CN211743192U - 一种柔性太阳能电池 - Google Patents

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秦校军
王绍民
赵志国
董超
熊继光
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Abstract

本实用新型公开了一种柔性太阳能电池，包括第一封装层、第一电极层、PET层、第二封装层、第二电极层、空穴传输层、钙钛矿光电活性层、电子传输层及柔性PET基底；其中，PET层、第二封装层、第二电极层、空穴传输层、钙钛矿光电活性层、电子传输层、第一电极层、柔性PET基底及第一封装层自上到下依次分布，该电池具有较好的水氧阻隔性，电池的稳定性较高。

Description

一种柔性太阳能电池
技术领域
本实用新型属于薄膜太阳能电池器件的设计领域，涉及一种柔性太阳能电池。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭和其使用所带来的高昂的环境成本，可再生清洁能源的开发和利用受到广泛的关注。太阳能光伏发电技术和产品在全球范围内得到了高速增长，成为最具潜力的清洁能源。近年来发现的钙钛矿型太阳能电池由于高转换效率、低成本、环境友善、可挠式产品化等优点备受关注。目前主流的晶硅电池由于其硅片本身易碎、易折断的特性，使用时只能将其封装在玻璃基底的电池组件中进行使用，难以弯折或轻量化，这就限制其只能够被用在集中及分布式电站之中。而钙钛矿电池为代表的一类薄膜电池，由于其核心功能层材料厚度为微米级别，因而具有良好的柔性可塑形性质，除了电站以外，其组件还可以在军用、民用领域物品如户外帐篷、衣服、背包等场景使用，以及一些具有不规则或曲面表面的建筑物外立面使用，极大程度上拓展了光伏产品的应用场景。
同时，在目前国内外的研发过程中，人们发现大部分结构的钙钛矿型太阳能电池虽然能够较为容易的获得较高的光电转换效率，但是，在测试和保存较长一段时间之后，电池器件的效能会发生明显的下降。因此稳定性差是影响钙钛矿型太阳能电池走向实际化应用的最大阻碍之一。钙钛矿型太阳能电池稳定性不佳，其电池的封装是一个重要问题，应优化封装步骤以获得更好的水、氧阻隔性，提高电池稳定性。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种柔性太阳能电池，该电池具有较好的水氧阻隔性，电池的稳定性较高。
为达到上述目的，本实用新型所述的柔性太阳能电池包括第一封装层、第一电极层、PET层、第二封装层、第二电极层、空穴传输层、钙钛矿光电活性层、电子传输层及柔性PET基底；
其中，PET层、第二封装层、第二电极层、空穴传输层、钙钛矿光电活性层、电子传输层、第一电极层、柔性PET基底及第一封装层自上到下依次分布。
第一封装层及第二封装层的材质均为氧化铝。
柔性PET基底及第一电极层均为柔性结构。
电子传输层的厚度为15-40nm。
钙钛矿光电活性层的厚度为400-600nm。
空穴传输层的厚度为30-80nm。
第二电极层的厚度为50-80nm。
第一封装层及第二封装层的厚度均为20-30nm。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型所述的柔性太阳能电池在具体操作时，包括自上到下依次分布的PET层、第二封装层、第二电极层、空穴传输层、钙钛矿光电活性层、电子传输层、第一电极层、柔性PET基底及第一封装层，第一封装层及第二封装层采用夹心结构，为整个器件阻隔水及氧等易于引起电池老化的因素，进一步提高整体器件的稳定性，另外，第二封装层的外侧设置有PET层，可以有效的提升整体电池器件的耐候性和机械强度，并同时提升电池的可操作性和易用性。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
其中，102为第一封装层、104为柔性PET基底、106为第一电极层、108为电子传输层、110为钙钛矿光电活性层、112为空穴传输层、114为第二电极层、116为第二封装层、118为PET层。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
参考图1，本实用新型所述的柔性太阳能电池包括第一封装层102、第一电极层106、PET层118、第二封装层116、第二电极层114、空穴传输层112、钙钛矿光电活性层110、电子传输层108及柔性PET基底104；其中，PET层118、第二封装层116、第二电极层114、空穴传输层112、钙钛矿光电活性层110、电子传输层108、第一电极层106、柔性PET基底104及第一封装层102自上到下依次分布。
本实用新型所述柔性太阳能电池的制备过程为：
柔性PET基底104及第二封装层116：
采用沉积在透明的PET树脂薄膜上的ITO透明电极为器件的基底，面积不限，此类产品有规模化量产的商品化产品可以直接使用，使用前，将电极表面依次分别使用去离子水、丙酮及异丙醇超声处理15min，然后使用紫外光清洗机清洁10min，再通过氮气流吹干备用。
柔性PET基底104及第一电极层106均为柔性结构，大大改善了传统半导体金属氧化物透明电极的易碎性。
在第一电极层106上形成的电子传输层108：
电子传输层108的材质为氧化锡(SnO2)或氧化钛(TiO2)等材料。氧化锡可以较为容易的制备成为平面薄膜，厚度均一且电子传导性好，荧光寿命测试表明其与钙钛矿光电活性层110能级更为匹配，可以提高电池的最终效率。此外，相对于常用的氧化钛，氧化锡材质的电子传输层108的性质稳定，而氧化钛材质的电子传输层108容易受到紫外线的影响而导致性能下降，因此本实用新型中优选氧化锡作为电子传输层108的材料。电子传输层108采用原子沉积、气相沉积、磁控溅射或旋涂的方法进行制备。优选的，采用溶液旋涂方法制备电子传输层108，在具体操作时，将商品化的氧化锡纳米粒子(直径1-25nm)悬浮液直接作为旋涂液，在基底上以3000-5500rpm，20-60s的旋涂参数进行不同厚度电子传输层108(15-40nm)的制备，特别的，优选的，采用4500rpm，50s的旋涂参数获得厚度约为30nm的电子传输层108。
在电子传输层108上制备的钙钛矿光电活性层110：
钙钛矿光电活性层110的结构为(RNH3)AXmYnZ3-m-n，R＝烃基；A＝Pb，Sn等；X，Y，Z＝Cl，Br，I；m，n为0-3的实数且m+n≤3，优选的为CH3NH3PbBrI2，溶剂为DMF:DMSO＝95:5的混合溶剂，配成质量分数为20-40％的浆料，优选的为25％的浆料；刮刀涂布速度为5-20mm/s，优选为10mm/s；涂布温度为室温；刮刀与基底之间的间距为50μm；涂布后在氮气中110-140℃退火20-40min，优选的为氮气中130℃退火30min，得到厚度约为400-600nm的钙钛矿光电活性层110。
在钙钛矿光电活性层110上形成的空穴传输层112：
空穴传输层112的特点为与钙钛矿活性材料能级相匹配的空穴传输材料，如硫氰化亚铜(CuSCN)、碘化亚铜(CuI)、Spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS等材料，无机盐的物理、化学性质更加稳定，在强紫外光环境下的耐候性明显增强，且成本很低，同时最终电池效率并无显著降低。本实用新型中，硫氰化亚铜层可采用溶液旋涂法进行制备，具体的，将硫氰化亚铜配成质量分数为3-8％的浆料，优选的为4％，溶剂为二乙基硫；在基底上以3500-5000rpm，30-60s的旋涂参数进行该空穴传输层112的制备，厚度为30-80nm；特别的，采用4000rpm，40s的旋涂参数获得厚度约为50nm左右的空穴传输层112。
在空穴传输层112上形成的第二电极层114：
第二电极层114的材料为商品化银纳米线溶胶，溶剂为异丙醇，浓度为50-100g/L，银纳米线的直径约为100-200nm，长度为50-100μm。刮刀涂布速度为5-20mm/s，优选为15mm/s；涂布温度为室温；刮刀与基底间距为50μm；涂布后经氮气中90-100℃退火10-20分钟，优选为90℃退火15分钟，厚度约为50-80nm。
第一封装层102及第二封装层116的制备：
采用“夹心结构”，利用第一封装层102及第二封装层116包覆柔性PET基底104、第二电极层114、空穴传输层112、钙钛矿光电活性层110、电子传输层108及第一电极层106，起到封装效果，为整个器件阻隔水及氧等易于引起电池老化的因素，进一步提高整体器件的稳定性。本实用新型中，封装层使用材料为氧化铝(Al2O3)，制备方法为原子层沉积法。具体为：两种反应气体分别为氮气(N2，纯度≥99.999％)载三甲基铝(Al(CH3)3)，和水(H2O)；两者交替以脉冲的形式充入反应室，脉冲时间优选为0.02s，停留时间为60s，交替一次为一个循环，可考虑使用50-500次循环制备不同厚度的氧化铝层，优选为200次，制得氧化铝层为20-30nm左右。此外，第一封装层102及第二封装层116可结合EVA、紫外封装胶、有机硅胶等常规封装材料进行进一步封装，相对于常规封装方法将显著提高封装效果，因此非常适合于稳定性较为一般的钙钛矿型太阳能电池领域。
第二封装层116外侧制备PET层118：
可采用胶水粘合等方式将另一层具有较高水、氧组隔能力的PET高分子薄膜覆盖于氧化铝外层，进一步提升整体电池器件的耐候性和机械强度，并同时提升电池的可操作性和易用性，便于进行后续的产品化工作，此类材料层有成熟的商业化产品，可以依照产品用途进行选择替换，也可以不用。

Claims (8)

1.一种柔性太阳能电池，其特征在于，包括第一封装层(102)、第一电极层(106)、PET层(118)、第二封装层(116)、第二电极层(114)、空穴传输层(112)、钙钛矿光电活性层(110)、电子传输层(108)及柔性PET基底(104)；
其中，PET层(118)、第二封装层(116)、第二电极层(114)、空穴传输层(112)、钙钛矿光电活性层(110)、电子传输层(108)、第一电极层(106)、柔性PET基底(104)及第一封装层(102)自上到下依次分布。
2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，第一封装层(102)及第二封装层(116)的材质均为氧化铝。
3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，柔性PET基底(104)及第一电极层(106)均为柔性结构。
4.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，电子传输层(108)的厚度为15-40nm。
5.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，钙钛矿光电活性层(110)的厚度为400-600nm。
6.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，空穴传输层(112)的厚度为30-80nm。
7.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，第二电极层(114)的厚度为50-80nm。
8.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，第一封装层(102)及第二封装层(116)的厚度均为20-30nm。
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