CN120640887A - 一种太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents

一种太阳能电池结构及其制备方法

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池结构及其制备方法，涉及太阳能光伏发电器件技术领域。所述太阳能电池结构包括玻璃基板以及设置在基板上的多个子电池单元；单元与单元之间设有P1沟道、P2沟道和P3沟道，P2沟道边缘设有滑梯式钝化沟道以及金属层。所述滑梯式钝化沟道通过毛细自组装精确沉积，形成倒梯形结构，防止光吸收层和金属离子的相互扩散，防止水氧进入钙钛矿。同时金属层可以有效地增加电荷提取及传输速度，提高电池的效率。制备方法结构独特，适用于太阳能电池组件的规模化生产。

Description

一种太阳能电池结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电器件技术领域，具体涉及一种太阳能电池结构及其制备方法。
背景技术
近年来，金属卤化钙钛矿材料由于具有高吸光系数、长载流子寿命和高光生载流子迁移率等优异的光电性质，自2009年以来，单节钙钛矿太阳能电池的效率随着技术的发展由3.8％快速攀升至26 .7％。尽管钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经接近理论极限，但稳定性问题仍然是其商业化的主要障碍。钙钛矿材料对环境因素极为敏感，如温度、湿度和氧气，这些因素会导致钙钛矿晶体结构的分解，从而降低电池性能。
在现有的钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿薄膜的表面和晶界存在大量的悬挂键或缺陷，这些缺陷会加剧卤素离子的移动，进而腐蚀金属电极材料。例如，MAPbI3在热分解过程中会生成PbI2、MA和HI，其中MA和HI可能会从钙钛矿表面逸出，留下碘化物空位。在较高温度下，碘化物具有较高的能量，从而可以更快地从钙钛矿膜内扩散到表面空位并挥发，导致电池性能下降。
目前，针对上述钙钛矿和金属反应导致离子迁移的问题，通常采用低维钙钛矿覆盖，气体钝化、致密保护层修饰，惰性材料保护等方法钝化缺陷，维持钙钛矿组分化学计量比。然而上述方法主要防止组分垂直方向的分解，无法抑制横向的离子迁移。钙钛矿组件的P2激光刻蚀区域（P2沟道）是顶电极和钙钛矿组分直接相连的沟道，相比其他位置更容易分解，分解产物进而通过横向传输，扩散到相邻组件，导致组件的进一步分解，影响其稳定性。因此P2沟道的精准钝化非常重要。
此外，对于其他类型的新型太阳能电池，比如有机太阳能电池或硅/钙钛矿叠层电池，在较高的工况温度下，同样会发生光活性层的分解、变性。严重影响太阳能电池的稳定性及工作寿命。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型太阳能电池结构及其制备方法，旨在太阳能电池组件的P2沟道添加滑梯式钝化层以及金属层，既能快速传输光吸收层产生的光电子，提高电池的效率，同时抑制光吸收层与电极以及环境中的水、氧气接触、扩散，以提高电池组件的稳定性。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种太阳能电池结构，其特征在于太阳能电池由若干子电池单元串联构成，所述子电池单元包括成叠的低电极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴阻挡层、顶电极层、封装材料；其中，单元与单元之间的P2沟道边缘设有滑梯式钝化层及金属层，整个电池组件四周的清边区域光吸收层边缘设有滑梯式钝化层。
进一步地，所述滑梯式钝化层采用的材料由离子阻挡材料与光致发光材料混合制成，所述离子阻挡材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛树脂、热塑性硅橡胶、乙烯甲基丙稀酸共聚物、硅胶、四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚对酞酸乙二酯、聚乳酸、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、石墨烯及其衍生物中的一种或多种；所述光致发光材料材料包括但不限于MEH-PPV 、聚苯胺、PFO中的一种或多种；铕掺杂氧化铝、硫化锌、氮化镓无机发光材料中的一种或多种；UiO-66、MOF-5、ZIF-8金属有机骨架材料中的一种或多种；PTZ-TPA、DPA-TPA热活性延迟荧光材料中的一种或多种。
进一步地，所述滑梯式钝化层采用的材料形成的溶液的黏度范围：0.5至 1.5mPa·s；张力范围在10至40mN/m；溶液通过毛细作用纵向渗透至所述P2沟道边缘顶部，渗透高度500至700nm，同时横向渗透至所述光吸收层，渗透距离10至100nm。通过毛细作用，所述钝化材料可以钝化钙钛矿横向和纵向晶界处的缺陷，减少非辐射复合，并且有效防止P2沟道处的钙钛矿活性层和金属层的反应，提高电池组件的稳定性。
进一步地，在钙钛矿中，P2沟道在500-700nm，当张力为15mN/s时，为确保渗透高度能够覆盖P2沟道，需要黏度范围：0.5 mPa·s 至 1.5 mPa·s；张力范围在10-40mN/m。黏度和表面张力除了对渗透高度有影响，还对成膜过程、微纳打印技术有重大影响。对于成膜过程，较低的黏度有助于形成更均匀的涂层，而较高的黏度可能导致涂层不均匀；表面张力影响涂料的润湿性和干燥过程中液滴的形成，较高的表面张力可能导致涂层表面出现缺陷，如缩孔和针孔。对于微纳打印技术，黏度影响油墨的流动性和在印刷过程中的传递效率，较低的黏度有助于油墨在印刷机上的流畅传递，减少堵墨和断线的风险，而较高的黏度可能导致油墨传递不均匀，影响打印质量；较低的表面张力有助于墨滴在衬底上均匀铺展，提高打印分辨率；较高的表面张力可能导致墨滴铺展不均匀，形成卫星滴或打印不均匀。因此为了控制成膜质量和打印过程，需要合理控制溶液的黏度，张力等性质。
进一步地，所述滑梯式钝化层由离子阻挡材料及光致发光材料混合制成，其目的在于既阻挡金属层与光吸收层相互渗透、扩散导致光吸收层分解，同时充分利用“死区”，使无效面积区域能自行发出光吸收层对应光谱的光，增加光利用率。
进一步地，所述滑梯式钝化层制作方式通过注胶法、3D打印法、溶液法、丝网印刷形成钝化层，然后使用激光刻蚀形成滑梯式钝化层，所述激光的功率在0.75W至15W范围内，脉宽在0.2至1.2ms之间。
进一步地，所述P2沟道为下窄上宽的倒梯形结构，所述P2沟道的顶端宽度在40－100μm，底端宽度在20－40μm；倒梯形结构的P2沟道在顶部提供了更宽的接触面积，这有助于增加毛细管力的作用范围，使得钝化材料更容易渗透至沟道的顶部。由于倒梯形结构的沟道侧壁具有一定的倾斜角度，这有助于溶液在侧壁上的附着和铺展，能够增强离子阻挡材料及光致发光材料与基底以及P2沟道内侧面的附着力，提升填充效果。
进一步地，所述金属层宽度为1μm至10μm；所述金属层采用的材料包括但不限于金、银、铜、铝、铋、氧化锡。
进一步地，所述太阳能电池结构，其特征在于，所述串联是指：每个子电池单元的低电极层与相邻子电池单元的顶电极层通过滑梯式钝化层及金属层串联连接。
进一步地，所述电池结构四周的清边区域光吸收层边缘设有滑梯式钝化层，有效阻挡外界环境中的水分子、氧气和其他腐蚀性物质侵入电池组件，保护电池材料不受环境因素影响，延长电池的使用寿命。
进一步地，所述光吸收层厚度为20至1000nm；所述光吸收层包括CH3NH3PbI3-xBrx、CH3NH3PbCl3-xBrx （ 0<x<3 ）、(CH3NH3)1-x(HC(NH2)2)xPbI3 、 CH3NH3PbxSn1-xI3（ 0<x<1 ） 钙 钛 矿 材 料 以 及 (R-NH3)2(CH3NH3)x-1BxM3x+1 二维钙钛矿有机-无机复合型材料体系中一种或者多种；PTB7-Th:ITIC、PM6:Y6、D18:BTIC-BO-4Cl体异质结体系中的一种或多种；上述材料形成的有机/钙钛矿以及硅/钙钛矿叠层电池。
进一步地，所述低电极层厚度为300至1200nm；材料为ITO、FTO以及其他透明导电氧化物。
进一步地，所述空穴传输层厚度为20至50nm；所述空穴传输层包括Spiro-OMeTAD、NiOx、P3HT、CuSCN中的一种或多种；所述电子传输层厚度为10至60nm所述电子传输层包括但不限于ZnO、TiO2、PC61BM中的一种或多种；所述空穴阻挡层厚度为2至10nm，所述空穴阻挡层包括但不限于BCP、SnO2中的一种或多种。
进一步地，所述顶电极层的厚度在100至200nm；所述顶电极层包括金、银、铜、中的一种或多种。
进一步地，所述反型的太阳能电池组件包括钙钛矿太阳能电池组件、有机半导体太阳能电池组件、硅/钙钛矿叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池、有机/钙钛矿叠层电池中的任一种。
第二方面，所述的反型的太阳能电池组件的制备方法，包括步骤：
A.对玻璃基板进行预处理：包括清洗、UV-O处理等；
B.在基板上沉积至少一层底电极，厚度为300-1200nm，材料为ITO或者FTO；
C.在底电极上用激光刻蚀的方法刻蚀P1，将电极层分成宽度相同的几部分，刻蚀线宽为20-120μm;
D.在所述底电极区域通过旋涂法、印刷法、磁控溅射法或蒸镀法制备一层空穴传输层，厚度为10-50nm，然后在一定温度下进行退火；
E.在所述空穴传输层上制备一层光吸收层，其中光吸收层为钙钛矿材料则使用狭缝涂布、刮涂、反溶剂旋涂等方法制备一层厚度为200-1000nm的钙钛矿光吸收层，然后在一定温度下进行退火；光吸收层为有机半导体材料则使用旋涂、ALD、蒸镀等方法制备给体受体活性层；光吸收层为硅-钙钛矿叠层则在现有的晶硅电池上按制作流程制作钙钛矿薄膜层。
F.在所述光吸收层上通过旋涂法、印刷法、磁控溅射法或蒸镀法制备一层电子传输层，厚度为10-60nm；
G.在所述电子传输层上通过旋涂法、印刷法、磁控溅射法或蒸镀法制备一层空穴阻挡层，厚度为2-10nm；
H.在所述空穴阻挡层上使用激光刻蚀的方法刻蚀P2，刻蚀开空穴阻挡层、电子传输层、光吸收层、空穴传输层，暴露出底电极，线宽为100-300μm；
I.在所述P2沟道内填涂滑梯式钝化层。将绝缘材料、荧光材料、光引发剂配置为溶液，注入微纳打印机，随后控制出液速率20μL/min，打印喷头与太阳能电池组件高度控制在1mm，打印喷头移动速度为2mm/s，将材料打印在P2沟道，形成钝化层；
J.在所述钝化层上通过激光刻蚀的方法刻蚀钝化层，暴露出底电极，线宽为60-100μm；
K.在所述钝化层沟道内填涂金属层。将金属墨水注入微纳打印机，随后控制出液速率20μL/min，打印喷头与太阳能电池组件高度控制在1mm，打印喷头移动速度为10mm/s，将金属墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层；
L.在所述空穴阻挡层上方通过磁控溅射或蒸镀法制作一层200nm厚的电极作为顶电极；
M.在所述顶电极上通过激光刻蚀的方法刻蚀顶电极，形成隔离区P3，线宽为60-100μm；并使用激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区；
N.在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件；
O.对所述的太阳能电池组件进行封装。
工作原理：本发明提供一种太阳能电池组件及其制备方法，用简单成熟的打印工艺在太阳能电池组件上增设滑梯式钝化层，使“死区”内光吸收层与金属电极之间的离子交换速率减缓，延长组件使用寿命，同时添加荧光材料，使“死区”内照射的光不被浪费能够二次利用，最后增设金属层加快串联组件子电池之间的电子传输速率，最终得到高效、稳定的太阳能电池组件。
本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
1、本发明的滑梯式钝化层制备方式简单，可以通过溶液加工，相比之下，传统的低维钙钛矿层修饰3D钙钛矿钝化方法，维度会受到合成条件（如温度、溶剂、反应时间）的显著影响，维度的不均匀性可能导致器件性能的不一致性和可重复性差，这在大面积制备方面更加难以控制，本技术的优势在于使用简单成熟的打印工艺在太阳能电池组件上增设滑梯式钝化层，使“死区”内光吸收层与金属电极之间的离子交换速率减缓，延长组件使用寿命，不用考虑维度的控制。
2、本发明的滑梯式钝化层，相比传统的气体钝化，如使用NH3、HF、硅烷气体，这些气体具有刺激性气味或者有强烈腐蚀性，容易发生气体泄露。而本技术采用的钝化材料或者光致发光材料，不易挥发，毒性低，较为安全。相比传统的用臭氧处理钙钛矿组件方法，除了会在P2沟道界面生成铅氧化物，还会导致钙钛矿表面其他位置的氧化，这可能产生对钙钛矿电池造成不利影响。而本技术通过喷墨打印的方法，可以精准控制打印位置，将钝化材料填充到P2沟道，而不会对其他位置产生影响，降低可能对电池性能产生负面影响的副反应。
3、本发明的滑梯式钝化层，通过精细调控所使用溶液的黏度和表面张力，显著优化了毛细作用下的渗透高度和铺展性能，确保了钝化层在P2沟道内的均匀填充和成膜质量。这种精确控制使得滑梯式钝化层能够紧密贴合光吸收层边缘，有效提高了钝化层的覆盖效果，从而增强了电池组件的整体性能。
4、本发明的滑梯式钝化层中同时添加荧光材料，使“死区”内照射的光不被浪费能够二次利用，最后增设金属层加快串联组件子电池之间的电子传输速率，最终得到高效、稳定的太阳能电池组件。
5、本发明的滑梯式钝化层为太阳能电池领域提供了一种新的技术方案，特别适用于高性能、高稳定性的大面积太阳能电池组件的制备。
6、本发明的太阳能电池制备技术同样适用于其他新型太阳能电池，比如有机太阳能电池、硅/钙钛矿叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池、有机/钙钛矿叠层电池，制备方法结构独特，制备过程可溶液处理，对于大面积太阳能电池组件的工业制备和商业化具有指导意义。
附图说明
附图是提供对本发明的进一步理解，与下面的实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的反式串联型结构太阳能电池模块的结构示意图；
图1中：玻璃基板1、底电极2、空穴传输层3、光吸收层4、金属层5、滑梯式钝化层6、电子传输层与空穴阻挡层7、顶电极8、封装胶水9、P1沟道、P2沟道、P3沟道；
图2为本发明的太阳能电池组件整体示意图；
图3为毛细作用梯形结构示意图
图4为毛细作用渗透高度和表面张力、黏度之间的关系；
图5为一般有机物溶液的表面张力随浓度的影响；
图6为本发明实施例提供的一种太阳能电池热稳定性的对比图；
图7为本发明实施例提供的一种太阳能电池光电转换效率的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一方面，本发明提供一种太阳能电池结构，如图1所示，其特征在于太阳能电池由若干子电池单元串联构成，所述子电池单元包括成叠的低电极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴阻挡层、顶电极层、封装材料；其中，单元与单元之间的P2沟道边缘设有滑梯式钝化层及金属层，整个电池组件四周的清边区域光吸收层边缘设有滑梯式钝化层。图2为本发明的太阳能电池组件整体示意图，其中包括负责光电转换的有效区、不直接参与转换但通过特殊设计提高光利用率的死区、保护组件边缘的清边区，以及实现子电池单元间连接的边缘电极。
所述滑梯式钝化层采用的材料由离子阻挡材料与光致发光材料混合制成，所述离子阻挡材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛树脂、热塑性硅橡胶、乙烯甲基丙稀酸共聚物、硅胶、四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚对酞酸乙二酯、聚乳酸、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、石墨烯及其衍生物中的一种或多种；所述光致发光材料材料包括但不限于MEH-PPV 、聚苯胺、PFO中的一种或多种；铕掺杂氧化铝、硫化锌、氮化镓无机发光材料中的一种或多种；UiO-66、MOF-5、ZIF-8金属有机骨架材料中的一种或多种；PTZ-TPA、DPA-TPA热活性延迟荧光材料中的一种或多种；所述钝化层采用的溶剂包括己烷、环己烷、氯苯、四氢呋喃、四甲基亚砜、碳酸亚丙酯、乙酸乙酯非极性溶剂中的一种或多种，所述溶剂对钙钛矿材料的溶解度低，但对所述离子阻挡材料和光致发光材料溶解度高，防止在制备过程中对钙钛矿材料的过度溶解，同时确保钝化层材料的有效溶解和渗透，从而实现对钙钛矿晶界的有效钝化。
所述滑梯式钝化层采用的材料形成的溶液的黏度范围：0.5至 1.5 mPa·s；张力范围在10至40mN/m；溶液通过毛细作用纵向渗透至所述P2沟道边缘顶部，渗透高度500至700nm，同时横向渗透至所述光吸收层，渗透距离10至100nm。通过毛细作用，所述钝化材料可以钝化钙钛矿横向和纵向晶界处的缺陷，减少非辐射复合，并且有效防止P2沟道处的钙钛矿活性层和金属层的反应，提高电池组件的稳定性。
所述滑梯式钝化层由离子阻挡材料及光致发光材料混合制成，其目的在于既阻挡金属层与光吸收层相互渗透、扩散导致光吸收层分解，同时充分利用“死区”，使无效面积区域能自行发出光吸收层对应光谱的光，增加光利用率。
所述滑梯式钝化层制作方式通过注胶法、3D打印法、溶液法、丝网印刷形成钝化层，然后使用激光刻蚀形成滑梯式钝化层，所述激光的功率在0.75W至15W范围内，脉宽在0.2至1.2ms之间。
所述滑梯式钝化沟道的多级台阶结构设计为倒梯形，所述梯形结构的底部宽度在0.1至30μm，顶部宽度在30至100μm；倒梯形结构在顶部提供了更宽的接触面积，这有助于增加毛细管力的作用范围，使得钝化材料更容易渗透至沟道的顶部。所述倒梯形结构底边水平面和斜边的角度α和β范围在45度至90度。
如图3所示，本发明的毛细管形状为梯形柱体，在忽略弯曲液面重力的条件下，基于力学平衡和曲线积分计算张力的公式，可以求出毛细作用最大高度：
几何关系可得梯形顶边的长度c
其中，a为梯形底边长度，h为毛细作用最大高度，α和β分别为一个水平面和斜边的角度和另一个角度（斜面倾角）。
梯形柱体的体积V：
对应的重力Fgravity：
其中，ρ为液体的体积，g为重力加速度；
对于表面张力作用于梯形毛细管的边界上，根据曲线积分得到张力大小为：
式中，b为梯形柱体的长度，θ为接触角，γ为张力系数；
液体的重力和表面张力达到平衡：
即：
化简得到：
为求解方程，定义以下系数：
这些系数共同决定毛细作用的效果，其中系数A为重力作用导致的体积变化对高度的影响，系数B反映了液体上升时重力和张力共同作用导致的高度变化，系数C反映了液体上升时，表面张力导致的初始高度变化。
根据方程，当梯形柱体底边a为10μm，长度b为30cm，接触角θ为60°，梯形底边水平面和斜边的角度α和β都为65°，液体密度为1.5g/cm3，液体的张力系数为40mN/m时，根据方程可得毛细作用最大上升高度为2.41mm，显然满足一般情况下的P2沟道深度。为了改善钝化效果，斜面的倾角需要设置在45°至90°，形成的倒梯形结构的沟道侧壁具有一定的倾斜角度，这有助于溶液在侧壁上的附着和铺展，从而增强离子阻挡材料及光致发光材料与基底以及P2沟道内侧面的附着力，提升填充效果。
所述滑梯式钝化沟道通过毛细自组装作用形成多级台阶结构，台阶数量不小于2级；所述台阶的顶端间距为40至100μm，底端间距在20至40μm。以优化电荷传输路径并减少电荷复合。
所述多级台阶结构的滑梯式钝化沟道通过毛细自组装作用沉积所述滑梯式钝化材料形成，毛细作用纵向渗透至所述P2沟道边缘顶部，渗透高度500至700nm，同时横向渗透至所述光吸收层，渗透距离10至100nm，以实现对光吸收层的有效钝化。
对于典型的牛顿流体，描述纳米尺度毛细管渗吸动力学的标准模型是 Lucas-Washburn（L-W）关系。L-W 假设在毛细管作用期间重力和蒸发效应可以忽略不计。毛细管力仅与黏性力相平衡：
式中，γ—液面张力系数；θ—接触角；R—平均孔隙半径；η—流体黏度；t —时间；h—毛细渗透高度。
从方程中得出高表面张力、低黏度和低接触角的溶液在毛细管中有较高的上升高度。在钙钛矿太阳能电池中，常用的溶剂浸润性较好，因此主要考虑黏度对渗透高度的影响。图4为半径R为10nm，作用时间t为5e-6s，接触角θ=30°条件下，毛细作用渗透高度和表面张力、黏度之间的关系。乙腈在30度的黏度是0.325 mPa·s，通过公式计算得到张力系数为15mN/m时的渗透高度为437.08nm。
在钙钛矿中，P2沟道在500-700nm，当张力系数为15mN/s时，为确保渗透高度能够覆盖P2沟道，需要黏度范围：0.5 mPa·s 至 1.5 mPa·s；张力系数范围在10-40mN/m。黏度和表面张力除了对渗透高度有影响，还对成膜过程、微纳打印技术有重大影响。对于成膜过程，较低的黏度有助于形成更均匀的涂层，而较高的黏度可能导致涂层不均匀；表面张力影响涂料的润湿性和干燥过程中液滴的形成，较高的表面张力可能导致涂层表面出现缺陷，如缩孔和针孔。对于微纳打印技术，黏度影响油墨的流动性和在印刷过程中的传递效率，较低的黏度有助于油墨在印刷机上的流畅传递，减少堵墨和断线的风险，而较高的黏度可能导致油墨传递不均匀，影响打印质量；较低的表面张力有助于墨滴在衬底上均匀铺展，提高打印分辨率；较高的表面张力可能导致墨滴铺展不均匀，形成卫星滴或打印不均匀。因此为了控制成膜质量和打印过程，需要合理控制溶液的黏度，张力等性质。
溶液的表面张力和溶液的浓度、温度等有关，Szyszkowski公式描述非极性或一般溶剂在低浓度下的表面张力与浓度之间的关系：
式中，σ为溶液浓度为c的表面张力，σ0是溶液浓度为0时的表面张力值，即水的表面张力值，R是气体常数，T表示温度，Γ∞溶质在溶液表面的饱和吸附量，K表示的是Langmuir常数，c为溶液的浓度。从公式可以得出张力随浓度和温度升高而降低。如图5所示为一般有机物溶液的表面张力随浓度的影响，浓度越高，则表面张力越低。
阿伦尼乌斯（Arrhenius）公式可以用来近似描述液体的黏度变化：
式中，η是液体的黏度，η0代表在参考温度下的黏度，E是活化能，R是气体常数，T是绝对温度。通常情况下，温升引起液体分子动能增加，分子间距变大，内摩擦阻力减小，从而黏度降低。因此，通过调节溶液的浓度和温度，从而调节滑梯式钝化层溶液的黏度和张力等性质，控制成膜质量和打印过程。
所述金属层宽度为1μm至10μm；所述金属层采用的材料包括但不限于金、银、铜、铝、铋、氧化锡。
所述太阳能电池结构，其特征在于，所述串联是指：每个子电池单元的低电极层与相邻子电池单元的顶电极层通过滑梯式钝化层及金属层串联连接。
所述电池结构四周的清边区域光吸收层边缘设有滑梯式钝化层。
所述光吸收层厚度为20至1000nm；所述光吸收层包括CH3NH3PbI3-xBrx 、CH3NH3PbCl3-xBrx （ 0<x<3 ）、(CH3NH3)1-x(HC(NH2)2)xPbI3 、 CH3NH3PbxSn1-xI3 （ 0<x<1 ） 钙 钛 矿 材 料 以 及 (R-NH3)2(CH3NH3)x-1BxM3x+1 二维钙钛矿有机-无机复合型材料体系中一种或者多种；PTB7-Th:ITIC、PM6:Y6、D18:BTIC-BO-4Cl体异质结体系中的一种或多种；上述材料形成的有机/钙钛矿以及硅/钙钛矿叠层电池。
所述低电极层厚度为300至1200nm；材料为ITO、FTO以及其他透明导电氧化物。
所述空穴传输层厚度为20至50nm；所述空穴传输层包括Spiro-OMeTAD、NiOx、P3HT、CuSCN中的一种或多种；所述电子传输层厚度为10至60nm所述电子传输层包括但不限于ZnO、TiO2、PC61BM中的一种或多种；所述空穴阻挡层厚度为2至10nm，所述空穴阻挡层包括但不限于BCP、SnO2中的一种或多种。
所述顶电极层的厚度在100至200nm；所述顶电极层包括金、银、铜、中的一种或多种。
所述反型的太阳能电池组件包括钙钛矿太阳能电池组件、有机半导体太阳能电池组件、硅/钙钛矿叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池、有机/钙钛矿叠层电池中的任一种。
第二方面，所述的反型的太阳能电池组件的制备方法，包括步骤：
A.对玻璃基板进行预处理：包括清洗、UV-O处理等；
B.在基板上沉积至少一层底电极，厚度为300-1200nm，材料为ITO或者FTO；
C.在底电极上用激光刻蚀的方法刻蚀P1，将电极层分成宽度相同的几部分，刻蚀线宽为20-120μm;
D.在所述底电极区域通过旋涂法、印刷法、磁控溅射法或蒸镀法制备一层空穴传输层，厚度为10-50nm，然后在一定温度下进行退火；
E.在所述空穴传输层上制备一层光吸收层，其中光吸收层为钙钛矿材料则使用狭缝涂布、刮涂、反溶剂旋涂等方法制备一层厚度为200-1000nm的钙钛矿光吸收层，然后在一定温度下进行退火；光吸收层为有机半导体材料则使用旋涂、ALD、蒸镀等方法制备给体受体活性层；光吸收层为硅-钙钛矿叠层则在现有的晶硅电池上按制作流程制作钙钛矿薄膜层。
F.在所述光吸收层上通过旋涂法、印刷法、磁控溅射法或蒸镀法制备一层电子传输层，厚度为10-60nm；
G.在所述电子传输层上通过旋涂法、印刷法、磁控溅射法或蒸镀法制备一层空穴阻挡层，厚度为2-10nm；
H.在所述空穴阻挡层上使用激光刻蚀的方法刻蚀P2，刻蚀开空穴阻挡层、电子传输层、光吸收层、空穴传输层，暴露出底电极，线宽为100-300μm；
I.在所述P2沟道内填涂滑梯式钝化层。将绝缘材料、荧光材料、光引发剂配置为溶液，注入微纳打印机，随后控制出液速率20μL/min，打印喷头与太阳能电池组件高度控制在1mm，打印喷头移动速度为2mm/s，将材料打印在P2沟道，形成钝化层；
J.在所述钝化层上通过激光刻蚀的方法刻蚀钝化层，暴露出底电极，线宽为60-100μm；
K.在所述钝化层沟道内填涂金属层。将金属墨水注入微纳打印机，随后控制出液速率20μL/min，打印喷头与太阳能电池组件高度控制在1mm，打印喷头移动速度为10mm/s，将金属墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层；
L.在所述空穴阻挡层上方通过磁控溅射或蒸镀法制作一层200nm厚的电极作为顶电极；
M.在所述顶电极上通过激光刻蚀的方法刻蚀顶电极，形成隔离区P3，线宽为60-100μm；并使用激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区；
N.在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件；
O.对所述的太阳能电池组件进行封装。
工作原理：本发明提供一种太阳能电池组件及其制备方法，用简单成熟的打印工艺在太阳能电池组件上增设滑梯式钝化层，使“死区”内光吸收层与金属电极之间的离子交换速率减缓，延长组件使用寿命，同时添加荧光材料，使“死区”内照射的光不被浪费能够二次利用，最后增设金属层加快串联组件子电池之间的电子传输速率，最终得到高效、稳定的太阳能电池组件。
下面通过具体实施例对本发明方案做进一步的讲解：
实施例1
一种反型太阳能电池结构，其制备方法如下：
步骤一、将带有底电极ITO的玻璃基片用无水乙醇擦拭干净，再用干燥的无尘布将其带有ITO的表面擦拭干燥，再放入UVO设备中处理20分钟，并用波长1064nm的脉冲激光对基底上覆盖的底电极ITO进行刻蚀，刻蚀出P1；
步骤二、采用磁控溅射的方法在底电极ITO上沉淀一层NiO，得到空穴传输层，厚度为20nm，并在300℃下热退火20分钟；
步骤三、采用旋涂、刮涂或者狭缝涂布的方法在上述NiO层上制一层钙钛矿薄膜层，厚度为500nm，成模后在130℃下退火15分钟；
步骤四、采用真空热蒸发蒸镀方法在上述钙钛矿光吸收层上沉积一层电子传输层C60，厚度为55nm；
步骤五、采用真空热蒸发蒸镀方法在电子传输层C60上沉积一层空穴阻挡层2 ,9-二甲基-4 ,7-二苯基-1 ,10-菲啰啉（BCP）；
步骤六、采用采用波长532nm的激光刻蚀P2沟道，暴露出底电极，形成间隔区，线宽100-300μm；
步骤七、采用微纳打印机，将配置好的滑梯式钝化层溶液打印至所述P2沟道内。所述溶液包含聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、荧光材料MEH-PVV、光引发剂。然后采用波长532nm的激光刻蚀滑梯式钝化层，暴露出底电极，线宽60-100μm。
步骤八、采用微纳打印机，在所述钝化层沟道内填涂金属层。将纳米银浆墨水注入微纳打印机，将纳米银浆墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层。
步骤九、采用真空蒸镀的方法，在所述顶部空穴阻挡层上覆盖顶部铜电极，厚度为200nm。
步骤十、采用波长532nm的激光刻蚀P3沟道，使铜电极断开。同时采用波长1064nm的脉冲激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区，在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件。
图6为本发明实施例提供的一种太阳能电池热稳定性的对比图，在经过连续高温测试后，采用滑梯式钝化层的太阳能电池表现出更优异的热稳定性能。具体来说，与传统太阳能电池相比，钝化层电池在高温下的电流和填充因子衰减率更低。这一结果归因于钝化层的有效载流子复合抑制作用，以及对电池死区的光利用优化。这些改进使得太阳能电池在长期运行和温度波动环境下能够维持较高的光电转换效率，从而提高了电池的可靠性和使用寿命。
图7为本发明实施例提供的一种太阳能电池光电转换效率的对比图，通过滑梯式钝化层制备的太阳能电池由于钝化作用和死区的光利用，电流和填充因子得到提升。
实施例2
一种反型太阳能电池结构，其制备方法如下：
步骤一、将带有底电极FTO的玻璃基片用无水乙醇擦拭干净，再用干燥的无尘布将其带有FTO的表面擦拭干燥，再放入UVO设备中处理20分钟，并用波长1064nm的脉冲激光对基底上覆盖的底电极FTO进行刻蚀，刻蚀出P1；
步骤二、采用旋涂的方法在底电极FTO上沉淀一层PEDOT:PSS，得到空穴传输层，厚度为20nm；
步骤三、采用旋涂、刮涂或者狭缝涂布的方法在上述PEDOT:PSS层上制一层钙钛矿薄膜层，厚度为500nm，成模后在130℃下退火15分钟；
步骤四、采用真空热蒸发蒸镀方法在上述钙钛矿光吸收层上沉积一层电子传输层PCBM，厚度为55nm；
步骤五、采用真空热蒸发蒸镀方法在电子传输层PCBM上沉积一层空穴阻挡层2 ,9-二甲基-4 ,7-二苯基-1 ,10-菲啰啉（BCP）；
步骤六、采用采用波长532nm的激光刻蚀P2沟道，暴露出底电极，形成间隔区，线宽100-300μm；
步骤七、采用微纳打印机，将配置好的滑梯式钝化层溶液打印至所述P2沟道内。所述溶液包含聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、荧光材料MEH-PVV、光引发剂。然后采用波长532nm的激光刻蚀滑梯式钝化层，暴露出底电极，线宽60-100μm。
步骤八、采用微纳打印机，在所述钝化层沟道内填涂金属层。将纳米银浆墨水注入微纳打印机，将纳米银浆墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层。
步骤九、采用真空蒸镀的方法，在所述顶部空穴阻挡层上覆盖顶部铜电极，厚度为200nm。
步骤十、采用波长532nm的激光刻蚀P3沟道，使铜电极断开。同时采用波长1064nm的脉冲激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区，在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件。
实施例3
一种反型太阳能电池结构，其制备方法如下：
步骤一、将带有底电极FTO的玻璃基片用无水乙醇擦拭干净，再用干燥的无尘布将其带有FTO的表面擦拭干燥，再放入UVO设备中处理20分钟，并用波长1064nm的脉冲激光对基底上覆盖的底电极FTO进行刻蚀，刻蚀出P1；
步骤二、采用旋涂的方法在底电极FTO上沉淀一层PEDOT:PSS，得到空穴传输层，厚度为20nm；
步骤三、采用旋涂、刮涂或者狭缝涂布的方法在上述PEDOT:PSS层上制一层活性层PM6:Y6，厚度为500nm；
步骤四、采用真空热蒸发蒸镀方法在上述活性层PM6:Y6上沉积一层电子传输层PCBM，厚度为55nm；
步骤五、采用真空热蒸发蒸镀方法在电子传输层PCBM上沉积一层空穴阻挡层2 ,9-二甲基-4 ,7-二苯基-1 ,10-菲啰啉（BCP）；
步骤六、采用采用波长532nm的激光刻蚀P2沟道，暴露出底电极，形成间隔区，线宽100-300μm；
步骤七、采用微纳打印机，将配置好的滑梯式钝化层溶液打印至所述P2沟道内。所述溶液包含聚对酞酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，PET)、荧光材料聚苯胺、光引发剂。然后采用波长532nm的激光刻蚀滑梯式钝化层，暴露出底电极，线宽60-100μm。
步骤八、采用微纳打印机，在所述钝化层沟道内填涂金属层。将纳米银浆墨水注入微纳打印机，将纳米银浆墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层。
步骤九、采用真空蒸镀的方法，在所述顶部空穴阻挡层上覆盖顶部铜电极，厚度为200nm。
步骤十、采用波长532nm的激光刻蚀P3沟道，使铜电极断开。同时采用波长1064nm的脉冲激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区，在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件。
实施例4
一种反型太阳能电池结构，其制备方法如下：
步骤一、将带有底电极ITO的玻璃基片用无水乙醇擦拭干净，再用干燥的无尘布将其带有ITO的表面擦拭干燥，再放入UVO设备中处理20分钟，并用波长1064nm的脉冲激光对基底上覆盖的底电极ITO进行刻蚀，刻蚀出P1；
步骤二、采用旋涂的方法在底电极ITO上沉淀一层PEI-Zn，得到电子传输层，厚度为20nm；
步骤三、采用旋涂、刮涂或者狭缝涂布的方法在上述PEI-Zn层上制一层活性层PBDB-T-SF:IT-4F，厚度为500nm；
步骤四、采用真空热蒸发蒸镀方法在上述活性层PBDB-T-SF:IT-4F上沉积一层空穴传输层MoO3，厚度为55nm；
步骤五、采用采用波长532nm的激光刻蚀P2沟道，暴露出底电极，形成间隔区，线宽100-300μm；
步骤六、采用微纳打印机，将配置好的滑梯式钝化层溶液打印至所述P2沟道内。所述溶液包含聚对酞酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，PET)、荧光材料聚苯胺、光引发剂。然后采用波长532nm的激光刻蚀滑梯式钝化层，暴露出底电极，线宽60-100μm。
步骤七、采用微纳打印机，在所述钝化层沟道内填涂金属层。将纳米银浆墨水注入微纳打印机，将纳米银浆墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层。
步骤八、采用真空蒸镀的方法，在所述顶部电子传输层上覆盖顶部铜电极，厚度为200nm。
步骤九、采用波长532nm的激光刻蚀P3沟道，使铜电极断开。同时采用波长1064nm的脉冲激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区，在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件。
实施例5
步骤一、将带有底电极FTO的玻璃基片用无水乙醇擦拭干净，再用干燥的无尘布将其带有FTO的表面擦拭干燥，再放入UVO设备中处理20分钟，并用波长1064nm的脉冲激光对基底上覆盖的底电极FTO进行刻蚀，刻蚀出P1；
步骤二、采用旋涂的方法在底电极FTO上沉淀一层PEDOT:PSS，得到空穴传输层，厚度为20nm；
步骤三、采用旋涂、刮涂或者ALD的方法在上述PEDOT:PSS层上制一层活性层PCBM&P3HT，厚度为500nm；
步骤四、采用真空热蒸发蒸镀方法在上述活性层PCBM&P3HT上沉积一层电子传输层C60，厚度为55nm；
步骤五、采用采用波长532nm的激光刻蚀P2沟道，暴露出底电极，形成间隔区，线宽100-300μm；
步骤六、采用微纳打印机，将配置好的滑梯式钝化层溶液打印至所述P2沟道内。所述溶液包含、聚乳酸(Polylactide，PLA)、荧光材料聚苯胺、光引发剂。然后采用波长532nm的激光刻蚀滑梯式钝化层，暴露出底电极，线宽60-100μm。
步骤七、采用微纳打印机，在所述钝化层沟道内填涂金属层。将纳米银浆墨水注入微纳打印机，将纳米银浆墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层。
步骤八、采用真空蒸镀的方法，在所述顶部电子传输层上覆盖顶部铜电极，厚度为200nm。
步骤九、采用波长532nm的激光刻蚀P3沟道，使铜电极断开。同时采用波长1064nm的脉冲激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区，在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件。
实施例6
步骤一、将带有ITO层的晶硅电池衬底用无水乙醇擦拭干净，再用干燥的无尘布将其带有ITO层的晶硅衬底的表面擦拭干燥，再放入UVO设备中处理20分钟，并用波长1064nm的脉冲激光对基底上覆盖的底电极ITO进行刻蚀，刻蚀出P1；
步骤二、采用ALD的方法在晶硅衬底上沉淀一层NiO，得到空穴传输层，厚度为20nm；
步骤三、采用旋涂、刮涂或者狭缝涂布的方法在上述NiO层上制一层钙钛矿薄膜层，厚度为500nm，成模后在130℃下退火15分钟；
步骤四、采用真空热蒸发蒸镀方法在上述钙钛矿光吸收层上沉积一层电子传输层C60，厚度为55nm；
步骤五、采用真空热蒸发蒸镀方法在电子传输层C60上沉积一层空穴阻挡层2 ,9-二甲基-4 ,7-二苯基-1 ,10-菲啰啉（BCP）；
步骤六、采用采用波长532nm的激光刻蚀P2沟道，暴露出底电极，形成间隔区，线宽100-300μm；
步骤七、采用微纳打印机，将配置好的滑梯式钝化层溶液打印至所述P2沟道内。所述溶液包含聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、荧光材料MEH-PVV、光引发剂。然后采用波长532nm的激光刻蚀滑梯式钝化层，暴露出底电极，线宽60-100μm。
步骤八、采用微纳打印机，在所述钝化层沟道内填涂金属层。将纳米银浆墨水注入微纳打印机，将纳米银浆墨水打印在钝化层沟道内，形成金属层。
步骤九、采用真空蒸镀的方法，在所述顶部空穴阻挡层上覆盖顶部铜电极，厚度为200nm。
步骤十、采用波长532nm的激光刻蚀P3沟道，使铜电极断开。同时采用波长1064nm的脉冲激光对组件四周非工作区域进行清边，形成清边区，在所述清边区涂覆上所述滑梯式钝化层的钝化材料。最终得到完整的太阳能电池组件。
综上所述，本发明提供一种太阳能电池组件结构及其制备方法，通过创新的滑梯式钝化层设计，显著提高了太阳能电池组件的稳定性和效率。这种结构不仅有效防止了光吸收层与金属离子的相互扩散，还阻止了外界水分子和氧气的侵入，增强了电池对环境变化的适应性。制备方法简便且可规模化，适用于多种新型太阳能电池，如钙钛矿、有机和硅/钙钛矿叠层电池。采用的材料多样且安全，生产成本低，为太阳能电池技术的商业化和可持续发展提供了强有力的支持。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种太阳能电池结构，其特征在于所述太阳能电池结构由若干子电池单元串联构成，所述子电池单元包括成叠的低电极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴阻挡层、顶电极层、封装材料；其中，所述太阳能电池结构还包括单元与单元之间的P1沟道、P2沟道和P3沟道，所述P2沟道边缘设有滑梯式钝化沟道及金属层，所述滑梯式钝化沟道填充滑梯式钝化材料。
2.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述滑梯式钝化沟道贯穿所述空穴阻挡层、电子传输层、光吸收层空穴传输层；所述P2沟道边缘包括至少两个滑梯式钝化沟道，至少一个滑梯式沟道设置于靠近P1沟道远离P3沟道的一侧，至少一个滑梯式沟道设置于靠近P3沟道远离P1沟道的一侧。
3.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述滑梯式钝化沟道通过毛细自组装作用形成多级台阶结构，台阶数量不小于2级；所述台阶的顶端间距为40至100μm，底端间距在20至40μm。
4.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述滑梯式钝化沟道的多级台阶结构设计为倒梯形，所述梯形结构的底部宽度在0.1至30μm，顶部宽度在30至100μm；所述倒梯形结构底边水平面和斜边的角度α和β范围在45度至90度。
5.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述多级台阶结构的滑梯式钝化沟道通过毛细自组装作用沉积所述滑梯式钝化材料形成，毛细作用纵向渗透至所述P2沟道边缘顶部，渗透高度500至700nm，同时横向渗透至所述光吸收层，渗透距离10至100nm。
6.一种如权利要求1‐5任一项所述太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
在低电极层通过激光划线，形成P1沟道，在P1沟道形成后的所述低电极层依次沉积所述空穴传输层、光吸收层、电子传输层、空穴阻挡层；
在所述空穴阻挡层、电子传输层、光吸收层和空穴传输层进行激光划线，形成P2沟道；
在所述P2沟道内制备滑梯式钝化沟道；
在所述P2沟道沉积金属层；
在所述金属层以及空穴阻挡层上方沉积顶电极层，在所述顶电极层通过激光划线形成P3沟道；
在所述顶电极层周围非工作区域通过激光划线形成清边区域，在所述清边区域沉积所述滑梯式钝化层所用材料；
对所述电池进行封装。
7.如权利要求5所述的太阳能电池结构制备的制备方法，其特征在于，制备所述滑梯式钝化沟道包括：
配置所述滑梯式钝化材料的溶液的黏度范围在0.5至 1.5 mPa·s，张力范围在10至40mN/m；
利用微纳打印技术，通过精确控制打印头的运动轨迹和速度，将配置好的所述溶液沉积到指定的P2沟道内，形成滑梯式钝化沟道的初步结构；
调整微纳打印过程中的打印压力和溶液的挤出量，控制沉积在P2沟道内的溶液体积，通过毛细自组装使溶液在P2沟道内形成下窄上宽的倒梯形结构；
打印完成后，通过如热固化或紫外光固化中的至少一种后处理方法，进一步固定所述梯形结构的形状和尺寸；
对所述梯形结构采用激光刻蚀形成滑梯式钝化沟道，所述激光的功率在0.75W至15W范围内，脉宽在0.2至1.2ms之间。
8.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述金属层宽度为20μm至100μm；所述金属层采用的材料包括但不限于金、银、铜、铝、铋、氧化锡。
9.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述太阳能电池结构四周的清边区域光吸收层边缘设有滑梯式钝化层。
10.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述滑梯式钝化材料由钝化材料与光致发光材料混合制成，所述钝化材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛树脂、热塑性硅橡胶、乙烯甲基丙稀酸共聚物、硅胶、四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚对酞酸乙二酯、聚乳酸、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、石墨烯及其衍生物中的一种或多种；所述光致发光材料材料包括但不限于MEH-PPV 、聚苯胺、PFO中的一种或多种；铕掺杂氧化铝、硫化锌、氮化镓无机发光材料中的一种或多种；UiO-66、MOF-5、ZIF-8金属有机骨架材料中的一种或多种；PTZ-TPA、DPA-TPA热活性延迟荧光材料中的一种或多种；所述滑梯式钝化材料采用的溶剂包括己烷、环己烷、氯苯、四氢呋喃、四甲基亚砜、碳酸亚丙酯、乙酸乙酯非极性溶剂中的一种或多种。
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