CN205016565U - 一种大面积钙钛矿太阳电池组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大面积钙钛矿太阳电池组件，包括若干单体钙钛矿太阳电池（1）、封装材料（2）以及封装基板（3），其特征在于：相邻单体钙钛矿太阳电池极性相反地设置，相邻单体钙钛矿太阳电池之间设置绝缘体（4）且相邻单体钙钛矿太阳电池的正、负电极电连接。本实用新型减小了串联导体引入的欧姆接触电阻对电池组件性能的影响，降低实际应用环境对钙钛矿太阳电池组件的损害，保证钙钛矿太阳电池组件的长期稳定性。

Description

一种大面积钙钛矿太阳电池组件

技术领域

本实用新型涉及一种太阳电池组件，尤其涉及一种大面积钙钛矿太阳电池组件，属于太阳电池组件技术领域。

背景技术

随着全球生态环境和能源短缺问题的日益严峻，太阳能光伏发电受到各国普遍关注。目前，产业化晶体硅的电池转换效率稳定约19%（单晶）和17～18%（多晶），进一步提升效率存在技术和成本的制约瓶颈。尽管一些高效硅电池技术不断得以提出，但是这些高效太阳电池制备工艺复杂、量产中品质不易控制、对设备要求高，因此，难以实现量产。除了硅太阳电池以外，其它类型的化合物薄膜电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池等，其电池转换效率多年来未有显著突破。

近年来，一种称之为“钙钛矿太阳电池”的新型电池技术引起了科研人员的广泛关注，其电池转换效率在短短的数年时间内从3.8%提升至目前的19.3%，并以月为单位不断刷新。钙钛矿体系是指一类与钙钛矿CaTiO₃具有相似晶体结构的有机-无机杂化物体系的总称。钙钛矿具有复杂的电学和光学特性，从而使得具有不同工作机理的、构造各异的电池结构得到发展。其中包括基于敏化机理的太阳电池（mesoscopicsensitizedsolarcells）、无空穴传输层的p-n结太阳电池（HTM-freemesoscopicp-nsolarcells）、介观超级太阳电池（meso-superstructuredsolarcells）以及具有p-i-n结的平面异质结太阳电池（planarheterojunctionsolarcells）。

尽管小面积钙钛矿太阳电池的效率不断提升、电池结构趋于多样化。然而，对于所有结构类型的钙钛矿太阳电池，随着电池面积的大面积化，其电池的串联电阻都会显著升高，另外，简单的工艺也会造成电池中缺陷的急剧增加，导致电池的开路电压和填充因子随着局部漏电流的升高而快速降低。同时，由于封装结构的欠缺，现有钙钛矿太阳电池在实际环境条件下的存在不稳定性问题。因此，对钙钛矿太阳电池进行合理的大面积化设计，并对其增加封装结构，是实现高效、稳定的钙钛矿太阳电池组件的重要途径。

发明内容

本实用新型针对现有技术中，小面积钙钛矿太阳电池的光电转换效率快速提高，而大面积钙钛矿太阳电池电池组件的生产工艺却非常复杂且稳定性差的技术问题，提供一种大面积钙钛矿太阳电池组件，减少传统串联太阳电池组件中绝缘体/串联导体/绝缘体的复杂工艺结构，降低串联电阻对电池组件性能的影响，提高生产效率，促进钙钛矿太阳电池的发展和应用。

为此，本实用新型采用如下技术方案：

一种大面积钙钛矿太阳电池组件，包括若干单体钙钛矿太阳电池（1）、封装材料（2）以及封装基板（3），其特征在于：相邻单体钙钛矿太阳电池极性相反地设置，相邻单体钙钛矿太阳电池之间设置绝缘体（4）且相邻单体钙钛矿太阳电池的正、负电极电连接。

进一步地，所述单体钙钛矿太阳电池（1）依次包括：作为负电极的光阳极、电子收集层（12）、光吸收层（13）、空穴传输层（14）、催化层（15）以及作为正电极的对电极，光阳极和对电极的通过一层导电层（11)将电子与空穴传输至外电路。

进一步地，光吸收层（13）由有机-无机类钙钛矿薄膜构成，有机-无机类钙钛矿可用（RNH₃）BX_mY_3-m表示，其中R为C_nH_2n+1，n为≥1的自然数；B为Pb或Sn；X、Y分别为卤素Cl、Br或者I中的一种，m=1,2,3。

进一步地，在所述电子收集层（12）上设置有一层纳米多孔薄膜支架层（16），所述光吸收层（13）分散吸附在该纳米多孔薄膜支架层（16）上。

进一步地，所述光吸收层（13）通过在纳米多孔薄膜支架层（16）上旋涂或者印刷钙钛矿的分散液，经70-170℃的烧结处理制备得到吸附在纳米多孔薄膜支架层（16）表面的钙钛矿光吸收层；或者，在纳米多孔薄膜支架层（16）上制备一层钙钛矿前驱反应物的薄膜，并将样片浸于钙钛矿另一反应物的溶液，再经70-170℃的烧结处理后，制备出吸附在纳米多孔薄膜支架层（16）表面的钙钛矿光吸收层。

进一步地，所述封装基板（3）至少有一侧由玻璃构成，另一侧由玻璃、陶瓷或者TPT聚氟乙烯复合膜构成。

进一步地，所述电子收集层（12）为一层致密的金属氧化物半导体薄膜，通过旋涂法、丝网印刷、溶胶凝胶法、磁控溅射或者原子层沉积在导电层（11）上制膜，并经过150-550℃的烧结处理。

进一步地，所述空穴传输层（14）由Spiro-OMeTAD或PEDOT：PSS或CuI薄膜构成，通过旋涂、印刷空穴传输材料的分散液，并经干燥处理，形成空穴传输层。其中，Spiro-OMeTAD为（2,2’,7,7’-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9’-spirobifluorene）、PEDOT：PSS为（poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrenesulfonate）或CuI为碘化亚铜。

进一步地，所述催化层（15）是由一层形成在空穴传输层（14）上的金属或非金属的催化薄膜构成，该催化材料是Pt、Au、Ag或者炭黑，催化层通过溅射、蒸镀或者丝网印刷方法形成。

进一步地，所述绝缘体（4）由玻璃、陶瓷、有机高分子材料。

本实用新型的大面积钙钛矿太阳电池组件，通过将相邻电池组件单体极性相反地设置并通过导电层串联起来，降低了串联导体引入的欧姆接触电阻对电池组件性能的影响，降低实际应用环境对钙钛矿太阳电池组件的损害，保证钙钛矿太阳电池组件的长期稳定性；本实用新型的大面积钙钛矿太阳电池组件制备方法，通过通过合理的设计，在制备过程中织构化，使相邻单体钙钛矿太阳电池极性反置同时相邻单体钙钛矿太阳电池一侧的通过作为电池一部分的导电层连接，实现无需额外串联导体连结的W型串联钙钛矿太阳电池组件，从而减小串联导体引入的欧姆接触电阻对电池组件性能的影响；通过大面积电池组件的封装，降低实际应用环境对钙钛矿太阳电池组件的损害，保证钙钛矿太阳电池组件的长期稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的大面积钙钛矿太阳电池组件的结构示意图；

图2为本实用新型的单体钙钛矿太阳电池的结构示意图一

图3为本实用新型的单体钙钛矿太阳电池的又一结构示意图；

其中，1为单体钙钛矿太阳电池，11为导电层，11a为上导电层，11b为下导电层，12为电子收集层，13为光吸收层，14为空穴传输层，15为催化层，16为纳米多孔薄膜支架层，2为封装材料，3为封装基板，4为绝缘体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，本实用新型中与现有技术相同的部分将参考现有技术。

实施例1：

如图1所示，以由三个单体钙钛矿太阳电池1串联形成的电池组件为例，本实施例的大面积钙钛矿太阳电池组件，包括三个单体钙钛矿太阳电池1、封装材料2以及封装基板3，三个单体钙钛矿太阳电池1极性相反地设置。

如图2所示，单体钙钛矿太阳电池1依次包括：作为负电极的光阳极、电子收集层12、光吸收层13、空穴传输层14、催化层15以及作为正电极的对电极，光阳极和对电极的通过一层导电层11将电子与空穴传输至外电路；在本实施例中，导电层11为ITO或者FTO，是一层透明的薄膜。光吸收层13由有机-无机类钙钛矿薄膜构成，有机-无机类钙钛矿可用（RNH₃）BX_mY_3-m表示，其中R为C_nH_2n+1，n为≥1的自然数；B为Pb或Sn；X、Y分别为卤素Cl、Br或者I中的一种，m=1,2,3。

电子收集层12为一层致密的金属氧化物半导体薄膜，优选TiO₂，通过旋涂法、丝网印刷、溶胶凝胶法、磁控溅射或者原子层沉积在导电层11上制膜，并经过150-550℃的烧结处理形成。

如图2所示，在电子收集层12上还设置有一层纳米多孔薄膜支架层16，所述光吸收层13分散吸附在该纳米多孔薄膜支架层16上；具体地，光吸收层13通过在纳米多孔薄膜支架层16上旋涂或者印刷钙钛矿的分散液，经70-170℃的烧结处理制备得到分散吸附在纳米多孔薄膜支架层16表面的钙钛矿光吸收层；

或者，在纳米多孔薄膜支架层16上制备一层钙钛矿前驱反应物的薄膜，并将样片浸于钙钛矿另一反应物的溶液，再经70-170℃的烧结处理后，制备出分散吸附在纳米多孔薄膜支架层16表面的钙钛矿光吸收层。具体地，如，可通过下述步骤实现：首先将含有碘化铅PbI的反应物溶液形成在纳米多孔薄膜支架层16表面，经70-100℃烧结后，将样片浸于含有碘化甲胺CH₃NH₃I的另一反应物溶液中，取出后再经70-170℃的烧结处理后，制备出吸附在纳米多孔薄膜支架层16表面的钙钛矿光吸收层。

纳米多孔薄膜支架层16为光吸收层13中的光吸收材料提供一个较大的比表面积，使光吸收材料均匀吸附在支架层表面。

空穴传输层14由Spiro-OMeTAD、PEDOT：PSS或CuI薄膜构成，通过旋涂、印刷空穴传输材料的分散液，并经干燥处理形成。

催化层15是由一层形成在空穴传输层14上的金属或非金属的催化薄膜构成，该催化材料是Pt、Au、Ag或者炭黑，催化层通过溅射、蒸镀、丝网印刷方法形成。

绝缘体4由玻璃、陶瓷、有机高分子材料。

封装基板3至少有一侧由玻璃构成，另一侧由玻璃、陶瓷或者TPT聚氟乙烯复合膜构成。

如图1所示，三个单体钙钛矿太阳电池1极性相反地设置，相邻单体钙钛矿太阳电池之间设置绝缘体4，每一单体钙钛矿太阳电池1的两侧分别具有一层透明的导电层，为描述方便，在此分别命名为上导电层11a和下导电层11b，上、下在此处用于描述相对位置关系，靠近单体钙钛矿太阳电池1正极的导电层为成为上导电层11a，靠近单体钙钛矿太阳电池1负极的导电层被成为下导电层11b；如图所示，第一个单体钙钛矿太阳电池1的上导电层11a与第二个单体钙钛矿太阳电池1的下导电层11b相连接；第二个单体钙钛矿太阳电池1的上导电层11a与第三个相连接单体钙钛矿太阳电池1的下导电层11b相连接，从而使三个单体钙钛矿太阳电池1之间形成W形状的串联结构；第一个单体钙钛矿太阳电池1的下导电层11b与第三个单体钙钛矿太阳电池1的上导电层11a则分别形成本实用新型的大面积钙钛矿太阳电池组件的负极和正极。

在此需要说明的是，上导电层11a和下导电层11b仅仅是为了描述的方便而进行的命名，并不代表它们为具有不同结构的部件，在本实用新型中，它们可以为相同材质的同一结构，也可为不同结构，本实用新型对此不做限定。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：在所述电子收集层12上直接形成由有机-无机类钙钛矿薄膜构成的光吸收层13，光吸收层13采用丝网印刷、气相沉积、物理沉积或者蒸镀方法直接在电子收集层上形成。

本实用新型的大面积钙钛矿太阳电池组件的制备方法，包括如下步骤：

A.封装基板的处理：对封装基板进行预处理，使其适合用于制备太阳电池，其中，预处理包括将用作封装基板3的玻璃经过洗洁剂、乙醇、丙酮、去离子水超声清洗后，再用氮气吹干；对用作封装基板的其他材料的预处理参照现有技术，此处不详述；

B.封装基板上导电层的制备和织构化：采用蒸镀、溅射、溶胶凝胶或者印刷方法，在掩膜后的封装基板上按照设计的织构化图形制备一层的导电薄膜，或者将制备的整片导电基板经激光刻蚀或化学刻蚀去除部分导电层，得到设计的织计构化图形；所述导电薄膜为ITO或者FTO，膜厚在500-2000nm之间；此导电薄膜将作为导电层11或者导电层11的一部分；通过在一侧玻璃基板上形成一层导电薄膜，使其在电池中将收集到的电子传输至外电路；导电层应经过织构化处理，以去除部分导电膜，使相邻单体电池的一端正、负电极处于绝缘状态，而仍保留的导电层，则实现相邻电池的另一端正、负电极串联连接；导电薄膜可以是FTO、ITO，可通过掩膜蒸镀、磁控溅射、丝网印刷、溶胶凝胶、激光刻蚀、化学刻蚀进行制备。

C.电子收集层12的制备：电子收集层12由一层致密的半导体薄膜构成，厚度在5-50nm之间，通过旋涂法、印刷或者溶胶凝胶法在具有导电层的封装基板上涂覆一层半导体材料的料浆，将样品放入马弗炉中，从室温开始，选择5-10℃为梯度逐步升温，并在150、200、300、400、500和550℃分别停留5-30分钟，烧结处理后得到电子收集层12；

C1.纳米多孔薄膜支架层16的制备：通过旋涂法、印刷或者溶胶凝胶法在电子收集层之上涂覆一层以TiO₂、Al₂O₃或者SiO₂为材料的纳米多孔薄膜支架层，厚度在200-1000nm之间，之后将制得的半成品放入马弗炉中，从室温开始，选择5-10℃为梯度逐步升温，并在150、200、300、400、500、550℃停留5-30分钟，烧结处理后得到所述纳米多孔薄膜支架层16；

D.光吸收层13的制备：在电子收集层12上形成一层由有机-无机类钙钛矿薄膜构成的光吸收层13，光吸收层13的厚度在200-1000nm之间；通过在纳米多孔薄膜支架层16之上旋涂或者印刷钙钛矿的分散液，经70-170℃的烧结处理制备得到分散吸附在纳米多孔薄膜支架层16表面的光吸收层13；或者，在纳米多孔薄膜支架层16上旋涂或印刷一层钙钛矿前驱反应物的料浆，再将样片浸于钙钛矿的另一反应物的溶液，经70-170℃的烧结处理后，分散吸附在纳米多孔薄膜支架层16表面的光吸收层13；

E空穴传输层14的制备：空穴传输层14是Spiro-OMeTAD或者PEDOT：PSS或者CuI，厚度在300-800nm之间，通过在钙钛矿光吸收层上旋涂、印刷空穴传输材料的分散剂，并经干燥处理，形成空穴传输层；

F.催化层15的制备：通过溅射或蒸镀方法在空穴传输层14上形成一层催化层15，催化层15由一层形成在空穴传输层上的金属或非金属的催化薄膜构成，该催化材料可以是Pt、Au、Ag或者炭黑，厚度在3-10nm之间；

I.绝缘体4的制备：导电基板上制备形成电子收集层、支架层、光吸收层以及催化层之后，将绝缘体的料浆印刷在织构化的导电基板上，或者将有机高分子薄膜铺设在织构化的导电基板上，之后将绝缘材料在热承压过程中固化，从而在单体钙钛矿太阳电池间起到绝缘分割作用；绝缘体4可由玻璃、陶瓷、有机高分子材料或其它绝缘材料构成；

J.单体钙钛矿太阳电池上导电层的制备和织构化：在绝缘体4形成之后，在经步骤I后得到的器件的上制备一层导电层；采用蒸镀、溅射、溶胶凝胶或者印刷方法，在掩膜后的器件上按照设计的织构化图形制备导电薄膜，或者将制备的导电薄膜经激光刻蚀或化学刻蚀去除部分导电层，得到设计的织计构化图形；导电层11为ITO或者FTO，为一层透明的薄膜；

K.组件封装：将绝缘体的料浆印刷在封装基板四周上，或者将有机高分子薄膜铺设在导电基板边缘，之后将绝缘材料在热承压过程中固化，完成钙钛矿太阳电池组件的封装，封装材料2可由玻璃、陶瓷、有机高分子材料或其它绝缘材料构成。

当然，本实用新型还有其他实施方式，上文所列仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围，凡依本申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本实用新型的技术范畴。

Claims (6)

1.一种大面积钙钛矿太阳电池组件，包括若干单体钙钛矿太阳电池(1)、封装材料(2)以及封装基板(3)，其特征在于：相邻单体钙钛矿太阳电池极性相反地设置，相邻单体钙钛矿太阳电池之间设置绝缘体(4)且相邻单体钙钛矿太阳电池的正、负电极电连接。

2.根据权利要求1所述的大面积钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述单体钙钛矿太阳电池(1)依次包括：作为负电极的光阳极、电子收集层(12)、光吸收层(13)、空穴传输层(14)、催化层(15)以及作为正电极的对电极，光阳极和对电极通过一层导电层(11)将电子与空穴传输至外电路。

3.根据权利要求2所述的大面积钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：光吸收层(13)由有机-无机类钙钛矿薄膜构成，有机-无机类钙钛矿可用(RNH₃)BX_mY_3-m表示，其中R为C_nH_2n+1，n为≥1的自然数；B为Pb或Sn；X、Y分别为卤素Cl、Br或者I中的一种，m＝1,2,3。

4.根据权利要求2所述的大面积钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：在所述电子收集层(12)上设置有一层纳米多孔薄膜支架层(16)，所述光吸收层(13)分散吸附在该纳米多孔薄膜支架层(16)上。

5.根据权利要求2所述的大面积钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述封装基板(3)至少有一侧由玻璃构成，另一侧由玻璃、陶瓷或者TPT聚氟乙烯复合膜构成。

6.根据权利要求2所述的大面积钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述绝缘体(4)由玻璃、陶瓷或者有机高分子材料制备而成。