CN216250789U - 一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件 - Google Patents

一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件 Download PDF

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CN216250789U CN202123026433.9U CN202123026433U CN216250789U CN 216250789 U CN216250789 U CN 216250789U CN 202123026433 U CN202123026433 U CN 202123026433U CN 216250789 U CN216250789 U CN 216250789U
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蔡子贺
赵政晶
刘云
张赟
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Abstract

本实用新型提供了一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，包括依次接触的衬底、第一电荷传输层、钙钛矿层、第二电荷传输层和DMD电极层；所述DMD电极层包括依次接触的第一电介质层、金属层和第二电介质层；所述第一电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述第二电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述金属层包括金层、银层、铜层或铝层。本实用新型利用DMD电极代替传统的金属背电极，本实用新型中的DMD电极兼具高透过率和低电阻，在实现双面透光的基础上，还能够提高钙钛矿太阳能光伏组件的光电转换效率。

Description

一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件
技术领域
本实用新型属于钙钛矿太阳能电池技术领域，尤其涉及一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件。
背景技术
钙钛矿太阳能电池(PSC，perovskitesolarcell)是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿最初单指钛酸钙(CaTiO3)这种矿物，后来把结构为ABX3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。
钙钛矿电池属于第三代太阳能电池，其结构大致可以分为正置(n-i-p)结构和倒置(p-i-n)结构两大类，电池结构简单。以反型平面钙钛矿电池为例，自下往上依次为：玻璃、透明电极(ITO或FTO)、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极。
采用金属电极制备的组件，只能单面透光，对太阳光的利用率较低，而且在进行组件制备时，存在金属与钙钛矿直接接触的位点，引起钙钛矿-金属反应，组件的光电转换效率衰减严重。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，本实用新型中的钙钛矿太阳能电池能够提高光伏组件对太阳光的利用率，同时避免了采用金属电极带来的钙钛矿-金属反应。
本实用新型提供一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，包括依次接触的衬底、第一电荷传输层、钙钛矿层、第二电荷传输层和DMD电极层；
所述DMD电极层包括依次接触的第一电介质层、金属层和第二电介质层；
所述第一电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述第二电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述金属层包括金层、银层、铜层或铝层。
优选的，所述DMD电极层具有对称结构，第一电介质层与第二电介质层相同。
优选的，所述电介质层的厚度为20～40nm。
优选的，所述金属层的厚度为5～15nm。
优选的，所述第一电荷传输层的厚度为20～200nm；
所述第二电荷传输层的厚度为20～200nm。
优选的，所述钙钛矿层的厚度为300～1500nm。
优选的，所述双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件具有P1划线、P2划线和P3划线结构。
优选的，所述P1划线的宽度为28～32μm；P2划线的宽度为60～62μm；P3划线的宽度为60～62μm.
优选的，所述P1划线与P2划线水平方向的距离为28～30μm，所述P2划线与P3划线水平防线的距离为28～32μm。
本实用新型提供了一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，包括依次接触的衬底、第一电荷传输层、钙钛矿层、第二电荷传输层和DMD电极层；所述DMD电极层包括依次接触的第一电介质层、金属层和第二电介质层；所述第一电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述第二电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述金属层包括金层、银层、铜层或铝层。本实用新型利用DMD电极代替传统的金属背电极，本实用新型中的DMD电极兼具高透过率和低电阻，在实现双面透光的基础上，还能够提高钙钛矿太阳能光伏组件的光电转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1本实用新型双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件的结构示意图；
①为衬底，②为第一电荷传输层，③为钙钛矿层，④为第二电荷传输层，⑤为DMD电极层，⑥为P1线，⑦为P2线，⑧为P3线。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，包括依次接触的衬底、第一电荷传输层、钙钛矿层、第二电荷传输层和DMD电极层；
所述DMD电极层包括依次接触的第一电介质层、金属层和第二电介质层；
所述第一电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述第二电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述金属层包括金层、银层、铜层或铝层。
在本实用新型中，所述衬底优选为透明衬底，如FTO玻璃衬底等。所述衬底的厚度优选为0.1～5mm，更优选为1～4mm，最优选为2～3mm。
在本实用新型中，所述第一电荷传输层包括第一电荷传输材料，所述电荷传输材料包括富勒烯以及富勒烯衍生物、金属氧化物及其掺杂体，CuSCN及其掺杂体、spiro-OMeTAD、P3HT和PTAA中的一种或几种；所述金属氧化物包括MoOx、TiOx、NiOx、WOx、SnOx和CuOx中的一种或几种，其中，x为1、2或3。所述第一电荷传输层的厚度优选为20～200nm，更优选为50～150nm，最优选为100～120nm。
在本实用新型中，所述钙钛矿层包括钙钛矿材料，所述钙钛矿材料优选为有机-无机杂化铅卤钙钛矿，有机-无机杂化锡/铅混合卤钙钛矿，全无机钙钛矿等具有钙钛矿晶型的吸光材料。更优选为CsxFA1-xPbIyBr3-y成分，其中，x＝0～1，y＝0～3。所述钙钛矿层的厚度优选为300～1500nm，更优选为300～800nm，最优选为400～500nm。
在本实用新型中，所述第二电荷传输层包括第二电荷传输材料，所述电荷传输材料包括富勒烯以及富勒烯衍生物、金属氧化物及其掺杂体，CuSCN及其掺杂体、spiro-OMeTAD、P3HT和PTAA中的一种或几种；所述金属氧化物包括MoOx、TiOx、NiOx、WOx、SnOx和CuOx中的一种或几种，其中，x为1、2或3。所述第一电荷传输层的厚度优选为20～200nm，更优选为50～150nm，最优选为100～120nm。
在本实用新型中，所述第一电荷传输层和第二电荷传输层的厚度可以相同也可以不同；所述第一电荷传输材料和第二电荷传输材料的种类可以相同也可以不同。
在本实用新型中，所述DMD电极层中的D代表电介质层，M代表金属层，
在本实用新型中，所述第一电介质层优选为氧化锡层(SnOx)、氧化钛层(TiOx)、氧化锌层(ZnOx)、氧化钨层(WOx)、氧化钼层(MoOx)或氧化镍层(NiOx)，其中x为1、2或3。所述第一电介质层的厚度优选为20～40nm，更优选为25～35nm，最优选为25～30nm。
所述金属层优选包括金层、银层、铜层或铝层；所述金属层的厚度优选为5～15nm，更优选为10～12nm。
所述第二电介质层优选包括氧化锡层(SnOx)、氧化钛层(TiOx)、氧化锌层(ZnOx)、氧化钨层(WOx)、氧化钼层(MoOx)或氧化镍层(NiOx)，其中x为1、2或3。所述第二电介质层的厚度优选为20～40nm，更优选为25～35nm，最优选为25～30nm。
优选的，本实用新型中的DMD电极层为对称结构，即第一电介质层和第二电介质层具有相同的成分和厚度。优选的，本实用新型中的DMD电极层通常具有MoOx/Ag/MoOx、TiOx/Ag/TiOx、NiOx/Ag/NiOx、WOx/Ag/WOx或者SnOx/Ag/SnOx结构。
在本实用新型中，所述双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件具有P1划线、P2划线和P3划线结构；所述P1划线位于衬底，P1划线的深度贯穿衬底层，所述P2划线位于第二电荷传输层表面，P2划线的深度贯穿第二电荷传输层、钙钛矿层和第一电荷传输层，止于衬底表面；所述P3划线位于DMD电极层表面，贯穿DMD电极层、第二电荷传输层和钙钛矿层，止于第一电荷传输层表面。
在本实用新型中，所述P1划线的宽度为28～32μm，更优选为29～31μm，更优选为30μm；P2划线的宽度为60～62μm，更优选为60～61μm；P3划线的宽度为60～62μm，更优选为60～61μm；
所述P1划线与P2划线水平方向的距离为28～30μm，更优选为29～30μm；所述P2划线与P3划线水平防线的距离为28～32μm，更优选为29～30μm。
本实用新型还提供了一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件的制备方法，包括以下步骤：
A)将第一电荷传输材料溶液涂覆在衬底表面，退火后得到第一电荷传输层；
B)将钙钛矿前驱液涂布在第一电荷传输层表面，退火后形成钙钛矿层；
C)在所述钙钛矿层表面涂布第二电荷传输材料溶液，退火后形成第二电荷传输层；
D)采用热蒸发的方法在所述第二电荷传输层表面依次沉积第一电介质层、金属层和第二电介质层，形成DMD电极层，得到双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件。
在本实用新型中，所述衬底的种类与上文所述的衬底种类一致，在此不再赘述。
本实用新型优选对所述衬底进行清洗、P1线划刻和紫外臭氧清洗。
在本实用新型中，所述清洗具体为使用清洗剂、去离子水、异丙醇和丙酮依次超声30min，随后用氮气吹干备用；
所述P1线划刻的方法为本领域的常用方法，本实用新型在此不再赘述。
然后在衬底上涂布第一电荷传输材料溶液，退火后形成第一电荷传输层。
在本实用新型中，所述第一电荷传输材料溶液包括第一电荷传输材料和溶剂，所述第一电荷传输材料优选为富勒烯以及富勒烯衍生物、金属盐，CuSCN、spiro-OMeTAD、P3HT和PTAA中的一种或几种；所述溶剂优选为乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、三氟乙醇、甲苯、氯苯、超纯水中的一种或几种；所述第一电荷传输材料溶液中还可添加pH调节剂和/或添加剂；所述pH调节剂优选为硼酸、乙酸、草酸、盐酸中的一种或几种；所述添加剂优选为聚乙二醇、二乙醇胺、三乙醇胺和锂盐中的一种或几种。
在本实用新型中，所述第一电荷传输材料溶液优选采用旋涂的方法进行涂布，所述在本实用新型中，所述旋涂的速度优选为3000～6000rpm，更优选为4000～5000rpm；所述旋涂的时间优选为30～90s，更优选为40～80s，最优选为50～60s。所述退火的温度优选为100～500℃，更优选为200～400℃，如100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃，更优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述退火的时间优选为1～4小时，更优选为2～3小时。
得到第一电荷传输层之后，本实用新型在所述第一电荷传输层表面涂布钙钛矿前驱液，进行退火，形成钙钛矿层。
在本实用新型中，所述钙钛矿前驱液包括钙钛矿材料和溶剂，所述钙钛矿材料与上文所述的钙钛矿材料种类一致，在此不再赘述。所述钙钛矿材料在所述钙钛矿前驱液中的质量分数优选为20～40％，更优选为25～30％。所述溶剂优选为N，N二甲基甲酰胺(DMF)。
本实用新型优选采用旋涂的方法涂布钙钛矿前驱液，所述旋涂的速度优选为2500～4000rpm，更优选为3000～3500rpm；所述旋涂的时间优选为10～60s，更优选为20～50s，最优选为30～40s。
所述退火的温度优选为100～150℃，更优选为110～140℃，最优选为120～130℃；所述退火的时间优选为10～40min，更优选为20～30min。
得到钙钛矿层之后，本实用新型在所述钙钛矿层表面涂布第二电荷传输材料溶液，进行退火，形成第二电荷传输层。
在本实用新型中，所述第二电荷传输材料溶液包括第二电荷传输材料和溶剂，所述第二电荷传输材料优选为富勒烯以及富勒烯衍生物、金属盐，CuSCN、spiro-OMeTAD、P3HT和PTAA中的一种或几种；所述溶剂优选为乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、三氟乙醇、甲苯、氯苯和超纯水中的一种或几种；所述第一电荷传输材料溶液中还可添加pH调节剂和/或添加剂；所述pH调节剂优选为硼酸、乙酸、草酸和盐酸中的一种或几种；所述添加剂优选为聚乙二醇、二乙醇胺、三乙醇胺和锂盐中的一种或几种。
在本实用新型中，所述第一电荷传输材料溶液与第二电荷传输材料溶液的成分可以相同也可以不同。
在本实用新型中，所述第二电荷传输材料溶液优选采用旋涂的方法进行涂布，所述在本实用新型中，所述旋涂的速度优选为3000～6000rpm，更优选为3000～5000rpm；所述旋涂的时间优选为30～90s，更优选为30～70s，最优选为30～50s。所述退火的温度优选为100～500℃，更优选为200～400℃，如100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃，更优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述退火的时间优选为1～4小时，更优选为2～3小时。
得到第二电荷传输层之后，本实用新型对得到的薄膜材料进行P2激光划线操作，所述P2激光划线的方法为本领域的常用方法，本实用新型在此不再赘述。
完成P2激光划线之后，本实用新型优选使用热蒸发的方式在衬底表面沉积第一电介质层、金属层和第二电介质层，形成DMD电极层。
在本实用新型中，所述热蒸发优选为真空蒸镀，所述真空蒸镀的真空度优选为10- 6mbar；在本实用新型中，第一电介质层的蒸发速率优选为
Figure BDA0003390720080000071
Figure BDA0003390720080000072
更优选为
Figure BDA0003390720080000073
最优选为
Figure BDA0003390720080000074
所述金属层的蒸发速率优选为
Figure BDA0003390720080000075
更优选为
Figure BDA0003390720080000076
最优选为
Figure BDA0003390720080000077
第二电介质层的蒸发速率优选为
Figure BDA0003390720080000078
更优选为
Figure BDA0003390720080000079
最优选为
Figure BDA00033907200800000710
得到DMD电极层之后，本实用新型在所述DMD电极层表面进行P3激光划线，得到双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件。所述P3激光划线的方法为本领域的常用方法，本实用新型在此不再赘述。
实施例1
1)取尺寸为10cm×10cm的FTO基片，用清洗剂、去离子水、异丙醇、丙酮依次超声30min，随后用氮气吹干备用。对FTO基片进行P1线划刻，深度为20nm、宽度为28μm，子电池宽度为0.85cm。
2)对上述基片进行紫外臭氧清洗20min，采用旋涂法在其上制备NiOx电荷传输层1(0.3mol/L Ni(Ac)2溶液，溶剂为乙醇和正丁醇的混合溶剂(体积比2:1))，旋涂转速为5000rpm，时间60s，在300℃下退火2小时。所得电荷传输层厚度为50nm；
3)配置质量分数为20％的钙钛矿层前驱液(CsBr：0.15mol/L，PbI2：1mol/L，FAI：0.85mol/L)，溶剂为DMF，采用旋涂法在聚合物界面层表面制备钙钛矿活性层，旋涂速度3500rpm，时间40s，经130℃退火20分钟，最终厚度为380nm的钙钛矿层；
4)在钙钛矿层表面制备spiro-OMeTAD电荷传输层，配置质量分数为7％的spiro-OMeTAD前驱液(成分包括72.3mg spiro-OMeTAD，1mL氯苯，17.5μL锂盐溶液(称取52mgLi-TFSI，溶于100μL乙腈)和28.8μLTBP)，采用旋涂法在钙钛矿层表面制备电荷传输层2，旋涂速度3000rpm，时间30s，所得电荷传输层厚度为30nm；
5)对上述基片进行P2激光划线操作，深度为460nm，宽度为60μm；
6)采用热蒸发法在其表面制备DMD结构电极WOx/Ag/WOx电极，WOx层的蒸发速率为
Figure BDA0003390720080000081
Ag层的蒸发速率为
Figure BDA0003390720080000082
WOx的厚度为35nm，Ag层的厚度为10nm；
7)对上述基片进行P3划线，深度为540nm，宽度为28μm。
实施例2
1)取尺寸为10cm×10cm的FTO基片，用清洗剂、去离子水、异丙醇、丙酮依次超声30min，随后用氮气吹干备用。对FTO基片进行P1线划刻，深度为20nm宽度为28μm，子电池宽度为0.85cm。
2)对上述基片进行紫外臭氧清洗20min，采用旋涂法在其上制备NiOx电荷传输层1(0.3mol/L Ni(Ac)2溶液，溶剂为乙醇和正丁醇的混合溶剂(体积比2:1))，旋涂转速为5000rpm，时间60s，在300℃下退火2小时。所得电荷传输层厚度为50nm；
3)配置质量分数为20％的钙钛矿层前驱液(CsBr：0.15mol/L，PbI2：1mol/L，FAI：0.85mol/L)，溶剂为DMF，采用旋涂法在聚合物界面层表面制备钙钛矿活性层，旋涂速度3500rpm，时间40s，经130℃退火20分钟，最终厚度为380nm的钙钛矿层；
4)在钙钛矿层表面制备spiro-OMeTAD电荷传输层，配置质量分数为7％的spiro-OMeTAD前驱液(成分包括72.3mg spiro-OMeTAD，1mL氯苯，17.5μL锂盐溶液(称取52mgLi-TFSI，溶于100μL乙腈)和28.8μLTBP)，采用旋涂法在钙钛矿层表面制备电荷传输层2，旋涂速度3000rpm，时间30s，所得电荷传输层厚度为30nm；
5)对上述基片进行P2激光划线操作，深度为460nm，宽度为60μm；
6)采用热蒸发法在其表面制备DMD结构电极WOx/Cu/WOx电极，WOx层的蒸发速率为
Figure BDA0003390720080000083
Cu层的蒸发速率为
Figure BDA0003390720080000084
WOx的厚度为35nm，Cu层的厚度为12nm；
7)对上述基片进行P3划线，深度为542nm，宽度为28μm。
实施例3
1)取尺寸为10cm×10cm的FTO基片，用清洗剂、去离子水、异丙醇、丙酮依次超声30min，随后用氮气吹干备用。对FTO基片进行P1线划刻，深度为20nm宽度为28μm，子电池宽度为0.85cm。
2)对上述基片进行紫外臭氧清洗20min，采用旋涂法在其上制备NiOx电荷传输层1(0.3mol/L Ni(Ac)2溶液，溶剂为乙醇和正丁醇的混合溶剂(体积比2:1))，旋涂转速为5000rpm，时间60s，在300℃下退火2小时。所得电荷传输层厚度为50nm；
3)配置质量分数为20％的钙钛矿层前驱液(CsBr：0.15mol/L，PbI2：1mol/L，FAI：0.85mol/L)，溶剂为DMF，采用旋涂法在聚合物界面层表面制备钙钛矿活性层，旋涂速度3500rpm，时间40s，经130℃退火20分钟，最终厚度为380nm的钙钛矿层；
4)在钙钛矿层表面制备spiro-OMeTAD电荷传输层，配置质量分数为7％的spiro-OMeTAD前驱液(成分包括72.3mg spiro-OMeTAD，1mL氯苯，17.5μL锂盐溶液(称取52mgLi-TFSI，溶于100μL乙腈)和28.8μLTBP)，采用旋涂法在钙钛矿层表面制备电荷传输层2，旋涂速度3000rpm，时间30s。，所得电荷传输层厚度为30nm；
5)对上述基片进行P2激光划线操作，深度为460nm，宽度为60μm；
6)采用热蒸发法在其表面制备DMD结构电极SnOx/Ag/SnOx电极，SnOx层的蒸发速率为
Figure BDA0003390720080000092
Ag层的蒸发速率为
Figure BDA0003390720080000093
SnOx的厚度为30nm，Ag层的厚度为10nm；
7)对上述基片进行P3划线，深度为530nm，宽度为28μm。
对实施例1～3中得到的钙钛矿太阳能光伏组件进行性能测试：用NREL校正的Si电池调试光源密度为1个太阳光后，以450W氙灯为光源，通过一个AM1.5滤波器照射电池，用数字万用表记录电池的光电流-电压曲线，计算得到表中的参数：
表1实施例1～3中的钙钛矿太阳能光伏组件的性能参数
Figure BDA0003390720080000091
Figure BDA0003390720080000101

Claims (9)

1.一种双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，包括依次接触的衬底、第一电荷传输层、钙钛矿层、第二电荷传输层和DMD电极层；
所述DMD电极层包括依次接触的第一电介质层、金属层和第二电介质层；
所述第一电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述第二电介质层为氧化锡层、氧化钛层、氧化锌层、氧化钨层、氧化钼层或氧化镍层；所述金属层包括金层、银层、铜层或铝层。
2.根据权利要求1所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述DMD电极层具有对称结构，第一电介质层与第二电介质层相同。
3.根据权利要求2所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述电介质层的厚度为20～40nm。
4.根据权利要求3所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述金属层的厚度为5～15nm。
5.根据权利要求4所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述第一电荷传输层的厚度为20～200nm；
所述第二电荷传输层的厚度为20～200nm。
6.根据权利要求5所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述钙钛矿层的厚度为300～1500nm。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件具有P1划线、P2划线和P3划线结构。
8.根据权利要求7所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述P1划线的宽度为28～32μm；P2划线的宽度为60～62μm；P3划线的宽度为60～62μm。
9.根据权利要求8所述的双面受光的钙钛矿太阳能光伏组件，其特征在于，所述P1划线与P2划线水平方向的距离为28～30μm，所述P2划线与P3划线水平防线的距离为28～32μm。
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