CN104979477A - Z型串联钙钛矿太阳电池组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件及其制备方法，太阳电池组件包括：对电极基板；光阳极基板；至少两个单体钙钛矿太阳电池，并且相邻的单体钙钛矿太阳电池通过绝缘体彼此绝缘设置，单体钙钛矿太阳电池具有由下自上依次设置的光阳极导电层、电子收集层、光吸收层、空穴传输层、催化层和对电极导电层，并且光阳极导电层形成在光阳极基板上，对电极导电层形成在对电极基板上；串联导体，在相邻的两个单体钙钛矿太阳电池中，串联导体的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层相电性连接，串联导体的另一端与另外一个单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层相电性连接。本发明不仅保证了光电转换效率，而且降低了钙钛矿太阳电池大面积化过程中欧姆接触电阻对电池组件性能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件及其制备方法。
背景技术
目前，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(mesoscopic sensitized solarcells)、无空穴传输层的p-n结太阳电池(HTM-free mesoscopic p-n solar cells)、无电子传输层的太阳电池(meso-superstructured solar cells)以及具有p-i-n结的平面异质结太阳电池(planar heterojunction solar cells)。
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，简单的工艺也会在成电池中缺陷的产生，导致电池的开路电压和填充因子随着局部漏电流的增加而快速降低。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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件，它不仅保证了光电转换效率，而且降低了钙钛矿太阳电池大面积化过程中欧姆接触电阻对电池组件性能的影响。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件，它包括：
对电极基板；
光阳极基板；
至少两个单体钙钛矿太阳电池，并且相邻的单体钙钛矿太阳电池通过绝缘体彼此绝缘设置，所述单体钙钛矿太阳电池具有由下自上依次设置的光阳极导电层、电子收集层、光吸收层、空穴传输层、催化层和对电极导电层，并且所述光阳极导电层形成在光阳极基板上，所述对电极导电层形成在对电极基板上；
串联导体，所述串联导体设置在相邻的单体钙钛矿太阳电池之间，并且在相邻的两个单体钙钛矿太阳电池中，串联导体的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层相电性连接，串联导体的另一端与另外一个单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层相电性连接。
本发明进一步所要解决的技术问题是：减小实际应用环境对钙钛矿太阳电池的损害，保证钙钛矿太阳电池组件的长期稳定性，Z型串联钙钛矿太阳电池组件还包括封装机构，该封装机构将所有单体钙钛矿太阳电池封装在内，所述封装机构包括对电极基板、光阳极基板和四周封体。
进一步，在对电极基板和光阳极基板中，其中一个由玻璃制成，另外一个由玻璃或陶瓷或TPT聚氟乙烯复合膜制成。
进一步为了给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，Z型串联钙钛矿太阳电池组件还包括支架层，所述支架层用于吸附光吸收层。
进一步，所述的支架层为纳米多孔薄膜支架层，并且支架层由金属氧化物半导体或金属氧化物绝缘体制成。
进一步，所述的光吸收层由有机-无机类钙钛矿薄膜制成。
进一步，所述的电子收集层为致密金属氧化物半导体薄膜。
进一步，所述的绝缘体由玻璃或陶瓷或有机高分子材料制成。
本发明还提供了一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，该方法的步骤如下：
(1)提供一光阳极基板和一对电极基板；
(2)在光阳极基板上由下至上依次制备光阳极导电层、电子收集层、光吸收层和空穴传输层，其中，制备光阳极导电层时需要对光阳极导电层进行织构化处理；在对电极基板上由上至下依次制备对电极导电层和催化层，形成上半成品，其中，制备电极导电层时需要对对电极导电层进行织构化处理；
(3)将绝缘体和串联导体设置在光阳极基板和光阳极导电层上，形成下半成品；
(4)将下半成品和上半成品对应好串联导体和绝缘体的相对应的位置，压合上半成品和下半成品，四周封体经加热固化后，形成Z型串联钙钛矿太阳电池组件；在这过程中，绝缘体和串联导体位于相邻的单体钙钛矿太阳电池之间，并且绝缘体将相邻的单体钙钛矿太阳电池彼此绝缘，并确保在相邻的单体钙钛矿太阳电池中，串联导体的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层相电性连接，串联导体的另一端与另外一个单体单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层相电性连接。
进一步，在所述的步骤(2)中，光阳极导电层形成在光阳极基板上的方法和对电极导电层形成在对电极基板的方法为：将相应导电层通过掩膜蒸镀法或溅射法或印刷法或溶胶凝胶法制备在相应的基板上，然后通过掩膜方法按照设计的织构化图形对基板进行处理，得到织构化处理的导电层，或者是然后通过激光刻蚀或化学刻蚀的方法直接去除部分导电层，得到织构化处理的导电层。
进一步，在所述的步骤(2)中，制备电子收集层的方法为：将半导体材料的料浆通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在光阳极导电层上制膜，并经过150-550℃的烧结处理后，得到电子收集层。
进一步，在所述的步骤(2)中，制备光吸收层的方法为：先通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在电子收集层上制膜，并经过150-550℃的烧结处理形成一层支架层，然后通过在支架层之上旋涂、印刷钙钛矿的分散液，经70-170℃的烧结处理制备得到吸附在支架层表面的光吸收层；或者是先通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在电子收集层上制膜，并经过150-550℃的烧结处理形成一层支架层，然后在支架层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，制备出吸附在支架层表面的钙钛矿光吸收层；或者是采用化学气相沉积法或物理沉积法或蒸镀法直接在电子收集层上形成一层光吸收层。
进一步，在所述的步骤(2)中，在光吸收层上通过旋涂或印刷具有空穴传输材料的分散液，并经干燥处理后，形成空穴传输层。
采用了上述技术方案后，本发明通过合理设计单体钙钛矿太阳电池之间的串联方法以及组件封装方式，串联方法降低了钙钛矿太阳电池大面积化过程中欧姆接触电阻对电池组件性能的影响，组件封装方式减小了实际应用环境对钙钛矿太阳电池组件的损害，保证了钙钛矿太阳电池组件的长期稳定性。
附图说明
图1为本发明的Z型串联钙钛矿太阳电池组件的结构示意图；
图2为本发明的单体钙钛矿太阳电池的第一种结构的结构示意图；
图3为本发明的单体钙钛矿太阳电池的第二种结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1～2所示，一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于，它包括：
对电极基板1；
光阳极基板2；
至少两个单体钙钛矿太阳电池，并且相邻的单体钙钛矿太阳电池通过绝缘体3彼此绝缘设置，所述单体钙钛矿太阳电池具有由下自上依次设置的光阳极导电层4、电子收集层5、光吸收层6、空穴传输层7、催化层8和对电极导电层9，并且所述光阳极导电层4形成在光阳极基板2上，对电极导电层9形成在对电极基板1上；光阳极导电层4和对电极导电层9可以是FTO薄膜，也可以是ITO薄膜；空穴传输层由Spiro-OMeTAD薄膜或PEDOT：PSS薄膜或CuI薄膜构成；催化层是由一层形成在对电极导电层9上的金属或非金属的催化薄膜构成，该催化材料可以是Pt或Au或炭黑，催化层通过溅射、蒸镀方法形成；
串联导体10，串联导体10设置在相邻的单体钙钛矿太阳电池之间，并且在相邻的两个单体钙钛矿太阳电池中，串联导体10的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层9相电性连接，串联导体10的另一端与另外一个单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层4相电性连接。单体钙钛矿太阳电池电极间串联导体18由金属或者合金构成，可以将串联导体18的料浆印刷在光阳极导电层4上，经过热承压固化后，在光阳极导电层和对电极导电层之间形成Z型串联结构。
Z型串联钙钛矿太阳电池组件还包括封装机构，该封装机构将所有单体钙钛矿太阳电池封装在内，封装机构包括对电极基板1、光阳极基板2和四周封体11；四周封体11由玻璃、陶瓷、有机高分子材料或其它绝缘材料构成。
在对电极基板1和光阳极基板2中，其中一个由玻璃制成，另外一个由玻璃或陶瓷或TPT聚氟乙烯复合膜制成。
Z型串联钙钛矿太阳电池组件还包括支架层13，支架层13上吸附有光吸收层6。
支架层13为纳米多孔薄膜支架层，并且支架层13由金属氧化物半导体或金属氧化物绝缘体制成。
光吸收层6由有机-无机类钙钛矿薄膜制成，有机-无机类钙钛矿可用(RNH3)BXmY3-m表示，其中R为CnH2n+1，n＝1,2,3等；B为Pb或Sn；X为卤素Cl、Br或者I；m＝1,2,3。
电子收集层5为致密的金属氧化物半导体薄膜。
绝缘体3由玻璃或陶瓷或有机高分子材料制成，也可以由其他绝缘材料制成。
一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，该方法的步骤如下：
(1)提供一光阳极基板2和一对电极基板1；
(2)在光阳极基板2上由下至上依次制备光阳极导电层4、电子收集层5、光吸收层6和空穴传输层7，其中，制备光阳极导电层4时需要对光阳极导电层4进行织构化处理；在对电极基板1上由上至下依次制备对电极导电层9和催化层8，形成上半成品，其中，制备对电极导电层9时需要对对电极导电层9进行织构化处理；织构化处理是为了去除部分导电薄膜，使相邻单体电池处于绝缘状态；
(3)将绝缘体3和串联导体10设置在光阳极基板2和光阳极导电层4上，形成下半成品；
(4)将下半成品和上半成品对应好串联导体10和绝缘体3的相对应的位置，压合上半成品和下半成品，经四周封体11加热固化后，形成Z型串联钙钛矿太阳电池组件；在这过程中，绝缘体3和串联导体10位于相邻的单体钙钛矿太阳电池之间，并且绝缘体3将相邻的单体钙钛矿太阳电池彼此绝缘，并确保在相邻的单体钙钛矿太阳电池中，串联导体10的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层9相电性连接，串联导体10的另一端与另外一个单体单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层4相电性连接。
在所述的步骤(2)中，光阳极导电层4形成在光阳极基板2上的方法和对电极导电层9形成在对电极基板1的方法为：将相应导电层通过掩膜蒸镀法或溅射法或印刷法或溶胶凝胶法制备在相应的基板上，导电层的膜厚在500-2000nm之间，然后通过掩膜方法按照设计的织构化图形对基板进行处理，得到织构化处理的导电层；或者是将相应导电层通过掩膜蒸镀法或溅射法或印刷法或溶胶凝胶法制备在相应的基板上，然后通过激光刻蚀或化学刻蚀的方法直接去除部分导电层，得到织构化处理的导电层。对电极基板1和光阳极基板2的预处理过程如下：将相应的基板经过洗洁剂、乙醇、丙酮、去离子水超声清洗后，再用氮气吹干。
在步骤(2)中，制备电子收集层5的方法为：通过旋涂法、印刷、溶胶凝胶法在光阳极导电层4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、550℃停留5-30分钟，烧结处理后得到电子收集层；其中，电子收集层材料优选TiO2，厚度在5-50nm之间。
在所述的步骤(2)中，制备光吸收层6的方法为：先通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在电子收集层5上制膜，并经过150-550℃的烧结处理形成一层支架层13，支架层13的材料可以是TiO2或Al2O3或SiO2，厚度在200-1000nm之间，然后通过在支架层13之上旋涂、印刷钙钛矿的分散液，经70-170℃的烧结处理制备得到吸附在支架层13表面的光吸收层6，光吸收层6的厚度在200-1000nm之间；或者是先通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在电子收集层5上制膜，并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、550℃停留5-30分钟，烧结处理后得到支架层13，然后在支架层13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，制备出吸附在支架层13表面的钙钛矿光吸收层；或者是如图3所示，采用化学气相沉积法或物理沉积法或蒸镀法直接在电子收集层5上形成一层光吸收层6。
在所述的步骤(2)中，在光吸收层6上通过旋涂或印刷具有空穴传输材料的分散液，并经干燥处理后，形成空穴传输层7。
本发明的工作原理如下：
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于，它包括：
对电极基板(1)；
光阳极基板(2)；
至少两个单体钙钛矿太阳电池，并且相邻的单体钙钛矿太阳电池通过绝缘体(3)彼此绝缘设置，所述单体钙钛矿太阳电池具有由下自上依次设置的光阳极导电层(4)、电子收集层(5)、光吸收层(6)、空穴传输层(7)、催化层(8)和对电极导电层(9)，并且所述光阳极导电层(4)形成在光阳极基板(2)上，所述对电极导电层(9)形成在对电极基板(1)上；
串联导体(10)，所述串联导体(10)设置在相邻的单体钙钛矿太阳电池之间，并且在相邻的两个单体钙钛矿太阳电池中，串联导体(10)的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层(9)相电性连接，串联导体(10)的另一端与另外一个单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层(4)相电性连接。
2.根据权利要求1所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：还包括封装机构，该封装机构将所有单体钙钛矿太阳电池封装在内，所述封装机构包括对电极基板(1)、光阳极基板(2)和四周封体(11)。
3.根据权利要求2所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：在所述的对电极基板(1)和光阳极基板(2)中，其中一个由玻璃制成，另外一个由玻璃或陶瓷或TPT聚氟乙烯复合膜制成。
4.根据权利要求1或2所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：还包括支架层(13)，所述支架层(13)用于吸附光吸收层(6)。
5.根据权利要求4所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述的支架层(13)为纳米多孔薄膜支架层，并且支架层(13)由金属氧化物半导体或金属氧化物绝缘体制成。
6.根据权利要求1所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述的光吸收层(6)由有机-无机类钙钛矿薄膜制成。
7.根据权利要求1所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述的电子收集层(5)为致密金属氧化物半导体薄膜。
8.根据权利要求1所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件，其特征在于：所述的绝缘体(3)由玻璃或陶瓷或有机高分子材料制成。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
(1)提供一光阳极基板(2)和一对电极基板(1)；
(2)在光阳极基板(2)上由下至上依次制备光阳极导电层(4)、电子收集层(5)、光吸收层(6)和空穴传输层(7)，其中，制备光阳极导电层(4)时需要对光阳极导电层(4)进行织构化处理；在对电极基板(1)上由上至下依次制备对电极导电层(9)和催化层(8)，形成上半成品，其中，制备对电极导电层(9)时需要对对电极导电层(9)进行织构化处理；
(3)将绝缘体(3)和串联导体(10)设置在光阳极基板(2)和光阳极导电层(4)上，形成下半成品；
(4)将下半成品和上半成品对应好串联导体(10)和绝缘体(3)的相对应的位置，压合上半成品和下半成品，经加热固化后，形成Z型串联钙钛矿太阳电池组件；在这过程中，绝缘体(3)和串联导体(10)位于相邻的单体钙钛矿太阳电池之间，并且绝缘体(3)将相邻的单体钙钛矿太阳电池彼此绝缘，并确保在相邻的单体钙钛矿太阳电池中，串联导体(10)的一端与其中一个单体钙钛矿太阳电池的对电极导电层(9)相电性连接，串联导体(10)的另一端与另外一个单体单体钙钛矿太阳电池的光阳极导电层(4)相电性连接。
10.根据权利要求9所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，光阳极导电层(4)形成在光阳极基板(2)上的方法和对电极导电层(9)形成在对电极基板(1)的方法为：将相应导电层通过掩膜蒸镀法或溅射法或印刷法或溶胶凝胶法制备在相应的基板上，然后通过掩膜方法按照设计的织构化图形对基板进行处理，得到织构化处理的导电层；或者是将相应导电层通过掩膜蒸镀法或溅射法或印刷法或溶胶凝胶法制备在相应的基板上，然后通过激光刻蚀或化学刻蚀的方法直接去除部分导电层，得到织构化处理的导电层。
11.根据权利要求9所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，制备电子收集层(5)的方法为：将半导体材料的料浆通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在光阳极导电层(4)上制膜，并经过150-550℃的烧结处理后，得到电子收集层(5)。
12.根据权利要求9所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，制备光吸收层(6)的方法为：先通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在电子收集层(5)上制膜，并经过150-550℃的烧结处理形成一层支架层(13)，然后通过在支架层(13)之上旋涂、印刷钙钛矿的分散液，经70-170℃的烧结处理制备得到吸附在支架层(13)表面的光吸收层(6)；或者是先通过旋涂法或印刷法或溶胶凝胶法在电子收集层(5)上制膜，并经过150-550℃的烧结处理形成一层支架层(13)，然后在支架层(13)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，制备出吸附在支架层(13)表面的钙钛矿光吸收层；或者是采用化学气相沉积法或物理沉积法或蒸镀法直接在电子收集层(5)上形成一层光吸收层。
13.根据权利要求9所述的Z型串联钙钛矿太阳电池组件的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，在光吸收层(6)上通过旋涂或印刷具有空穴传输材料的分散液，并经干燥处理后，形成空穴传输层(7)。
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