CN117693276A - 一种柔性钙钛矿太阳电池组件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性钙钛矿太阳电池组件极其制作方法，包括：1)提供表面贴覆有铝膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将铝膜刻蚀形成多个单元的底电极线路，每个单元的底电极线路包括细栅线和与细栅线电气连接的接触电极；2)在透明柔性衬底表面依次沉积覆盖细栅线的多层结构层；3)印刷顶电极栅线，每个单元中的顶电极栅线与下一个相邻单元中的接触电极电气连接，从而形成串联的所述柔性钙钛矿太阳电池组件。本发明的整体组件生产过程适合卷对卷的方式连续生产，直接形成串联组件，并方便剪裁成合适大小形状，组件面积形状的设计灵活性高。

Description

一种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。

目前，在众多实验室研究基础上，玻璃基板上大面积钙钛矿组件已成功面世，柔性组件的大面积生产工艺尚不成熟。因此，提供一种新的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的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种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)提供表面贴覆有铝膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将所述铝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细栅线和与所述细栅线电气连接的接触电极；

2)在所述透明柔性衬底表面依次沉积覆盖所述细栅线的多层结构层，所述多层结构层包括依次形成的第一透明氧化物导电层、第一电子传输层、第一钙钛矿光吸收层及第一空穴传输层，或者包括依次形成的第二空穴传输层、第二钙钛矿光吸收层、第二电子传输层及第二透明氧化物导电层；

3)在所述多层结构层表面印刷顶电极栅线，每个单元中的所述顶电极栅线与下一个相邻单元中的所述接触电极电气连接，从而形成串联的所述柔性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，所述第一透明氧化物导电层为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用掩膜溅射方式制备；所述第二透明氧化物导电层为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用掩膜溅射方式制备。

可选地，所述第一电子传输层为氧化钛、氧化锡、富勒烯衍生物、金属酞菁中的一种，厚度为100～500nm，采用浆料涂覆或掩膜蒸镀的方式制备；所述第二电子传输层为氧化钛、氧化锡、富勒烯衍生物、金属酞菁中的一种，厚度为100～500nm，采用浆料涂覆或掩膜蒸镀的方式制备。

可选地，所述第一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，所述第一钙钛矿光吸收层采用狭缝涂覆法形成；所述第二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，所述第二钙钛矿光吸收层采用狭缝涂覆法形成。

可选地，所述第一空穴传输层包括NixO、V₂O₅、CuI、MoO₃、Cu_xO中一种，采用掩膜溅射方式制备。

可选地，所述第二空穴传输层为PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、TPD、PTAA、P3HT、PCPDTBT中的一种，采用涂敷或掩膜蒸镀的方式形成。

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。

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

如上所述，本发明的一种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)本发明的整体组件利用卷对卷的工艺方式形成，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，可以直接利用电气连接区域形成串联的柔性组件，方便剪裁成合适的大小形状，组件可双面受光，面积形状的设计灵活性高，适用于各种场合的应用。

附图说明

图1～图5为本发明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5为本发明柔性钙钛矿太阳电池组件示意图。

图6为本发明顶电极栅线和电气连接区域的俯视图。

元件标号说明

1 铝膜

2 透明柔性衬底

3 底电极线路

31 细栅线

32 接触电极

4 多层结构层

41a 第一透明氧化物导电层

41b 第二透明氧化物导电层

42a 第一电子传输层

42b 第二电子传输层

43a 第一钙钛矿光吸收层

43b 第二钙钛矿光吸收层

44a 第一空穴传输层

44b 第二空穴传输层

5 顶电极栅线

6 电气连接区域

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1～6所示，本发明提供一种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，提供表面贴覆有铝膜1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铝膜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包括细栅线31和与所述细栅线31电气连接的接触电极32。其中，附图3为附图2的俯视图。

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。

所述铝膜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铝膜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。

所述细栅线31和所述接触电极32的相对位置关系不限，例如，所述接触电极32可以位于一侧表面，单元内其他位置设置所述细栅线31。单元内的所述细栅线31和所述接触电极32电气相连，相邻单元的底电极线路3之间电气不连接。

所述接触电极32的形状及大小不限，例如，可以是线形、方形、圆形或者相对设置的平行线等。本实施例中，所述述接触电极32的形状为线形，后续形成串联结构更为方便。所述细栅线31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31用于收集光生电流，收集的光生电流汇集至所述接触电极32。

接着执行步骤2)，如图4a所示，在所述透明柔性衬底2表面依次沉积覆盖所述细栅线31的多层结构层4，所述多层结构层4包括依次形成的第一透明氧化物导电层41a、第一电子传输层42a、第一钙钛矿光吸收层43a及第一空穴传输层44a，或者如图4b所示，所述多层结构层4包括依次形成的第二空穴传输层44b、第二钙钛矿光吸收层43b、第二电子传输层42b及第二透明氧化物导电层41b。

作为示例，所述第一透明氧化物导电层41a为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用掩膜溅射方式制备；所述第二透明氧化物导电层41b为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用掩膜溅射方式制备。

作为示例，所述第一电子传输层42a为氧化钛、氧化锡、富勒烯衍生物、金属酞菁中的一种，厚度为100～500nm，采用浆料涂覆或掩膜蒸镀的方式制备；所述第二电子传输层42b为氧化钛、氧化锡、富勒烯衍生物、金属酞菁中的一种，厚度为100～500nm，采用浆料涂覆或掩膜蒸镀的方式制备。

作为示例，所述第一钙钛矿光吸收层43a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⁺、Ge^{2 +}、Mn²⁺、Cu²⁺中的一种或组合，X为Cl^-、Br^-、I^-中的一种或组合，所述第一钙钛矿光吸收层43a采用狭缝涂覆法形成；所述第二钙钛矿光吸收层43b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，所述第二钙钛矿光吸收层43b采用狭缝涂覆法形成。

作为示例，所述第一空穴传输层44a包括NixO、V₂O₅、CuI、MoO₃、Cu_xO中一种，采用掩膜溅射方式制备。

作为示例，所述第二空穴传输层44b为PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、TPD、PTAA、P3HT、PCPDTBT中的一种，采用涂敷或掩膜蒸镀的方式形成。

在一实施例中，请参考附图4a，所述多层结构层4包括依次形成的第一透明氧化物导电层41a、第一电子传输层42a、第一钙钛矿光吸收层43a及第一空穴传输层44a。所述第一透明氧化物导电层41a为ITO；所述第一电子传输层42a为氧化钛，厚度为250nm；所述第一钙钛矿光吸收层43a厚度为500nm，为KGeCl₃,；所述第一空穴传输层44a包括NixO。

在另一实施例中，请参考附图4b，所述多层结构层4包括依次形成的第二空穴传输层44b、第二钙钛矿光吸收层43b、第二电子传输层42b及第二透明氧化物导电层41b。所述第二空穴传输层44b为PEDOT:PSS；所述第二钙钛矿光吸收层43b厚度为800nm，为NaCuBr₃,；所述第二电子传输层42b为氧化锡，厚度为300nm；所述第二透明氧化物导电层41a为IZO。

本步骤中，所述多层结构层只需覆盖住所述细栅线31，露出所述接触电极32。

需要说明的是，为图示方便，仅在图4a的基础上进行后续附图的展示。

接着执行步骤3)，如图5所示，在所述多层结构层4表面印刷顶电极栅线5，每个单元中的所述顶电极栅线5与下一个相邻单元中的所述接触电极32电气连接，从而形成串联的所述柔性钙钛矿太阳电池组件。

作为示例，所述顶电极栅线5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。

需要说明的是，附图6为顶电极栅线5和电气连接区域6的俯视图。在印刷所述多层结构层4表面的顶电极栅线5时，同时印刷顶电极栅线5和下一个电池单元的接触电极32之间的电气连接区域6，以使所述顶电极栅线5和下一个电池单元的接触电极32电气相连，实现串联。为图示清晰，附图6中的顶电极栅线5采用黑色线条展示。

本步骤直接通过电气连接区域6将相邻的电池单元串联成组件(相邻单元的所述顶电极栅线7之间无电气连接)，不需要进行各个电池单元的切割分离工艺，只需根据具体应该场合的面积和形状进行适应性裁剪即可，灵活性大大提高。

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

综上所述，本发明提供一种柔性钙钛矿太阳电池组件极其制作方法，包括：1)提供表面贴覆有铝膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将铝膜刻蚀形成多个单元的底电极线路，每个单元的底电极线路包括细栅线和与细栅线电气连接的接触电极；2)在透明柔性衬底表面依次沉积覆盖细栅线的多层结构层，所述多层结构层包括依次形成的第一透明氧化物导电层、第一电子传输层、第一钙钛矿光吸收层及第一空穴传输层，或者包括依次形成的第二空穴传输层、第二钙钛矿光吸收层、第二电子传输层及第二透明氧化物导电层；3)印刷顶电极栅线，每个单元中的顶电极栅线与下一个相邻单元中的接触电极电气连接，从而形成串联的所述柔性钙钛矿太阳电池组件。本发明的整体组件利用卷对卷的工艺方式形成，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。另外，本发明的衬底为透明柔性衬底，可以直接形成串联的柔性组件，方便剪裁成合适的大小形状，组件可双面受光，面积形状的设计灵活性高，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 (9)

1.一种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)提供表面贴覆有铝膜的透明柔性衬底，通过卷对卷的蚀刻工艺将所述铝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细栅线和与所述细栅线电气连接的接触电极；

2)在所述透明柔性衬底表面依次沉积覆盖所述细栅线的多层结构层，所述多层结构层包括依次形成的第一透明氧化物导电层、第一电子传输层、第一钙钛矿光吸收层及第一空穴传输层，或者包括依次形成的第二空穴传输层、第二钙钛矿光吸收层、第二电子传输层及第二透明氧化物导电层；

3)在所述多层结构层表面印刷顶电极栅线，每个单元中的所述顶电极栅线与下一个相邻单元中的所述接触电极电气连接，从而形成串联的所述柔性钙钛矿太阳电池组件。

2.根据权利要求1所述的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所述的柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述第一透明氧化物导电层为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用掩膜溅射方式制备；所述第二透明氧化物导电层为ITO、FTO、IWO、IZO中的一种，采用掩膜溅射方式制备。

4.根据权利要求1所述的柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述第一电子传输层为氧化钛、氧化锡、富勒烯衍生物、金属酞菁中的一种，厚度为100～500nm，采用浆料涂覆或掩膜蒸镀的方式制备；所述第二电子传输层为氧化钛、氧化锡、富勒烯衍生物、金属酞菁中的一种，厚度为100～500nm，采用浆料涂覆或掩膜蒸镀的方式制备。

5.根据权利要求1所述的柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述第一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，所述第一钙钛矿光吸收层采用狭缝涂覆法形成；所述第二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，所述第二钙钛矿光吸收层采用狭缝涂覆法形成。

6.根据权利要求1所述的柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述第一空穴传输层包括NixO、V₂O₅、CuI、MoO₃、Cu_xO中一种，采用掩膜溅射方式制备。

7.根据权利要求1所述的柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法，其特征在于：所述第二空穴传输层为PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、TPD、PTAA、P3HT、PCPDTBT中的一种，采用涂敷或掩膜蒸镀的方式形成。

8.根据权利要求1所述的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。

9.一种利用权利要求1～8任意一项所述的柔性钙钛矿太阳电池组件的制作方法所制柔性钙钛矿太阳电池组件。