CN117858588A - 一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件及其制备方法。该方法包括如下步骤：在含有透明导电薄膜的基底上进行P1刻蚀，得到具有多条P1刻蚀线的导电基底；在所述导电基底上沉积功能层；其中，功能层为由下至上沉积电子传输层、有机吸收层、空穴传输层；在所述功能层上进行P2刻蚀，形成多条P2刻蚀线；先刻蚀去掉所述功能层边缘区域；在空穴传输层上沉积金属背电极层；在基底上进行P4刻蚀，得到具有多条P4刻蚀线的金属背电极；在金属背电极层上进行P5刻蚀，形成多条P5刻蚀线；进行盖板封装，即得。本发明采用紫外激光烧蚀，可以缩短单个子电池的死区宽度，提高几何填充因子，降低制备成本，利于产业化应用。

Description

一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机太阳电池技术领域，特别涉及一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件及其制备方法。
背景技术
随着全球对能源日益增长的需求，发展清洁和可再生能源受到广泛关注。有机太阳电池由于其重量轻、机械柔韧性好、易于溶液加工等优点，在大规模的商业应用中具有巨大的潜力。
有机太阳电池一般由基底、透明导电薄膜、下界面层、活性层、上界面层和背电极五部分构成。透明导电薄膜例如氧化铟锡(ITO)的电阻率对于小面积器件(<1cm2)可以忽略不计，但对于大面积器件却不能忽略不计。有两种方法可以减轻电阻造成的损失:(1)像晶硅电池一样使用金属网格收集电流；(2)将大面积膜分割成窄的多个串联连接的子电池。金属网格策略非常适合晶硅电池，但当不切割时电流会随着面积放大而增大，金属网格策略并不适用于平方米级别的电池，比如一个1平方米的电池，25mA/cm2电流密度输出将产生250A的电流。有机太阳电池非常容易实现平米级别的涂布印刷，因此有机太阳电池往往采用分隔成小面积子电池串联的策略。
串联策略可以通过化学刻蚀、硬物划刻等方法来分割活性区域。随着激光技术的进步，激光已被引入到有机太阳电池组件的制备过程中。激光刻蚀线之间的区域是有机太阳电池组件的非活性部分称为互连宽度，又称为死区。几何填充因子是有效活性面积和孔径面积的比值，也等同于单个子电池的死区宽度与单个子电池的有效活性区域宽度的比值。2015年德国德国埃尔朗根-纽伦堡大学C.J.Brabeca课题组报道使用超快飞秒520nm绿光激光器实现了高达98.5％的几何填充因子，其单个子电池死区宽度为80um。在随后几年世界上多个课题组都陆续报道了激光刻蚀的有机太阳电池组件，然而这些报道中有机太阳电池组件的死区宽度都在200um以上，其原因是他们大多采用纳秒红外光或者可见光激光器，且使用价格昂贵的飞秒或皮秒级别的激光器。
因此，如何使用低成本激光器制造高几何填充因子的有机太阳电池组件，成为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件及其制备方法，其目的是为了解决背景技术存在的上述问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，包括如下步骤：
S1：在含有透明导电薄膜的基底上进行P1刻蚀，得到具有多条P1刻蚀线的导电基底；
S2：在所述导电基底上沉积功能层；其中，功能层为由下至上沉积电子传输层、有机吸收层、空穴传输层；
S3：在所述功能层上进行P2刻蚀，形成多条P2刻蚀线；
S4：先刻蚀去掉所述功能层边缘区域；
S5：在空穴传输层上沉积金属背电极层；
S6：在基底上进行P4刻蚀，得到具有多条P4刻蚀线的金属背电极；
S7：在金属背电极层上进行P5刻蚀，形成多条P5刻蚀线；
S8：制备盖板并将盖板倒扣在步骤S7的P5刻蚀后材料的涂有UV固化胶的边缘，经UV固化灯照射，即得。其中，在盖板四个边缘采用UV固化胶粘结凸起物，得到凹槽盖板；再将凹槽盖板倒扣在步骤S7中P5刻蚀后材料的四个边缘，且边缘涂有UV固化胶，经UV固化灯照射，照射时使用不透UV光的遮挡板遮挡住其余部分以保护有效区域。
优选地，刻蚀的激光器参数为：紫外脉冲激光、脉冲宽度10fs～1000ns、脉冲重复频率为1kHz～10MHz、平均功率1mW～50W，刻蚀速度1～4000mm/s，刻蚀单条线宽1～500um，加工次数1～100次。
优选地，步骤S1中多条P1刻蚀线将透明导电薄膜完全分隔为多个相互绝缘的区域。
优选地，步骤S2中还包括：沉积功能层前将导电基底进行清洗干燥。
优选地，步骤S2中电子传输层厚度为5～100nm，有机吸收层厚度为50～1000nm，空穴传输层厚度为5～100nm。
优选地，步骤S3中P2刻蚀线与P1刻蚀线相距1～3000um。
优选地，步骤S4中边缘区域为功能层边缘宽度2～30mm的区域，且刻蚀直至裸露出基底。
优选地，步骤S5中金属背电极层的厚度为10～200nm。
优选地，步骤S6中多条P4刻蚀线与P2刻蚀线相距1～3000um。
优选地，步骤S7中多条P5刻蚀线垂直位于多条P1刻蚀线构成有效面积上下两侧边缘，P5刻蚀线随子电池长度而变化；且P5刻蚀线刻断功能层以实现断路。
基于一个发明总的构思，本发明的实施例提供了上述制备方法获得的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)本发明将紫外脉冲激光器首次引入到有机太阳电池模组的制备过程中；与红外光和可见光相比，紫外光能量更强，激光刻蚀时作用时间会减短，单个点直径变小，线宽将进一步变窄，单个子电池的死区宽度降低，几何填充因子得到提高。
(2)本发明在激光图案化过程中全程采用单一波长的紫外激光进行烧蚀，可以降低有机太阳电池组件制备的工艺成本，利于其产业化应用。
(3)本发明引入凹槽盖板用于封装，避免与有效活性区域的接触，且只需要UV照射四个边缘，从而避免了UV照射有效活性区域。同时也避免了有效活性区域与UV封装胶的接触，降低了对UV封装胶与活性区域相互作用的顾虑，增加了UV封装胶的种类选择。
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是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中P1刻蚀后的横截面示意图；
图2是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中沉积功能层后的横截面示意图；
图3是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中P2刻蚀后的横截面示意图；
图4是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中P3刻蚀后呈现P3刻蚀区域的俯视示意图；
图5是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中沉积金属背电极后的横截面示意图；
图6是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中P4刻蚀后的横截面示意图；
图7是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中P5刻蚀后的俯视示意图；
图8是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中刻蚀后单个死区处的局部放大示意图；
图9是本发明的实施例一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法中封装后盖板的俯视示意图；
图10是本发明的实施例提供的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件成品的横截面示意图。
【附图标记说明】
1-基底、2-透明导电薄膜层、3-P1刻蚀线、4-电子传输层、5-有机吸收层、6-空穴传输层、7-P2刻蚀线、8-P3刻蚀区域、9-金属背电极层、10-P4刻蚀线、11-P5刻蚀线、12-盖板。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明针对现有的问题，提供了一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件及其制备方法。
实施例
一种有机太阳电池组件，包括：基底1、透明导电薄膜层2、功能层(电子传输层4、有机吸收层5、空穴传输层6)、金属背电极层9；
该有机太阳电池组件的制备方法具体步骤为如下：
步骤一：采用355nm激光器对50mm*50mm的包含透明导电薄膜层2的基底1进行P1刻蚀，多个P1刻蚀线3将透明导电薄膜层2完全分隔为多个相互绝缘的区域，P1刻蚀后的横截面示意图如图1所示；其中，透明导电薄膜层2的材料选用氧化铟锡。
具体的，P1刻蚀时所用的激光器参数为：355nm纳秒激光、脉冲重复频率为100kHz、平均功率5W，刻蚀速度1000mm/s，刻蚀单条线宽20um，加工次数1次。
步骤二、功能层的制备，沉积功能层后的横截面示意图如图2所示，具体为：电子传输层4、有机吸收层5、空穴传输层6的制备，包括如下步骤：
首先将刻蚀好的导电基底1&2进行清洗干燥；
在刻蚀好的导电基底1&2上刮涂沉积电子传输层4，其中，电子传输层4的材质为氧化锌，厚度为30nm；
接着在电子传输层4上刮涂沉积有机吸收层5，厚度为110nm；
接着在有机吸收层5上刮涂沉积空穴传输层6，空穴传输层6的材质为MoO3，厚度为10nm；
上述电子传输层4、有机吸收层5、空穴传输层6沉积方式还可以是溶液旋涂、狭缝涂布、卷对卷涂布或真空蒸发中的至少一种。
步骤三、采用355nm激光器进行P2刻蚀，P2刻蚀线7的位置以最右侧P1刻蚀线3向左移22.5um为准，然后从右到左刻蚀出间隔为4.3mm的等距刻蚀线，P2刻蚀线7需要完全去除刻蚀区域的电子传输层4、有机吸光层5和空穴传输层6，裸露出底层的透明导电薄膜层2，P2刻蚀后的横截面示意图如图3所示。
其中，P2刻蚀所用的激光参数为：355nm纳秒激光、脉冲重复频率为100kHz、平均功率5W，刻蚀速度1000mm/s，刻蚀单条线宽25um，加工次数1次。
步骤四、进行P3刻蚀封装所用的边缘，采用355nm激光器刻蚀掉功能层边缘处四个各20mm宽度的区域，P3刻蚀需要完全去除刻蚀区域的电子传输层4、有机吸光层5和空穴传输层6，裸露出基底1。P3刻蚀后呈现P3刻蚀区域8的俯视示意图如图4所示。
其中，P3刻蚀所用的激光参数为：355nm纳秒激光、脉冲重复频率为100kHz、平均功率5W，刻蚀速度1000mm/s，刻蚀单条线宽25um，加工次数1次。
步骤五、沉积背电极层9具体采用真空蒸发镀膜的方式在空穴传输层6上沉积Ag层，该Ag层的厚度为100nm。沉积背电极层9后的横截面示意图如图5所示。
进一步的，沉积金属背电极层9的方式还可以是磁控溅射或者刮涂法、狭缝涂布、卷对卷涂布方法中的任一种或任几种。
步骤六、采用355nm激光器对基底1进行P4刻蚀，P4刻蚀线10的位置以最左侧P2刻蚀线7向右移35um为准，然后从左到右刻蚀出间隔为4.3mm的等距刻蚀线，P4刻蚀线10需要完全去除刻蚀区域的电子传输层4、有机吸光层5和空穴传输层6，裸露出底层的透明导电薄膜层2。P4刻蚀后的横截面示意图如图6所示。
其中，P4刻蚀所用的激光参数为：355nm纳秒激光、脉冲重复频率为100kHz、平均功率5W，刻蚀速度1000mm/s，刻蚀单条线宽25um，加工次数1次。
步骤七、采用355nm纳秒激光器进行P5刻蚀，P5刻蚀线11位于垂直P1刻蚀线3方向上有效面积上下两侧边缘，根据所需要的子电池长度来决定P5刻蚀线11的位置，P5刻蚀线11需要刻断功能层以实现断路，P5刻蚀后的俯视示意图如图7所示。其中，P5刻蚀的激光设置参数与P1刻蚀完全相同。
进一步的，刻蚀后单个死区处的局部放大示意图如图8所示，单个子电池死区宽度只有80um，子电池活性区域宽度3500um，几何填充因子98.1％。采用PM6:Y6:PC61BM三元体系作为光吸收层制备的有机太阳电池组件包括9个子电池，9个子电池开路电压Voc＝7.505V，短路电流Jsc＝2.71mA/cm2，填充因子FF＝71.31，有效面积效率PCE＝14.52％，孔径面积效率14.24％。
进一步的，如果使用更高功率的紫外脉冲激光器或飞秒、皮秒的紫外脉冲激光器，随着单个点的能量变大、作用时间变短，线宽将进一步变窄，单个子电池的死区宽度会进一步降低，几何填充因子进一步提高。
步骤八、制备封装用的呈凹槽状的盖板12，盖板12俯视示意图如图9所示，包括如下步骤：在空气中，使用UV固化胶，在1.0mm纯玻璃四个边缘依次粘结上1.5mm宽0.7mm厚的玻璃条。其中，UV固化胶粘度1200cps，UV固化灯波长365nm，UV固化灯光照强度1100mW/cm2。
其中，盖板12还可以是不同厚度的硬性玻璃或者柔性PET、柔性PEN中的至少一种。
步骤九、采用高粘度UV固化胶，在惰性气体氛围中进行组件的封装，将盖板12的四个边缘部分均匀涂抹上高粘度UV固化胶后，倒扣在组件上，并使用UV固化灯对四个边缘部分进行照射，照射时间1min，照射时使用不透UV光的遮挡板遮挡住其余部分，保护有效区域，即得，封装后的组件成品横截面示意图如图10所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在含有透明导电薄膜的基底上进行P1刻蚀，得到具有多条P1刻蚀线的导电基底；
S2：在所述导电基底上沉积功能层；其中，功能层为由下至上沉积电子传输层、有机吸收层、空穴传输层；
S3：在所述功能层上进行P2刻蚀，形成多条P2刻蚀线；
S4：先刻蚀去掉所述功能层边缘区域；
S5：在空穴传输层上沉积金属背电极层；
S6：在基底上进行P4刻蚀，得到具有多条P4刻蚀线的金属背电极；
S7：在金属背电极层上进行P5刻蚀，形成多条P5刻蚀线；
S8：制备盖板并将盖板倒扣在步骤S7的P5刻蚀后材料的涂有UV固化胶的边缘，经UV固化灯照射，即得。
2.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，刻蚀的激光器参数为：紫外脉冲激光、脉冲宽度10fs～1000ns、脉冲重复频率为1kHz～10MHz、平均功率1mW～50W，刻蚀速度1～4000mm/s，刻蚀单条线宽1～500um，加工次数1～100次。
3.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S1中多条P1刻蚀线将透明导电薄膜完全分隔为多个相互绝缘的区域。
4.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S2中还包括：沉积功能层前将导电基底进行清洗干燥；电子传输层厚度为5～100nm，有机吸收层厚度为50～1000nm，空穴传输层厚度为5～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S3中P2刻蚀线与P1刻蚀线相距1～3000um。
6.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S4中边缘区域为功能层边缘宽度2～30mm的区域，且刻蚀直至裸露出基底。
7.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S5中金属背电极层的厚度为10～200nm。
8.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S6中多条P4刻蚀线与P2刻蚀线相距1～3000um。
9.根据权利要求1所述的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件的制备方法，其特征在于，步骤S7中多条P5刻蚀线垂直位于多条P1刻蚀线构成有效面积上下两侧边缘，P5刻蚀线随子电池长度而变化；且P5刻蚀线刻断功能层以实现断路。
10.如权利要求1～9任一项所述的制备方法获得的一种具有超窄互连宽度的有机太阳电池组件。
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