CN208507733U - 一种钙钛矿太阳能电池模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种钙钛矿太阳能电池模块，包括：导电基底、钙钛矿吸光层和对电极；在导电基底和钙钛矿吸光层之间设有空穴阻挡层、电子传输层和绝缘层；在对电极和钙钛矿吸光层之间设有空穴传输层，在导电基底上还排布有用于收集电子的导电柵线和总栅线；在导电基底上设有多个形成为并联结构的钙钛矿太阳能电池单元，钙钛矿太阳能电池单元间由连接线连接，连接线与导电基底之间设有绝缘层，导电柵线汇总于总栅线作为电池的一个电极，钙钛矿太阳能电池单元间由连接线连接汇总作为电池的另一个电极。由此，能降低电池的串联电阻，提高了电池工作电流，增加电池有效面积。

Description

一种钙钛矿太阳能电池模块

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池模块。

背景技术

在过去10年里，钙钛矿太阳能电池因其十分突出的优点而发展迅速，具体地，钙钛矿太阳能电池制作简单、成本较低，可制备柔性、透明电池。同时，其还具有较为适宜的带隙宽度，可通过改变其带隙来控制电池的颜色，制备彩色电池。再者，其电荷扩散长度高达微米级，电荷寿命较长。另外，其独特的缺陷特性，使钙钛矿晶体材料既可呈现n型半导体的性质，也可呈现p型半导体的性质，因而其应用更加多样化。因此，钙钛矿太阳能电池及相关材料已成为光伏领域研究方向，目前获得了超过23％的光电转换效率，能大幅降低太阳能电池的使用成本，应用前景十分广阔。

钙钛矿太阳能电池主要由三部分组成：透明导电电极、钙钛矿吸光层以及对电极。在钙钛矿电池中，由于钙钛矿材料本身空穴传输能力有限，需要在钙钛矿层与电极之间插入一层空穴传输材料以获得更高的能量转换效率。普通结构中，透明导电电极的导电基底和钙钛矿吸光层中间有电子传输层和空穴阻挡层，对电极和钙钛矿吸光层中有空穴传输层。

目前钙钛矿太阳能电池的产业化是面临的一个重要问题，而钙钛矿太阳能电池组件使用的均是小电池通过串并联的方式制作成大组件，由此会带来额外的工艺工序，例如：多片电池间的导线引出、互相连接、摆放和最终层压等。再者，还会引入额外的电阻，例如导线或接头处的电阻等，从而导致电池性能降低。因此，在单基板上制作数个单元电池的串并联成为钙钛矿太阳能电池的产业化的重要途径。

相对于此，专利文献1公开了一种单节钙钛矿太阳能电池及其钙钛矿太阳能电池模块，并且专利文献2公开了一种钙钛矿太阳能电池模块及其制备方法。上述方法虽然提供了由单节钙钛矿太阳能电池串联而成的钙钛矿太阳能电池模块，但模块内部的串联结构会导致串联电阻较大，并且需要刻蚀线，开口率小，生产使用时存在弊端。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：中国专利公开CN106784321A；

专利文献2：中国专利公开CN106910827A。

实用新型内容

实用新型要解决的问题：

鉴于以上存在的问题，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种由多个电池单元并联而形成的大面积的单基板的钙钛矿太阳能电池模块。

解决问题的手段：

为了解决上述技术问题，本实用新型的钙钛矿太阳能电池模块，包括：导电基底、钙钛矿吸光层和对电极；

在所述导电基底和所述钙钛矿吸光层之间设有空穴阻挡层、电子传输层和绝缘层；

在所述对电极和所述钙钛矿吸光层之间设有空穴传输层，在所述导电基底上还排布有用于收集电子的导电柵线和总栅线；

在所述导电基底上设有多个形成为并联结构的钙钛矿太阳能电池单元，所述钙钛矿太阳能电池单元间由连接线连接，所述连接线与所述导电基底之间设有所述绝缘层，所述导电柵线汇总于所述总栅线作为电池的一个电极，所述钙钛矿太阳能电池单元间由所述连接线连接汇总作为电池的另一个电极。

根据本实用新型，能够在大面积的单基板上，对数个钙钛矿太阳能电池单元进行的并联连接，在一整片导电基底上是一个由多个钙钛矿太阳能电池单元并联而成的钙钛矿太阳能电池模块。即、通过使钙钛矿太阳能电池彼此间在单基板上形成为并联结构，与以往的串联结构相比能降低电池的串联电阻，提高了电池工作电流，增加电池有效面积。而绝缘层可以将电池正负极隔开，从而实现稳定的并联结构。

又，在本实用新型中，也可以是，每个所述钙钛矿太阳能电池单元包括空穴阻挡层、电子传输层、绝缘层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极；

所述钙钛矿太阳能电池单元之间互相隔开，所述导电柵线设于所述钙钛矿太阳能电池单元的间隙中；

所述绝缘层设于所述对电极与所述导电基底中间隔开所述钙钛矿太阳能电池单元的两极，从而在所述导电基底上形成并联结构。

又，在本实用新型中，也可以是，所述钙钛矿太阳能电池单元为方形、圆形、多边形、或为具有图案和花纹。

又，在本实用新型中，也可以是，所述钙钛矿太阳能电池单元为方形时，宽度为5～15mm，长度大于10mm，列间距0.05～0.6mm，行间距0.06～1.2mm，所述连接线由对电极材料连接在所述钙钛矿太阳能电池单元间形成，其宽度大于10μm。该宽度通常取决于对电极导电性能，但应大于10μm。

又，在本实用新型中，也可以是，所述导电柵线的材料为金属，包括金、银、铜和铝中至少一种；所述导电柵线和所述总栅线为不同材料时导电性能不同。

又，在本实用新型中，也可以是，所述导电柵线的宽度为0.01mm～0.5mm，厚度为0.1μm～30μm，与所述钙钛矿太阳能电池单元至少间隔10μm；所述总栅线的宽度为0.02mm～1mm，厚度为0.1μm～30μm，与所述钙钛矿太阳能电池单元至少间隔10μm。

根据本实用新型，导电柵线和总栅线电阻远小于导电基底，导电柵线设于宽间隔处，用于收集电子，总栅线将导电栅线收集的电子汇总至一端，由于总栅线汇总距离远大于导电栅线，因此总栅线略粗于导电栅线。因此引入导电柵线和总栅线可以有效降低电池内电阻，提高电池效率。

又，在本实用新型中，也可以是，所述空穴传输层由丝网印刷碳浆料而成，所述对电极为导电膜或导电胶。由此，相比传统的金属蒸镀电极，有更好的稳定性与较低的成本。又，导电胶或导电膜相较于传统的导电浆料，在保证优异的导电性前提下，工艺更简单，传统的导电浆料需要印刷烧结，导电膜，即贴即用，导电胶，涂布后可快速固化。

又，在本实用新型中，也可以是，所述空穴传输层为低温碳材料，烧结温度低于150℃；所述导电胶为胶水或胶带，当烧结或固化时，温度应低于150℃。由此，传统高温材料会对吸光层造成破坏，150℃以下较低温度，对电池性能没有负面效果。

又，在本实用新型中，也可以是，所述空穴阻挡层为TiO₂致密层，前驱体溶液溶剂为乙醇和水，包括钛酸四异丙酯、乙酰丙酮、盐酸。由此，空穴阻挡层可以有效地防止电池内部电子、空穴复合。

又，在本实用新型中，也可以是，所述电子传输层通过丝网印刷二氧化钛浆料而成；所述绝缘层通过丝网印刷二氧化锆浆料而成。

实用新型效果：

本实用新型能够提供一种工艺设备简单、容易操作，设备成本低廉，利于产业化，且适用于大面积钙钛矿太阳能电池基板上进行涂布的钙钛矿吸光层的涂布工艺及装置。根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本实用新型的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是对比例中串联结构的剖视图；

图2是根据本实用新型一实施形态的方形的钙钛矿太阳能电池模块的并联结构的俯视图；

图3A是图2所示的A-A处的剖视图；

图3B是图2所示的B-B处的剖视图；

图4是图2所示的钙钛矿太阳能电池模块的局部放大图；

图5是并联更多钙钛矿太阳能电池单元的钙钛矿太阳能电池模块的俯视图；

图6是根据本实用新型另一实施形态的多边形的钙钛矿太阳能电池模块的并联结构的俯视图；

图7是示出根据本实用新型的并联结构的钙钛矿太阳能电池模块与现有工艺的串联结构的钙钛矿太阳能电池模块的性能对比图；

符号说明：

1 栅线

1a 导电栅线

1b 总栅线

2 导电基底(透明导电玻璃)

3 空穴阻挡层

4 电子传输层

5 绝缘层

6 钙钛矿吸光层

7 空穴传输层

9 刻蚀线

20 钙钛矿太阳能电池单元

21 连接线

22 行间距

23 列间距

24 间隙。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本实用新型，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

图1是对比例中串联结构的剖视图；图2是根据本实用新型一实施形态的方形的钙钛矿太阳能电池模块的并联结构的俯视图；图3A是图2所示的A-A处的剖视图；图3B是图2所示的B-B处的剖视图；图4是图2所示的钙钛矿太阳能电池模块的局部放大图；图5是并联更多钙钛矿太阳能电池单元20的钙钛矿太阳能电池模块的俯视图。本实用新型为解决上述技术问题，提供一种钙钛矿太阳能电池，包括：导电基底2、钙钛矿吸光层6和对电极；在透明导电基底2和钙钛矿吸光层6之间设有空穴阻挡层3、电子传输层4和绝缘层5；在对电极和钙钛矿吸光层6之间设有空穴传输层7。在透明导电基底2上还排布有用于收集电子的栅线1；多个钙钛矿太阳能电池单元20(以下简称单元20)在基板上形成为并联结构。本实施形态中，栅线1分为导电柵线1a和总柵线1b。

具体地，单元20如图2所示，剖视时(如图3A所示，无连接线)，从下往上包括空穴阻挡层3、电子传输层4、绝缘层5、钙钛矿吸光层6、空穴传输层7及对电极，剖视时(如3B所示，有连接线)可看出连接线处，从下往上也包括空穴阻挡层3、电子传输层4、绝缘层5、钙钛矿吸光层6、空穴传输层7及对电极，此设计有效利用了连接线下部区域制作成有效的单元20。

又，如图2和图3所示，由导电柵线1a收集导电基底2的电子，统一引出，由总栅线1b汇总至一端，与单元20所有负极相连；对电极将各个单元20的空穴收集，通过长边中点连接线21统一引出，与单元20所有正极相连，汇总至另一端。但不限于此，也可以选择在右端进行激光刻蚀，制作成绝缘区域，将导电基底2分成两个部分，将电极和对电极汇总在导电基板2上绝缘区域的两端，若后期模块制作需要两片独立的电池需要用导线正负相连，可在同基底上引出正负极，通过刻蚀线隔开，避免高低差造成的导线损坏。

又，对电极和导电基板2中间设有绝缘层5，可避免电池内部短路。因此所有单元20以正极相连、负极相连的连接方式而构成并联。本实用新型中，正负极可以因为电极上下相反而互换，故而不受限于本实施形态的上述方式。另，本实用新型中，如图5所示，单元20的并联个数不受限定，电池模块的尺寸也不限定，只要满足需求即可。

又，更具体而言，单元20尺寸较长的边为长，尺寸较短的边为宽。单元20根据尺寸不同，在导电基底2上排布可形成长方向N行、宽方向上M列的阵列排布。单元20之间长方向的中点部分相连，定义为连接线21，其余部分互相隔开，定义此隔开间距为列间距23。列间距23隔开处设有导电栅线1a收集导电基底2的电子，导电栅线1a端部有总栅线1b汇总至一端，看作所有单元20电极相连，若行数大于3行，则每两行之间隔开，定义此隔开间距为行间距22，行间距22隔开处加设一段总栅线1b，与端部总栅线1b一起汇总。对电极通过连接线21相互连接，汇总至另一端，与所有单元20的对电极相连，绝缘层5在中间将两极隔开，从而在基板上形成多个单元20并联的结构。

图6是根据本实用新型另一实施形态的多边形的钙钛矿太阳能电池模块的并联结构的俯视图。如图6所示，单元20呈多边形，单元20可以看成一个八边形整体，连续的图案皆可以作为是连接线21，单元20的任意处可作为正极，单元20间的间隙24设有导电栅线1a以收集透明导电基底2上的电子，总柵线1b汇总至上端作为负极，从而如前所述，多个单元20并联构成钙钛矿太阳能电池模块。

另，本实用新型中，采用FTO导电玻璃作为钙钛矿太阳能电池的导电基底2(以下亦称为FTO玻璃2)，其为掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃(SnO₂：F)，广泛用于液晶显示屏，光催化，太阳能电池基底、染料敏化太阳能电池、电致变色玻璃等领域。所述导电基底为透明导电电极。进一步地，所述透明导电电极为FTO玻璃2。钙钛矿太阳能电池是将光能转化为电能，透明材料而成以便于吸光，且作为电极，其中透明导电基底2可以是FTO、AZO或ITO，由于FTO耐热、耐化学稳定性最佳，故为优选，但不限于此，可根据具体情况变更。

以下结合具体实施例进一步详细说明本实用新型。

(实施例1)

1)本实施例中，省略激光刻蚀步骤。

2)分别用丙酮、碱洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗FTO玻璃16十分钟，然后吹干。

3)在FTO玻璃2基板上制备TiO₂致密层3(即、空穴阻挡层3)，前驱体溶液溶剂为乙醇和水，其中包括以下成分：钛酸四异丙酯(0.3mol/L)、乙酰丙酮(0.45mol/L)、盐酸(0.09mol/L)。吸取前驱体溶液，滴加于清洗干净的FTO基板上，使溶液铺满整个FTO玻璃2表面，采用旋涂法成膜，旋涂速度3000rpm，时间20s。在马弗炉中510℃烧结30min。

4)在致密层(即、空穴阻挡层)3上，丝网印刷二氧化钛浆料作为电子传输层4，固含量10％，溶剂松油醇，在马弗炉中510℃烧结30min。

5)在电子传输层4上，丝网印刷二氧化锆浆料作为绝缘层5，固含量5％，溶剂松油醇，在马弗炉中510℃烧结30min。

6)量取461毫克碘化铅(PbI₂)，159毫克CH₃NH₃I粉体，78毫克二甲亚砜混于600毫克N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，室温下搅拌1小时，形成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿前驱体溶液。以此钙钛矿前驱体溶液为旋涂液，采用旋涂法制备未经热处理的钙钛矿吸光层6，旋涂速度5000rpm，时间20s，100℃退火5分钟。

7)在钙钛矿吸光层6上，丝网印刷碳浆料作为空穴传输层7，固含量37％，溶剂松油醇，对电极由常温离型导电胶带形成，得到钙钛矿太阳能电池。另，本实用新型的上述实施例中，并联电池数量为八个，但不限于此，可根据需要增减。又，与对比例1中的刻蚀线的位置是电池中无法利用的区域而不发电相比，实施例1因此省去刻蚀线，相当于在相同大小的基底上，增大了有效发电面积。

(对比例1)

1)使用激光在FTO玻璃2上刻蚀掉FTO层，形成刻蚀线9，保证单元20间电阻无穷大。

2)分别用丙酮、碱洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗FTO玻璃2十分钟，然后吹干。

3)在FTO玻璃2基板上制备TiO₂致密层3(即、空穴阻挡层3)，前驱体溶液溶剂为乙醇和水，其中包括以下成分：钛酸四异丙酯(0.3mol/L)、乙酰丙酮(0.45mol/L)、盐酸(0.09mol/L)。吸取前驱体溶液，滴加于清洗干净的FTO基板上，使溶液铺满整个FTO玻璃2表面，采用旋涂法成膜，旋涂速度3000rpm，时间20s。在马弗炉中510℃烧结30min。

4)在致密层(即、空穴阻挡层)3上，丝网印刷二氧化钛浆料作为电子传输层4，固含量10％，溶剂松油醇，在马弗炉中510℃烧结30min。

5)在电子传输层4上，丝网印刷二氧化锆浆料作为绝缘层5，固含量5％，溶剂松油醇，在马弗炉中510℃烧结30min。

6)量取461毫克碘化铅(PbI₂)，159毫克CH₃NH₃I粉体，78毫克二甲亚砜混于600毫克N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，室温下搅拌1小时，形成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿前驱体溶液。以此钙钛矿前驱体溶液为旋涂液，采用旋涂法制备未经热处理的钙钛矿吸光层6，旋涂速度5000rpm，时间20s，100℃退火5分钟。

7)在钙钛矿吸光层6上，丝网印刷碳浆料形成碳层作为空穴传输层7兼对电极，固含量37％，溶剂松油醇，得到钙钛矿太阳能电池单元20。

8)如上制作八个钙钛矿太阳能电池单元20，然后使该八个钙钛矿太阳能电池在单基板上形成串联结构，具体地，如图1所示：通过激光刻蚀，形成刻蚀线9将FTO玻璃2隔开，通过丝网印刷方式制作的碳对电极，利用错位，使得前一单元20的对电极，直接印刷到下一单元20的导电柵线1a上，即第一单元20的正极，连接第二单元20的负极，以此类推，形成串联结构。

图7是示出根据本实用新型的并联结构的钙钛矿太阳能电池模块与现有工艺的串联结构的钙钛矿太阳能电池模块的性能对比图。下表进一步示出了根据本实用新型的实施例1和对比例1所制备的钙钛矿太阳能电池与现有工艺制备的钙钛矿太阳能电池的性能参数；

。

理论上，在使用相同原料的前提下，串联结构的太阳能电池的总电压为单电池总和，电流处处相等，即为单节电池电流，因此能得到较高的电压。相对于此，根据本实用新型的并联结构的钙钛矿太阳能电池的总电流为单电池电流总和，电压处处相等，即为单电池电压。然而，实际上，如上表所示，八个并联结构的太阳能电池的电流密度值为17.22mA/cm²，大于1.67*8＝13.36mA/cm²，换言之大于八个串联结构的太阳能电池的电流之和。此外，并联结构的串联电阻Rs远小于串联结构(将近两个数量级)。

由此可知，并联结构的钙钛矿太阳能电池能够有效避免串联结构中单电池间串联电阻较高而影响效率的缺点。而且，并联结构的钙钛矿太阳能电池的电池有效面积得以提高，从而总功率提高了50mW，即提高了基板利用率。

综上，通过将钙钛矿太阳能电池形成为并联结构，从而良好地克服了单基板上电池形成为串联结构而导致的电阻过大、影响效率等问题。此外，由于无需激光刻蚀线，提高了基板利用率，提高了单位面积发电量。因此，对钙钛矿太阳能电池将来的产业化发展提供了一种更好地思路和方法。

以上的具体实施方式对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本实用新型的一种具体实施方式而已，并不限于本实用新型的保护范围，在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本实用新型的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，包括：

导电基底、钙钛矿吸光层和对电极；

在所述导电基底和所述钙钛矿吸光层之间设有空穴阻挡层、电子传输层和绝缘层；

在所述对电极和所述钙钛矿吸光层之间设有空穴传输层，在所述导电基底上还排布有用于收集电子的导电栅线和总栅线；

在所述导电基底上设有多个形成为并联结构的钙钛矿太阳能电池单元，所述钙钛矿太阳能电池单元间由连接线连接，所述连接线与所述导电基底之间设有所述绝缘层，所述导电栅线汇总于所述总栅线作为电池的一个电极，所述钙钛矿太阳能电池单元间由所述连接线连接汇总作为电池的另一个电极。

2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

每个所述钙钛矿太阳能电池单元包括空穴阻挡层、电子传输层、绝缘层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极；

所述钙钛矿太阳能电池单元之间互相隔开，所述导电栅线设于所述钙钛矿太阳能电池单元的间隙中；

所述绝缘层设于所述对电极与所述导电基底中间隔开所述钙钛矿太阳能电池单元的两极，从而在所述导电基底上形成并联结构。

3.根据权利要求1或2所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述钙钛矿太阳能电池单元为方形、圆形、或多边形。

4.根据权利要求1或2所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述钙钛矿太阳能电池单元具有图案和花纹。

5.根据权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述钙钛矿太阳能电池单元为方形时，宽度为5~15mm，长度大于10mm，列间距0.05~0.6mm，行间距0.06~1.2mm，

所述连接线由对电极材料连接在所述钙钛矿太阳能电池单元间形成，其宽度大于10μm。

6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述导电栅线的材料为金属，包括金、银、铜和铝中一种；

所述导电栅线和所述总栅线为不同材料时导电性能不同。

7.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述导电栅线的宽度为0.01mm~0.5mm，厚度为0.1μm~30μm，与所述钙钛矿太阳能电池单元至少间隔10μm；

所述总栅线的宽度为0.02mm~1mm，厚度为0.1μm~30μm，与所述钙钛矿太阳能电池单元至少间隔10μm。

8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述空穴传输层由丝网印刷碳浆料而成，所述对电极为导电膜或导电胶。

9.根据权利要求8所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述空穴传输层为低温碳材料，烧结温度低于150℃；

所述导电胶为胶水或胶带，当烧结或固化时，温度应低于150℃。

10.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池模块，其特征在于，

所述电子传输层通过丝网印刷二氧化钛浆料而成；

所述绝缘层通过丝网印刷二氧化锆浆料而成。