CN210110844U

CN210110844U - 一种管式钙钛矿太阳能电池及太阳能电池组件

Info

Publication number: CN210110844U
Application number: CN201921257013.1U
Authority: CN
Inventors: 孙翔; 刘琼; 姚云江
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2029-07-31

Abstract

为克服现有管状钙钛矿电池结构存在光电转换效率不高的问题，本实用新型提供了一种管式钙钛矿太阳能电池，包括由外至内依次设置的透明导电管、功能层和线状电极，所述功能层覆盖于所述透明导电管的内壁以形成管状结构，所述功能层包括可位置互换的电子传输层和钙钛矿吸收层，所述线状电极沿所述管式钙钛矿太阳能电池的轴向在所述功能层的内壁上延伸。本实用新型还提供了包括上述管式钙钛矿太阳能电池的太阳能电池组件。本实用新型提供的管式钙钛矿太阳能电池提升了对光的吸收效率，提高能量转换效率。

Description

一种管式钙钛矿太阳能电池及太阳能电池组件

技术领域

本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种管式钙钛矿太阳能电池及太阳能电池组件。

背景技术

钙钛矿太阳能电池由透明电极，电子传输层，钙钛矿吸收层，空穴传输层和金属电极组成，其中透明电极主要是以导电玻璃或者柔性材料作为基底，依次向上是致密层，多孔支架层，钙钛矿吸收层，空穴传输层以及背电极，目前钙钛矿太阳能电池从外视上可分为平面结构和管状结构，从内部结构上可以分为顺式(p-i-n型)和反式(n-i-p型)，其中顺式和反式的平面结构钙钛矿电池在市面上均已有报道，两者性能各有优势，而管状的钙钛矿结构却较少，尤其是反式的管状钙钛矿结构，这是因为在顺式结构中致密层和介孔层需要高温退火，而后续的空穴传输层大多为有机物，不耐高温，因此常规的方法是在导电材料上先制备致密层和介孔层，高温退火后再制备吸光层，空穴传输层，最后在表面蒸镀或者溅射金属电极导电，但是由于表层金属电极不透光，由该法制备的管式钙钛矿无法从外部光照，光线只能由管内传输，受光面积十分有限，极大的限制了管式钙钛矿电池在组件端发电的应用。

现有的管状钙钛矿电池结构的中心电极通常为金属材料，为了避免对光的遮挡，致密层，多孔支架层和空穴传输层通常选用透光性高的材料，由于钙钛矿吸收层对光的吸收不完全，则进入管状钙钛矿电池结构的光线会被中心的电极进行部分遮挡，影响光电转换效率。

实用新型内容

针对现有管状钙钛矿电池结构存在光电转换效率不高的问题，本实用新型提供了一种管式钙钛矿太阳能电池及太阳能电池组件。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种管式钙钛矿太阳能电池，包括由外至内依次设置的透明导电管、功能层和线状电极，所述功能层覆盖于所述透明导电管的内壁以形成管状结构，所述功能层包括可位置互换的电子传输层和钙钛矿吸收层，所述线状电极沿所述管式钙钛矿太阳能电池的轴向在所述功能层的内壁上延伸。

可选的，所述线状电极为包括银、钛、金中的一种或多种的金属丝，所述线状电极部分熔融与所述功能层的内壁电连接。

可选的，所述透明导电管包括透明管以及设置于所述透明管表面的透明导电层。

可选的，所述透明导电层为掺氟氧化锡层或掺铟氧化锡层。

可选的，所述线状电极的数量为2个，2个所述线状电极分别设置于所述功能层相对的两侧内壁上，所述线状电极的线宽为1～200μm。

可选的，所述功能层还包括有空穴传输层，所述空穴传输层、所述钙钛矿吸收层和所述电子传输层由外至内依次排布。

可选的，所述功能层还包括有空穴传输层，所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层由外至内依次排布。

可选的，所述空穴传输层厚度为50～300nm，所述空穴传输层为无机材料层或有机材料层，所述无机材料层选自金属氧化物层，所述有机材料层选自PEDOT:PSS层、Spiro-OMeTAD层、酞菁铜层或PTAA层。

可选的，所述电子传输层包括介孔层和致密层，所述介孔层的厚度为10～100nm，所述致密层的厚度为20～50nm，所述介孔层位于所述致密层的内侧，所述钙钛矿吸收层位于所述介孔层的内侧。

可选的，所述钙钛矿吸收层的厚度为200～400nm。

可选的，所述管式钙钛矿太阳能电池的径向截面为圆形、方形、六边形、八边形或环形。

可选的，在所述管式钙钛矿太阳能电池的一端，所述线状电极延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池的端面；在所述管式钙钛矿太阳能电池的另一端，所述透明导电管延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池的端面。

另一方面，本发明另一实施例提供了一种太阳能电池组件，包括汇流条和多个如上所述的管式钙钛矿太阳能电池，多个所述管式钙钛矿太阳能电池之间通过所述线状电极和所述透明导电管相互串联和/或并联，所述汇流条用于引出所述管式钙钛矿太阳能电池的电流。

根据本实用新型提供的管式钙钛矿太阳能电池，设置有由电子传输层和钙钛矿吸收层组成的功能层，所述功能层用于吸收光能产生电子和空穴，通过电子和空穴的定向移动产生电流，所述透明导电管作为管式钙钛矿太阳能电池的外部电极，所述功能层环绕于所述透明导电管的内部以形成管状结构，所述线状电极作为管式钙钛矿太阳能电池的内部电极，形成一个完整的管式电池结构，相对于平面薄膜结构的钙钛矿电池，管式钙钛矿太阳能电池的受光面积为整个功能层的外圈，在构成组件的过程中，由于表面由大量圆柱结构或者多边形管状的非平面结构平铺，组件表面的非平面结构通过对光的反射可以增大组件对光线的吸收；同时，由于钙钛矿吸收层对光吸收的不完全，线状电极能够置于管式钙钛矿太阳能电池的侧面，从而减少所述管式钙钛矿太阳能电池的正面和反面遮光面积，减少内部芯线对光线的遮挡，提高电池的光吸收面积，透过管式钙钛矿太阳能电池上半部分的未吸收的光线能够继续照射到管式钙钛矿太阳能电池下半部分的钙钛矿吸收层上，从而提升了对光的吸收效率，提高能量转换效率。

附图说明

图1是本实用新型一实施例提供的管式钙钛矿太阳能电池的径向截面示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的管式钙钛矿太阳能电池的侧面示图；

图3是本发明实施例提供的太阳能电池组件的连接示意图；

图4是本发明实施例提供的太阳能电池组件的侧面连接示意图。

说明书附图中的附图标记如下：

1、线状电极；2、功能层；21、空穴传输层；22、钙钛矿吸收层；23、电子传输层；231、介孔层；232、致密层；3、透明导电管；31、透明导电层；32、透明管；4、汇流条。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1和图2所示，本实用新型提供了一种管式钙钛矿太阳能电池，包括由外至内依次设置的透明导电管3、功能层2和线状电极1，所述功能层2覆盖于所述透明导电管3的内壁以形成管状结构，所述功能层2包括可位置互换的电子传输层23和钙钛矿吸收层22，所述线状电极1沿所述管式钙钛矿太阳能电池的轴向在所述功能层2的内壁上延伸。

本实用新型提供的管式钙钛矿太阳能电池设置有由电子传输层23和钙钛矿吸收层22组成的功能层2，所述功能层2用于吸收光能产生电子和空穴，通过电子和空穴的定向移动产生电流，所述透明导电管3作为管式钙钛矿太阳能电池的外部电极，所述功能层2环绕于所述透明导电管3的内部以形成管状结构，所述线状电极1作为管式钙钛矿太阳能电池的内部电极，形成一个完整的管式电池结构，相对于平面薄膜结构的钙钛矿电池，管式钙钛矿太阳能电池的受光面积为整个功能层2的外圈，在构成组件的过程中，由于表面由大量圆柱结构或者多边形管状的非平面结构平铺，组件表面的非平面结构通过对光的反射可以增大组件对光线的吸收；同时，由于钙钛矿吸收层22对光吸收的不完全，线状电极1能够置于管式钙钛矿太阳能电池的侧面，从而减少所述管式钙钛矿太阳能电池的正面和反面遮光面积，减少内部芯线对光线的遮挡，提高电池的光吸收面积，透过管式钙钛矿太阳能电池上半部分的未吸收的光线能够继续照射到管式钙钛矿太阳能电池下半部分的钙钛矿吸收层22上，从而提升了对光的吸收效率，提高能量转换效率。

需要说明的是，在不同的实施例中，本发明提供的管式钙钛矿太阳能电池的各层厚度和长度可根据需要进行调节，以制备不同截面尺寸大小和长度的管式钙钛矿太阳能电池，当所述管式钙钛矿太阳能电池的截面尺寸大小足够小时，可将其作为纤维材料，应用于可穿戴发电织物上，或是缠绕于其他物件上进行发电，当所述管式钙钛矿太阳能电池的截面尺寸大小足够大时，可将其作为独立的发电电池单元进行组装。

在一些实施例中，所述线状电极1为包括银、钛、金中的一种或多种的金属丝，所述线状电极1部分熔融与所述功能层2的内壁电连接。

所述线状电极1可用于与相邻的所述管式钙钛矿太阳能电池之间的电连接或是与汇流条45、导线等结构的电连接，通过将所述线状电极1熔融，能够使所述线状电极1固定于所述功能层2的内壁中，用于将电流引出，同时也降低了线状电极1和所述功能层2接触电阻。

在一些实施例中，所述透明导电管3包括透明管32以及设置于所述透明管32表面的透明导电层31。

所述透明导电层31为掺氟氧化锡层或掺铟氧化锡层。

通过采用透明材料能够促使光线透过并被所述钙钛矿吸收层22吸收，避免对光线的遮挡。

具体的，所述透明管32可选自玻璃管。

在一实施例中，所述线状电极1的数量为2个，2个所述线状电极1分别设置于所述功能层2相对的两侧内壁上，所述线状电极1的线宽为1～200μm。

本实施例中将所述线状电极1设置于所述功能层22相对的两侧内壁上，当采用多个所述管式钙钛矿太阳能电池并排组合形成太阳能电池组件时，相邻的2个所述管式钙钛矿太阳能电池的侧面相对，可将2个所述线状电极1分别设置于管式钙钛矿太阳能电池的两侧位置，使所述管式钙钛矿太阳能电池的正面和反面的光线可相互穿透，提高光线吸收效率。

在一实施例中，所述功能层还包括有空穴传输层，所述空穴传输层、所述钙钛矿吸收层和所述电子传输层由外至内依次排布，以形成顺式(p-i-n型)钙钛矿太阳能电池结构(未图示)。

在另一实施例中，所述功能层2还包括有空穴传输层21，所述电子传输层23、所述钙钛矿吸收层22和所述空穴传输层21由外至内依次排布，以形成如图1所示的反式(n-i-p型)钙钛矿太阳能电池结构。

具体的，在本实施例中，所述电子传输层23的外表面与所述透明导电管3的内表面接触，所述钙钛矿吸收层22的外表面与所述电子传输层23的内表面接触，所述空穴传输层21的外表面与所述钙钛矿吸收层22的内表面接触，所述线状电极1与所述空穴传输层21的内表面接触。

在功能层2中增加所述空穴传输层21可以优化界面，调节各层的能级匹配，促进电子和空穴的分离，加快空穴的运输，提高电池性能。

所述钙钛矿吸收层22吸收光能产生电子和空穴后，通过所述电子传输层23诱导电子朝透明导电管3方向传输，通过所述空穴传输层21诱导空穴朝线状电极1方向传输。

在一实施例中，所述空穴传输层21厚度为50～300nm，所述空穴传输层21为无机材料层或有机材料层，所述无机材料层选自金属氧化物层，所述有机材料层选自PEDOT:PSS层(聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)、Spiro-OMeTAD层(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)、酞菁铜层或PTAA层(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])。

具体的，所述无机材料选自于NiO、GuI、GuSCN中的一种或多种。

所述钙钛矿吸收层22可采用现有各类钙钛矿光吸收材料，在一些实施例中，所述钙钛矿吸收层22为有机金属三卤化物AMX₃，A为有机阳离子，如CH₃NH⁺ ₃及HN＝CH(NH⁺)等，M为二价金属离子，如Pb²⁺或Sn²⁺等，X为卤素离子，如Cl、Br或I等。

在本实施例中，所述电子传输层23包括介孔层231和致密层232，所述介孔层231位于所述致密层232的内侧，所述钙钛矿吸收层22位于所述介孔层231的内侧，所述透明导电管3包覆所述致密层232的外壁上。

在另一实施例中，当所述方形管式钙钛矿太阳能电池采用顺式(p-i-n型)钙钛矿太阳能电池结构时，所述介孔层和致密层的位置互换。

在其他实施例中，所述电子传输层23也可单独保留所述介孔层231或所述致密层232。

在本实施例中，所述介孔层231的厚度为10～100nm，所述介孔层231为介孔TiO₂层、介孔ZrO₂层或介孔Al₂O₃层，所述致密层232的厚度为20～50nm，所述致密层232为TiO₂层或ZnO层。

在一实施例中，所述钙钛矿吸收层22的厚度为200～400nm。

在一实施例中，所述管式钙钛矿太阳能电池的径向截面为圆形、方形、六边形、八边形或环形。

在一实施例中，在所述管式钙钛矿太阳能电池的一端，所述线状电极1延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池的端面；在所述管式钙钛矿太阳能电池的另一端，所述透明导电管3延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池的端面。

所述线状电极1和所述透明导电管3延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池端面的部分用于相邻的所述管式钙钛矿太阳能电池之间的电连接或是与汇流条4、导线等结构的电连接。

参见图3和图4所示，本实用新型的另一实施例提供了一种太阳能电池组件，包括汇流条4和多个如上所述的管式钙钛矿太阳能电池，多个所述管式钙钛矿太阳能电池之间通过所述线状电极1和所述透明导电管3相互串联和/或并联，所述汇流条4用于引出所述管式钙钛矿太阳能电池的电流。

所述太阳能电池组件的正面或反面均为受光面。

在一实施例中，多个所述管式钙钛矿太阳能电池在同一平面上平行并排布置，所述管式钙钛矿太阳能电池的轴向与所在平面平行，所述线状电极1位于所述管式钙钛矿太阳能电池相互朝向的侧面上。

从太阳能电池组件的受光面积来看，由管式钙钛矿太阳能电池拼接形成的组件，由于管式钙钛矿太阳能电池为圆柱型或多边形管状的非平面结构，排列成组件后，相较于平面的钙钛矿太阳能电池结构，太阳能电池组件表面由非平面结构构成，所述线状电极1位于侧面不会对正面和反面受光造成影响，光照射至表面，由于光的折射，使得太阳能电池组件表面具有陷光作用，增大了太阳能电池组件对光的吸收，提升了光的利用效率，从而提升电池的光电转化效率。

如图3和图4所示，在一实施例中，头尾连接的2个所述管式钙钛矿太阳能电池之间，后一个所述管式钙钛矿太阳能电池头端的线状电极1与前一个所述管式钙钛矿太阳能电池尾端的透明导电管3电连接，形成串联的电池串，多个电池串尾端的透明导电管3通过一汇流条4相互电连接，多个电池串头端的线状电极1通过另一汇流条4相互电连接，以引出所述太阳能电池组件的正负极，将多个所述电池串并联。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括由外至内依次设置的透明导电管、功能层和线状电极，所述功能层覆盖于所述透明导电管的内壁以形成管状结构，所述功能层包括可位置互换的电子传输层和钙钛矿吸收层，所述线状电极沿所述管式钙钛矿太阳能电池的轴向在所述功能层的内壁上延伸。

2.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述线状电极为包括银、钛、金中的一种或多种的金属丝，所述线状电极部分熔融与所述功能层的内壁电连接。

3.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电管包括透明管以及设置于所述透明管表面的透明导电层。

4.根据权利要求3所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电层为掺氟氧化锡层或掺铟氧化锡层。

5.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述线状电极的数量为2个，2个所述线状电极分别设置于所述功能层相对的两侧内壁上，所述线状电极的线宽为1～200μm。

6.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述功能层还包括有空穴传输层，所述空穴传输层、所述钙钛矿吸收层和所述电子传输层由外至内依次排布。

7.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述功能层还包括有空穴传输层，所述电子传输层、所述钙钛矿吸收层和所述空穴传输层由外至内依次排布。

8.根据权利要求6或7所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层厚度为50～300nm，所述空穴传输层为无机材料层或有机材料层，所述无机材料层选自金属氧化物层，所述有机材料层选自PEDOT:PSS层、Spiro-OMeTAD层、酞菁铜层或PTAA层。

9.根据权利要求8所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层包括介孔层和致密层，所述介孔层的厚度为10～100nm，所述致密层的厚度为20～50nm，所述介孔层位于所述致密层的内侧，所述钙钛矿吸收层位于所述介孔层的内侧。

10.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸收层的厚度为200～400nm。

11.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述管式钙钛矿太阳能电池的径向截面为圆形、方形、六边形、八边形或环形。

12.根据权利要求1所述的管式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在所述管式钙钛矿太阳能电池的一端，所述线状电极延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池的端面；在所述管式钙钛矿太阳能电池的另一端，所述透明导电管延伸出所述管式钙钛矿太阳能电池的端面。

13.一种太阳能电池组件，其特征在于，包括汇流条和多个如权利要求1～12任意一项所述的管式钙钛矿太阳能电池，多个所述管式钙钛矿太阳能电池之间通过所述线状电极和所述透明导电管相互串联和/或并联，所述汇流条用于引出所述管式钙钛矿太阳能电池的电流。