺中的一种或组合，X为Cl^-、Br^-、I^-中的一种或组合，所述钙钛矿光吸收层7采用狭缝涂覆法形成。本实施例中，所述钙钛矿光吸收层7的厚度为500nm，所述钙钛矿光吸收层为KSnCl₃。

作为示例，所述电子传输层8为富勒烯衍生物或者金属酞菁，厚度为100～500nm，采用涂覆或连续蒸镀方式制备。本实施例中，所述电子传输层8的厚度为300nm。

作为示例，所述透明氧化物导电层9为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用连续溅射方法形成。本实施例中，所述透明氧化物导电层9为ITO。

接着执行步骤4)，如图6所示，在所述透明氧化物导电层9表面印刷顶电极栅线10，形成整卷钙钛矿太阳电池。

作为示例，所述顶电极栅线10为丝网印刷低温固化浆料的方式形成，所述低温固化导电浆料为导电银浆、导电铜浆、导电镍浆、导电银包铜浆、导电银包镍浆、导电金浆料中的一种。本实施例中，所述低温固化导电浆料为导电银浆。

再执行步骤5)，如图7和图8所示，采用模切方式对所述整卷钙钛矿太阳电池按照单元切割成多个分离的钙钛矿太阳电池单元100。

本步骤中，沿着如图7所示的虚线部分进行裁剪，即可将整卷钙钛矿太阳电池切割成多个分离的钙钛矿太阳电池单元100。切割后的钙钛矿太阳电池单元100请参照附图8。

本发明基于组件的柔性特点，采用模切方式对钙钛矿太阳电池进行裁剪，操作简单方便，适合大规模生产。

最后执行步骤6)，如图9所示，采用导电胶11将每个所述钙钛矿太阳电池单元100中的所述背面电极5与下一个相邻钙钛矿太阳电池单元100中的所述顶电极栅线10粘接固定，从而形成串联的所述钙钛矿太阳电池组件。

将钙钛矿太阳电池单元100进行叠拼，形成交叠结构，交叠结构在保证粘结强度的前提下，其重叠面积要尽可能小，实现无死区。作为示例，本步骤中，通过粘接固定的所述钙钛矿太阳电池单元100形成交叠结构，重叠的总面积小于所述钙钛矿太阳电池组件总面积的2％。

如图10所示为组件整体示意图，可以清楚看到由钙钛矿太阳电池单元100串联形成的具有交叠结构的钙钛矿太阳电池组件。

作为示例，所述导电胶11为无溶剂型热固化导电胶，固化后电阻率小于10^-3Ωcm。

本实施例还提供一种利用上述任意一项所述双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法所制作的双面柔性钙钛矿太阳电池组件。

综上所述，本发明提供一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法，包括：1)提供贴覆铜膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将铜膜刻蚀成多个单元的底电极线路，每个单元的底电极线路包括边缘主栅线和内部细栅线；2)形成多个通孔，在通孔中沉积导电材料形成背面电极；3)依次沉积透明空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层以及透明氧化物导电层；4)印刷顶电极栅线；5)切割成多个分离的钙钛矿太阳电池单元；6)采用导电胶粘接形成串联的钙钛矿太阳电池组件。本发明采用卷对卷的镀膜工艺和蚀刻工艺，在衬底上形成底电极线路，卷对卷技术可以连续生产，极大地提升电池的生产效率，降低生产成本。由于衬底为透明柔性衬底，可以采用裁剪叠拼的方式形成柔性组件，另外，其单体电池的形状大小可以通过刻蚀底电极线路来设计，组件双面受光，面积形状的设计灵活性更高、无死区且裁剪方便，适用于各种场合的应用。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：

1)提供表面贴覆有铜膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将所述铜膜刻蚀形成多个单元的底电极线路，每个单元的所述底电极线路包括边缘主栅线和与所述主栅线电气连接的内部细栅线；

2)在所述透明柔性衬底中形成暴露所述主栅线的多个通孔，并在所述通孔中沉积导电材料形成背面电极；

3)在所述透明柔性衬底表面依次沉积覆盖所述底电极线路的空穴传输层、钙钛矿光吸收层、电子传输层以及透明氧化物导电层；

4)在所述透明氧化物导电层表面印刷顶电极栅线，形成整卷钙钛矿太阳电池；

5)采用模切方式对所述整卷钙钛矿太阳电池按照单元切割成多个分离的钙钛矿太阳电池单元；

6)采用导电胶将每个所述钙钛矿太阳电池单元中的所述背面电极与下一个相邻钙钛矿太阳电池单元中的所述顶电极栅线粘接固定，从而形成串联的所述钙钛矿太阳电池组件。

2.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述透明柔性衬底为聚酰亚胺衬底或者聚萘二甲酸乙二醇酯衬底。

3.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述空穴传输层为PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、TPD、PTAA、P3HT、PCPDTBT中的一种，采用涂覆或连续蒸镀的方式形成。

4.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述钙钛矿光吸收层厚度为100nm～1000nm，为ABX₃结构化合物，其中，A为CH₃NH₃ ⁺、NH₂-CH＝NH₂ ⁺、C₄H₉NH₃ ⁺、Cs⁺、K⁺或Na⁺中的一种或组合，B为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺、Mn²⁺、Cu²⁺中的一种或组合，X为Cl^-、Br^-、I^-中的一种或组合，所述钙钛矿光吸收层采用狭缝涂覆法形成。

5.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述电子传输层为富勒烯衍生物或者金属酞菁，厚度为100～500nm，采用涂覆或连续蒸镀方式制备。

6.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述透明氧化物导电层为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用连续溅射方法形成。

7.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述顶电极栅线为丝网印刷低温固化浆料的方式形成，所述低温固化导电浆料为导电银浆、导电铜浆、导电镍浆、导电银包铜浆、导电银包镍浆、导电金浆料中的一种。

8.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：步骤6)中，通过粘接固定的所述钙钛矿太阳电池单元形成交叠结构，重叠的总面积小于所述钙钛矿太阳电池组件总面积的2％。

9.根据权利要求1所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述导电胶为无溶剂型热固化导电胶，固化后电阻率小于10^-3Ωcm。

10.一种利用权利要求1～9任意一项所述的双面柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法所制作的双面柔性钙钛矿太阳电池组件。

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