CN210575957U - 一种钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及钙钛矿太阳能电池，包括导电基底、钙钛矿吸光层和对电极；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；对电极和钙钛矿吸光层之间设有空穴传输层；导电基底上设有若干个钙钛矿太阳能电池单元，若干个钙钛矿太阳能电池单元之间并联成钙钛矿太阳能电池模块；导电基底上排布有用于收集电子的栅线，栅线由导电栅线和总栅线组成，导电栅线汇总于总栅线作为钙钛矿太阳能电池模块的两个电极。本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种并联结构的钙钛矿太阳能电池，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，增加了电池有效面积。而刻蚀线可以将电池正负极隔开，从而实现稳定的并联结构。

Description

一种钙钛矿太阳能电池
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。
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，且成本低，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板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CN106784321A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CN106910827A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。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种由多个电池单元并联而成的大面积单基板的钙钛矿太阳能电池。
这种钙钛矿太阳能电池，包括导电基底、钙钛矿吸光层和对电极；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；对电极和钙钛矿吸光层之间设有空穴传输层；导电基底上设有若干个钙钛矿太阳能电池单元，若干个钙钛矿太阳能电池单元之间并联成钙钛矿太阳能电池模块；导电基底上排布有用于收集电子的栅线，栅线由导电栅线和总栅线组成，导电栅线汇总于总栅线作为钙钛矿太阳能电池模块的两个电极，两个电极间由刻蚀线隔开；导电基底上设有通过激光刻蚀的刻蚀线。
作为优选：每个钙钛矿太阳能电池单元从下至上依次包括空穴阻挡层、电子传输层、绝缘层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极；绝缘层设于对电极与导电基底中间隔开钙钛矿太阳能电池单元的对电极与导电基底。
作为优选：钙钛矿太阳能电池单元之间互相隔开，导电栅线设于钙钛矿太阳能电池单元之间的间隙中，导电栅线汇总于钙钛矿太阳能电池模块两端的总栅线并作为钙钛矿太阳能电池模块的两个电极。
作为优选：刻蚀线位于钙钛矿太阳能电池模块的两个电极之间，隔开钙钛矿太阳能电池模块的两极，从而在导电基底上形成并联结构；刻蚀线通过激光刻蚀形成，刻蚀线长度必须够长，保证处于刻蚀线两侧的导电基底完全分离；刻蚀线宽度为0.01mm～1mm。
作为优选：钙钛矿太阳能电池单元为方形、圆形或多边形；钙钛矿太阳能电池单元为方形时，钙钛矿太阳能电池单元在导电基底上排布形成长方向上N行、宽方向上M列的阵列，钙钛矿太阳能电池单元的宽度为5～15mm，长度大于10mm，列间距为0.1～0.5mm，行间距为 0.1～1.0mm。
作为优选：栅线的材料为金属，包括金、银、铜或铝中至少一种。导电栅线和总栅线为不同材料时导电性能不同。
作为优选：导电栅线的宽度为0.01mm～0.5mm，厚度为0.1μm～30μm，与钙钛矿太阳能电池单元至少间隔10μm；总栅线的宽度为0.02mm～1mm，厚度为0.1μm～30μm，与钙钛矿太阳能电池单元至少间隔10μm。
作为优选：空穴传输层为低温碳材料，对电极为导电膜或导电胶，导电胶为胶水或胶带。
作为优选：空穴阻挡层为TiO2致密层，前驱体溶液包括钛酸四异丙酯、乙酰丙酮和盐酸，溶剂为乙醇和水。因此，空穴阻挡层可以有效地防止电池内部电子、空穴复合。
作为优选：电子传输层通过丝网印刷纳米二氧化钛浆料而成；绝缘层通过丝网印刷纳米二氧化锆浆料而成。绝缘层的存在，能将钙钛矿太阳能电池单元自身正负极隔开，从而实现避免钙钛矿太阳能电池单元内部短路。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种并联结构的钙钛矿太阳能电池，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，增加了电池有效面积。而刻蚀线可以将电池正负极隔开，从而实现稳定的并联结构。
附图说明
图1是图3的钙钛矿太阳能电池A-A剖面示意图；
图2是图3的钙钛矿太阳能电池B-B剖面示意图；
图3是本实用新型的钙钛矿太阳能电池的并联俯视图；
图4是在图3相同基板上，单元缩小、数量增加的钙钛矿太阳能电池的俯视图；
图5是图4的钙钛矿太阳能电池的局部放大图；
图6是对比例中串联结构的钙钛矿太阳能电池的剖面图。
附图标记说明：1、导电基底；2、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、对电极；8、刻蚀线；9、栅线；9a、导电栅线；9b、总栅线； 20、钙钛矿太阳能电池单元；22、行间距；23、列间距；24、单元与栅线间隙。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
如图1至图5所示，所述的钙钛矿太阳能电池主要有三部分组成：导电基底1(即工作电极，通常包括衬底与导电层)、钙钛矿吸光层5、对电极7。导电基底1与钙钛矿吸光层5之间设有空穴阻挡层2、电子传输层3和绝缘层4。对电极7与钙钛矿吸光层5之间设有空穴传输层6。导电基底1上分布有导电栅线9a和总栅线9b，电子汇总于总栅线9b，总栅线9b 汇聚在导电基底1两端，形成模块电极。
如图3和图4所示，由导电栅线9a收集导电基底1的电子，统一引出，由总栅线9b汇总至两端，绝缘的刻蚀线8将两个电极分开。
对电极7和导电基底1之间设有绝缘层4，可避免电池内部短路。因此所有钙钛矿太阳能电池单元20以正极相连、负极相连的连接方式而构成并联。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。钙钛矿太阳能电池单元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。
钙钛矿太阳能电池单元20尺寸较长的边为长，尺寸较短的边为宽。钙钛矿太阳能电池单元20根据尺寸不同，在导电基底1上可排布形成长方向上N行、宽方向上M列的阵列。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9a收集导电基板1的电子，导电栅线9a端部设有总栅线9b汇总至一端，看作所有钙钛矿太阳能电池单元20电极相连，如图3所示；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9b，汇总至电池右端，对电极7通过上、下两端的总栅线9相互连接，汇总至电池左端，刻蚀线8将两极隔开，从而形成多个钙钛矿太阳能电池单元20并联的结构，如图4所示。
在大面积的单基板(即导电基底1)上，将多个钙钛矿太阳能电池单元20进行并联连接，形成钙钛矿太阳能电池模块，即钙钛矿太阳能电池单元20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，提高电池工作电流，增加电池有效面积。而刻蚀线8可以将钙钛矿太阳能电池模块正负极隔开，从而实现稳定的并联结构。
导电栅线9a和总栅线9b电阻远小于导电基底1，总栅线9b将导电栅线9a收集的电子汇总至一端，由于总栅线9b汇总距离远大于导电栅线9a，因此总栅线9b略粗于导电栅线9a。因此引入导电栅线9a和总栅线9b可以有效降低电池内电阻，提高电池效率。
空穴传输层6由丝网印刷碳浆料而成，烧结温度低于280℃；对电极7为导电膜或导电胶，导电胶为胶水或胶带，当烧结或固化时，温度应低于280℃。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。因此，传统高温材料会对钙钛矿吸光层5造成破坏，280℃以下较低温度，对电池性能没有负面效果。
实施例：
1)使用激光在FTO导电玻璃基板(即导电基底1)合适位置刻蚀一条绝缘的刻蚀线8，保证正负极间电阻无穷大。
2)分别用丙酮、碱洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗FTO导电玻璃基板十分钟，然后吹干。
3)在FTO导电玻璃基板上制备TiO2致密层(即空穴阻挡层2)，前驱体溶液包括钛酸四异丙酯(0.3mol/L)、乙酰丙酮(0.45mol/L)、盐酸(0.09mol/L)，溶剂为乙醇和水。吸取前驱体溶液，滴加于清洗干净的FTO导电玻璃基板上，使溶液铺满整个FTO导电玻璃基板表面，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2)上，丝网印刷二氧化钛浆料作为电子传输层3，固含量 10％，溶剂为松油醇，在马弗炉中510℃烧结30min。
5)在电子传输层3上，丝网印刷二氧化锆浆料作为绝缘层4，固含量5％，溶剂为松油醇，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5，旋涂速度5000rpm，时间20s，100℃退火5分钟。
7)在钙钛矿吸光层5上，丝网印刷碳浆料作为空穴传输层6，固含量37％，溶剂为松油醇，对电极7由常温离型导电胶带制成，最后得到钙钛矿太阳能电池。本实用新型的上述实施例中，如图3所示，钙钛矿太阳能电池单元20由导电栅线9a收集导电基板1的电子，统一引出至电池下端的总栅线9b，形成负极，对电极7向上跨过刻蚀线8接触到电池上端的总栅线9b，形成正极，此正极相连、负极相连的结构形成了并联电池，数量为八个，但不限于此，可根据需要增减。
对比例：
1)在FTO导电玻璃基板上刻蚀掉FTO层，形成多条绝缘的刻蚀线8，保证钙钛矿太阳能电池单元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导电玻璃基板十分钟，然后吹干。
3)在FTO导电玻璃基板上制备TiO2致密层(即空穴阻挡层2)，前驱体溶液包括钛酸四异丙酯(0.3mol/L)、乙酰丙酮(0.45mol/L)、盐酸(0.09mol/L)，溶剂为乙醇和水。吸取前驱体溶液，滴加于清洗干净的FTO导电玻璃基板上，使溶液铺满整个FTO导电玻璃基板表面，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2)上，丝网印刷二氧化钛浆料作为电子传输层3，固含量 10％，溶剂为松油醇，在马弗炉中510℃烧结30min。
5)在电子传输层3上，丝网印刷二氧化锆浆料作为绝缘层4，固含量5％，溶剂为松油醇，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5，旋涂速度5000rpm，时间20s，100℃退火5分钟。
7)在钙钛矿吸光层5上，丝网印刷碳浆料形成碳层作为空穴传输层6兼对电极，固含量 37％，溶剂为松油醇，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单元20在单基板上形成串联结构，如图6所示，通过激光刻蚀，形成刻蚀线8将FTO导电玻璃基板隔开，通过丝网印刷方式制作的碳对电极，利用错位的方式，使得前一钙钛矿太阳能电池单元 20的对电极，直接印刷到下一钙钛矿太阳能电池单元20的导电栅线9a上，即第一钙钛矿太阳能电池单元20的正极连接第二钙钛矿太阳能电池单元20的负极，以此类推，形成串联结构。
通过将钙钛矿太阳能电池单元20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，从而提高了单位面积发电量。因此，为钙钛矿太阳能电池将来的产业化发展提供了一种更好的思路和方法。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于：包括导电基底(1)、钙钛矿吸光层(5)和对电极(7)；导电基底(1)和钙钛矿吸光层(5)之间设有空穴阻挡层(2)、电子传输层(3)和绝缘层(4)；对电极(7)和钙钛矿吸光层(5)之间设有空穴传输层(6)；导电基底(1)上设有若干个钙钛矿太阳能电池单元(20)，若干个钙钛矿太阳能电池单元(20)之间并联成钙钛矿太阳能电池模块；导电基底(1)上排布有用于收集电子的栅线(9)，栅线(9)由导电栅线(9a)和总栅线(9b)组成，导电栅线(9a)汇总于总栅线(9b)作为钙钛矿太阳能电池模块的两个电极，两个电极间由刻蚀线(8)隔开；导电基底(1)上设有刻蚀线(8)。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：每个钙钛矿太阳能电池单元(20)从下至上依次包括空穴阻挡层(2)、电子传输层(3)、绝缘层(4)、钙钛矿吸光层(5)、空穴传输层(6)和对电极(7)；绝缘层(4)设于对电极(7)与导电基底(1)中间隔开钙钛矿太阳能电池单元(20)的对电极(7)与导电基底(1)。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：钙钛矿太阳能电池单元(20)之间互相隔开，导电栅线(9a)设于钙钛矿太阳能电池单元(20)之间的间隙中，导电栅线(9a)汇总于钙钛矿太阳能电池模块两端的总栅线(9b)并作为钙钛矿太阳能电池模块的两个电极。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：刻蚀线(8)位于钙钛矿太阳能电池模块的两个电极之间，隔开钙钛矿太阳能电池模块的两极；刻蚀线(8)宽度为0.01mm～1mm。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：钙钛矿太阳能电池单元(20)为方形、圆形或多边形；钙钛矿太阳能电池单元(20)为方形时，钙钛矿太阳能电池单元(20)在导电基底(1)上排布形成长方向上N行、宽方向上M列的阵列，钙钛矿太阳能电池单元(20)的宽度为5～15mm，长度大于10mm，列间距(23)为0.1～0.5mm，行间距(22)为0.1～1.0mm。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：栅线(9)的材料为金属，包括金、银、铜或铝中至少一种。
7.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：导电栅线(9a)的宽度为0.01mm～0.5mm，厚度为0.1μm～30μm，与钙钛矿太阳能电池单元(20)至少间隔10μm；总栅线(9b)的宽度为0.02mm～1mm，厚度为0.1μm～30μm，与钙钛矿太阳能电池单元(20)至少间隔10μm。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：空穴传输层(6)为低温碳材料，对电极(7)为导电膜或导电胶，导电胶为胶水或胶带。
9.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：空穴阻挡层(2)为TiO2致密层。
10.根据权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：电子传输层(3)通过丝网印刷纳米二氧化钛浆料而成；绝缘层(4)通过丝网印刷纳米二氧化锆浆料而成。
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