一種大面積鈣鈦礦太陽電池組件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽電池組件及其制備方法，尤其涉及一種大面積鈣鈦礦太陽電池組件及其制備方法，屬于太陽電池組件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球生態(tài)環(huán)境和能源短缺問題的日益嚴峻，太陽能光伏發(fā)電受到各國普遍關(guān)注。目前，產(chǎn)業(yè)化晶體硅的電池轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定約19% (單晶)和17?18% (多晶)，進一步提升效率存在技術(shù)和成本的制約瓶頸。盡管一些高效硅電池技術(shù)不斷得以提出，但是這些高效太陽電池制備工藝復(fù)雜、量產(chǎn)中品質(zhì)不易控制、對設(shè)備要求高，因此，難以實現(xiàn)量產(chǎn)。除了硅太陽電池以外，其它類型的化合物薄膜電池、有機太陽電池、染料敏化太陽電池等，其電池轉(zhuǎn)換效率多年來未有顯著突破。
[0003]近年來，一種稱之為“鈣鈦礦太陽電池”的新型電池技術(shù)引起了科研人員的廣泛關(guān)注，其電池轉(zhuǎn)換效率在短短的數(shù)年時間內(nèi)從3.8%提升至目前的19.3%，并以月為單位不斷刷新。鈣鈦礦體系是指一類與鈣鈦礦CaTi03具有相似晶體結(jié)構(gòu)的有機-無機雜化物體系的總稱。鈣鈦礦具有復(fù)雜的電學(xué)和光學(xué)特性，從而使得具有不同工作機理的、構(gòu)造各異的電池結(jié)構(gòu)得到發(fā)展。其中包括基于敏化機理的太陽電池(mesoscopic sensitized solarcells)、無空穴傳輸層的 p_n 結(jié)太陽電池(HTM-free mesoscopic p_n solar cells)、介觀超級太陽電池(meso-superstructured solar cells)以及具有p-1-n結(jié)的平面異質(zhì)結(jié)太陽電池(planar heterojunct1n solar cells)。
[0004]盡管小面積鈣鈦礦太陽電池的效率不斷提升、電池結(jié)構(gòu)趨于多樣化。然而，對于所有結(jié)構(gòu)類型的鈣鈦礦太陽電池，隨著電池面積的大面積化，其電池的串聯(lián)電阻都會顯著升高，另外，簡單的工藝也會造成電池中缺陷的急劇增加，導(dǎo)致電池的開路電壓和填充因子隨著局部漏電流的升高而快速降低。同時，由于封裝結(jié)構(gòu)的欠缺，現(xiàn)有鈣鈦礦太陽電池在實際環(huán)境條件下的存在不穩(wěn)定性問題。因此，對鈣鈦礦太陽電池進行合理的大面積化設(shè)計，并對其增加封裝結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池組件的重要途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中，小面積鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率快速提高，而大面積鈣鈦礦太陽電池電池組件的生產(chǎn)工藝卻非常復(fù)雜且穩(wěn)定性差的技術(shù)問題，提供一種大面積鈣鈦礦太陽電池組件及其制備方法，減少傳統(tǒng)串聯(lián)太陽電池組件中絕緣體/串聯(lián)導(dǎo)體/絕緣體的復(fù)雜工藝結(jié)構(gòu)，降低串聯(lián)電阻對電池組件性能的影響，提高生產(chǎn)效率，促進鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用。
[0006]為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種大面積鈣鈦礦太陽電池組件，包括若干單體鈣鈦礦太陽電池(1 )、封裝材料(2)以及封裝基板(3)，其特征在于:相鄰單體鈣鈦礦太陽電池極性相反地設(shè)置，相鄰單體鈣鈦礦太陽電池之間設(shè)置絕緣體(4)且相鄰單體鈣鈦礦太陽電池的正、負電極電連接。
[0007]進一步地，所述單體鈣鈦礦太陽電池(I)依次包括:作為負電極的光陽極、電子收集層(12)、光吸收層(13)、空穴傳輸層(14)、催化層(15)以及作為正電極的對電極，光陽極和對電極的通過一層導(dǎo)電層(11)將電子與空穴傳輸至外電路。
[0008]進一步地，光吸收層(13)由有機-無機類鈣鈦礦薄膜構(gòu)成，有機-無機類鈣鈦礦可用(RNH3) BXJ3 ?表示，其中R為C ηΗ2η+1，η為彡I的自然數(shù);Β為Pb或Sn ;Χ、Y分別為鹵素Cl、Br或者I中的一種，m=l，2，3。
[0009]進一步地，在所述電子收集層(12)上設(shè)置有一層納米多孔薄膜支架層(16)，所述光吸收層(13)分散吸附在該納米多孔薄膜支架層(16)上。
[0010]進一步地，所述光吸收層(13)通過在納米多孔薄膜支架層(16)上旋涂或者印刷鈣鈦礦的分散液，經(jīng)70-170°C的燒結(jié)處理制備得到吸附在納米多孔薄膜支架層(16)表面的鈣鈦礦光吸收層；或者，在納米多孔薄膜支架層(16)上制備一層鈣鈦礦前驅(qū)反應(yīng)物的薄膜，并將樣片浸于鈣鈦礦另一反應(yīng)物的溶液，再經(jīng)70-170°C的燒結(jié)處理后，制備出吸附在納米多孔薄膜支架層(16)表面的鈣鈦礦光吸收層。
[0011]進一步地，所述封裝基板(3)至少有一側(cè)由玻璃構(gòu)成，另一側(cè)由玻璃、陶瓷或者TPT聚氟乙烯復(fù)合膜構(gòu)成。
[0012]進一步地，所述電子收集層(12)為一層致密的金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜，通過旋涂法、絲網(wǎng)印刷、溶膠凝膠法、磁控濺射或者原子層沉積在導(dǎo)電層(11)上制膜，并經(jīng)過150-550 °C的燒結(jié)處理。
[0013]進一步地，所述空穴傳輸層(14)由Spiro-OMeTAD或PEDOT:PSS或CuI薄膜構(gòu)成，通過旋涂、印刷空穴傳輸材料的分散液，并經(jīng)干燥處理，形成空穴傳輸層。其中，Spiro-OMeTAD為(2，2’，7，7’-tetrakis-(N, N-d1-p-methoxyphenyl-amine) -9, 9’-spirobifluorene)NPEDOT:PSS為(poly(3，4_ethylened1xyth1phene) polystyrene sulfonate)或CuI為碘化亞銅。
[0014]進一步地，所述催化層(15)是由一層形成在空穴傳輸層(14)上的金屬或非金屬的催化薄膜構(gòu)成，該催化材料是Pt、Au、Ag或者炭黑，催化層通過濺射、蒸鍍或者絲網(wǎng)印刷方法形成。
[0015]進一步地，所述絕緣體(4)由玻璃、陶瓷、有機高分子材料。
[0016]本發(fā)明的另一方面，提供一種制備上述大面積鈣鈦礦太陽電池組件的方法，包括如下步驟:
A.封裝基板的處理；
B.封裝基板上導(dǎo)電層的制備和織構(gòu)化:采用蒸鍍、濺射、溶膠凝膠或者印刷方法，在掩膜后的封裝基板上按照設(shè)計的織構(gòu)化圖形制備一層導(dǎo)電薄膜，或者將制備的整片導(dǎo)電基板經(jīng)激光刻蝕或化學(xué)刻蝕去除部分導(dǎo)電層，得到設(shè)計的織計構(gòu)化圖形；所述導(dǎo)電薄膜為ITO或者FT0，膜厚在500-2000nm之間；
C.電子收集層(12)的制備:電子收集層(12)由一層致密的半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成，厚度在5-50nm之間，通過旋涂法、印刷或者溶膠凝膠法在具有導(dǎo)電層的封裝基板上涂覆一層半導(dǎo)體材料的料漿，將樣品放入馬弗爐中，從室溫開始，選擇5-10°C為梯度逐步升溫，并在150、200、300、400、500和550 °C分別停留5_30分鐘，燒結(jié)處理后得到電子收集層(12);
D.光吸收層(13)的制備:在電子收集層(12)上形成一層由有機-無機類鈣鈦礦薄膜構(gòu)成的光吸收層(13)，光吸收層(13)的厚度在200-1000nm之間；
E空穴傳輸層(14)的制備:空穴傳輸層(14)是Spiro-OMeTAD或者PEDOT:PSS或者Cul，厚度在300-800nm之間，通過在鈣鈦礦光吸收層上旋涂、印刷空穴傳輸材料的分散劑，并經(jīng)干燥處理，形成空穴傳輸層；
F.催化層(15)的制備:通過濺射或蒸鍍方法在空穴傳輸層(14)上形成一層催化層
(15)，催化層(15)由一層形成在空穴傳輸層上的金屬或非金屬的催化薄膜構(gòu)成，該催化材料可以是Pt、Au、Ag或者炭黑，厚度在3-10nm之間；
G.絕緣體(4)的制備:導(dǎo)電基板上制備形成電子收集層、支架層、光吸收層以及催化層之后，將絕緣體的料漿印刷在織構(gòu)化的導(dǎo)電基板上，或者將有機高分子薄膜鋪設(shè)在織構(gòu)化的導(dǎo)電基板上，之后將絕緣材料在熱承壓過程中固化，從而在單體鈣鈦礦太陽電池間起到絕緣分割作用；絕緣體(4)可由玻璃、陶瓷、有機高分子材料或其它絕緣材料構(gòu)成；
H.單體鈣鈦礦太陽電池上導(dǎo)電層的制備和織構(gòu)化:絕緣體(4)形成之后在經(jīng)步驟H后得到的器件的上方制備一層導(dǎo)電層，導(dǎo)電層的厚度在500-2000nm之間；采用蒸鍍、濺射、溶膠凝膠或者印刷方法，在掩膜后的器件上按照設(shè)計的織構(gòu)化圖形制備導(dǎo)電薄膜，或者將制備的導(dǎo)電薄膜經(jīng)激光刻蝕或化學(xué)刻蝕去除部分導(dǎo)電層，得到設(shè)計的織計構(gòu)化圖形；導(dǎo)電層
(11)為 ITO 或者 FT0。
[0017]1.組件封裝:將絕緣體的料漿印刷在封裝基板四周上，或者將有機高分子薄膜鋪設(shè)在導(dǎo)電基板邊緣，之后將絕緣材料在熱承壓過程中固化，完成鈣鈦礦太陽電池組件的封裝，封裝材料(2)可由玻璃、陶瓷、有機高分子材料或其它絕緣材料構(gòu)成。
[0018]作為優(yōu)選，在步驟C后之間還包括如下步驟:
Cl.納米多孔薄膜支架層(16)的制備:通過旋涂法、印刷或者溶膠凝膠法在電子收集層之上涂覆一層以Ti02、Al2O3或者S12S材料的納米多孔薄膜支架層，厚度在200-1000nm之間，之后將制得的半成品放入馬弗爐中，從室溫開始，選擇5-10°C為梯度逐步升溫，并在150、200、300、400、500、550°(:停留5_30分鐘，燒結(jié)處理后得到所述納米多孔薄膜支架層
(16)。
[0019]作為優(yōu)選，在所述步驟D中，通過在納米多孔薄膜支架