一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法
阅读：774发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种低损伤 钙 钛 矿 太阳能 电池 及其封装方法，该 钙钛矿 太阳能电池 包括 自下而上 的导电基底层、 电子 传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、金属 电极 层、无机保护层以及陶瓷封装层。本发明主要解决现有封装方法普遍存在的容易对电池造成不可逆损伤导致电池效率严重下降的问题，通过采用 能量 较低的热 蒸发 工艺在电池表面蒸 镀 无机保护层，然后利用 磁控溅射 方法再形成陶瓷封装层，无机保护层的存在可以尽量降低溅射对 钙钛矿太阳能电池 的损伤。实践表明，采用本发明封装方法制得的钙钛矿太阳能电池性能稳定，效率较高且衰减小，尤其适用于大面积 电池组 件的封装。，下面是一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法专利的具体信息内容。
1.一种低损伤钙钛矿太阳能电池，其特征在于，该低损伤钙钛矿太阳能电池包括自下而上的导电基底层、电子传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、金属电极层、保护层和封装层；热蒸镀形成的保护层完全覆盖钙钛矿太阳能电池表面，磁控溅射形成的封装层直接封装在导电基底上并完全覆盖钙钛矿太阳能电池，所述保护层为氧化钼薄膜或氧化钒薄膜，所述封装层为氧化铝薄膜、氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；所述导电基底为FTO玻璃，电子传输层分别为TIO2和Spiro-OMeTAD，钙钛矿吸光层为MAPbI3，金属电极层为Au。
2.如权利要求1所述的一种低损伤钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述保护层的厚度为60-100nm。
3.如权利要求1所述的一种低损伤钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述封装层的厚度为500-700nm。
4.权利要求1所述低损伤钙钛矿太阳能电池的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先制备结构为导电基底层/电子传输层/钙钛矿吸光层/电子传输层/金属电极层的钙钛矿太阳能电池，然后通过热蒸镀在电池表面制备保护层，最后通过磁控溅射在保护层上制备封装层。
5.如权利要求4所述的低损伤钙钛矿太阳能电池的封装方法，其特征在于：所述保护层的厚度为60-100nm，所述封装层的厚度为500-700nm。
一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法
技术领域
背景技术
[0002] 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其卓越的光电性能近年来备受关注，其光电转换效率由最初的3％飙升至22％，并且制备成本低，工艺简单，是目前最具前景的新兴光伏器件。但是由于本身含有有机成分，钙钛矿太阳能电池对温度、湿度及大气环境有着较差的耐受力，上述因素的侵袭会导致钙钛矿太阳能电池的降解和光电性能急剧下降，钙钛矿太阳能电池的稳定性严重制约了其进一步的发展和应用。
[0003] 此外，在薄膜光伏器件中，例如铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池、有机发光二极管(OLED)等，已经商业化应用的封装胶水有紫外固化胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)热熔胶等。但是将这些胶水直接封装在钙钛矿太阳能电池上时，会对器件造成不可逆的伤害使得电池效率严重下降，并且热熔胶使用时往往需要加热到200℃以上，这远远超出了钙钛矿电池器件所能承受的温度范围。
[0004] 也有人尝试在钙钛矿太阳能电池上增加保护层以提高其环境耐受力和寿命。中国专利CN106887521A提供了一种柔性半透明钙钛矿太阳能电池，在透明电极上蒸镀了一层ZnSe作为保护层。然而ZnSe是一种半导体材料，其存在限制了器件的结构，普适性并不好。本发明用非导体材料取代半导体材料作为封装材料的优势就在于对于各种钙钛矿太阳能电池器件结构均适用，适用性不好是上述专利方法最大的缺点和不足。中国专利CN105932164A通过将含硫离子溶液涂覆到铅卤钙钛矿薄膜上形成了硫化铅保护层，显著提高了器件的耐湿度稳定性，然而使用溶液法制作保护层时都会面临溶剂对钙钛矿太阳能电池造成损伤的问题。上述专利中用溶液法在钙钛矿层表面涂覆一层硫化铅薄膜，会造成一定的负面影响。中国专利CN205846020U在钙钛矿电池上增设封装层(UV胶或沙林膜)和覆盖层(普通玻璃或柔性薄膜)，最大程度的保证了器件的密封性、耐老化性和稳定性，然而使用UV胶进行封装也必须要面对UV胶中的一些组份对钙钛矿太阳能电池造成损伤的问题。此外一般的薄膜(比如沙林薄膜)对于水的阻隔很低，在钙钛矿太阳能电池领域的应用并不好。
在中国专利CN106981574A中，利用原子层沉积技术在透明电极上生长Al2O3薄膜，然后在Al2O3薄膜上热蒸镀Al或Ag反射电极层，在提高器件寿命和稳定性的同时也提高了能量转换效率。然而使用原子层沉积方法将Al2O3直接制备在钙钛矿太阳能电池上需要解决原子沉积过程中由于溶剂和前驱物等对钙钛矿太阳能电池器件造成的负面影响。
在中国专利CN106981574A中，利用原子层沉积技术在透明电极上生长Al2O3薄膜，然后在Al2O3薄膜上热蒸镀Al或Ag反射电极层，在提高器件寿命和稳定性的同时也提高了能量转换效率。然而使用原子层沉积方法将Al2O3直接制备在钙钛矿太阳能电池上需要解决原子沉积过程中由于溶剂和前驱物等对钙钛矿太阳能电池器件造成的负面影响。
[0005] 综上所述，钙钛矿太阳能电池的稳定性、光电转换效率、封装问题等依然制约其发展应用，研究一种低损伤、高效率、能适用于大面积电池组件的钙钛矿太阳能电池封装技术十分必要和迫切。本方法使用的MoO3层能够很好的在磁控溅射条件下保护钙钛矿太阳能电池器件，其对于钙钛矿太阳能电池的损伤最小。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法，通过该封装方法既能保持电池效率又能提高其环境稳定性，尤其适用于大面积电池组件的封装，具有操作简单、效率高等优点。为实现上述目的，本申请所采用的技术方案如下：
[0007] 一种低损伤钙钛矿太阳能电池，包括自下而上的导电基底层、电子传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、金属电极层、保护层以及封装层，所述保护层完全覆盖钙钛矿太阳能电池表面，所述封装层直接封装在导电基底上并完全覆盖钙钛矿太阳能电池。
[0011] 进一步的，所述导电基底为FTO玻璃，电子传输层分别为TIO2和Spiro-OMeTAD，钙钛矿吸光层为MAPbI3，金属电极层为Au。本发明提供的封装方法并非只适用上述一种类型/结构的钙钛矿太阳能电池，已通过实验验证该方法对于其他结构或类型的钙钛矿太阳能电池同样适用。
[0012] 一种低损伤钙钛矿太阳能电池的封装方法，包括以下步骤：首先制备结构为导电基底层/电子传输层/钙钛矿吸光层/电子传输层/金属电极层的钙钛矿太阳能电池，然后在电池表面制备无机物保护层，最后在无机物保护层上制备封装层，所述保护层完全覆盖钙钛矿太阳能电池表面，所述封装层直接封装在导电基底上并完全覆盖钙钛矿太阳能电池。
[0013] 进一步的，所述无机物保护层的材质为氧化钼或氧化钒等，无机物保护层的制备方法为热蒸镀。
[0014] 进一步的，所述封装层的材质选自氧化铝、氧化硅、氮化硅等陶瓷材料中的一种，封装层的制备方法为磁控溅射。
[0015] 本发明利用磁控溅射真空镀膜技术在制备好的钙钛矿太阳能电池上沉积一层致密的陶瓷封装材料，有效隔绝水、氧提升其稳定性；同时为了避免能量较大的磁控溅射直接沉积会破坏电池表面导致其效率下降，提前在电池表面热蒸镀一层无机物作保护层，尽可能减小磁控溅射带来的损伤。热蒸镀的能量较低，直接作用于钙钛矿表面也不会有损伤。通过以上封装处理，既能保持电池效率又能提高电池环境稳定性。
[0016] 与现有技术相比，本发明还具有以下有益效果：
[0017] (1)不使用溶剂，避免了溶液法制备保护层必须要面对的溶剂对钙钛矿太阳能电池器件的损伤问题；不使用半导体材料做为保护层，提高了封装方法的普适性，使其能够用于更多的钙钛矿太阳能电池体系；
[0018] (2)采用磁控溅射法制备保护层避免了其它沉积方法中溶剂、化学反应对钙钛矿太阳能电池造成的损伤，采用热蒸镀法制备陶瓷封装层能够有效防止后续磁控溅射中的高能粒子对钙钛矿太阳能电池器件造成负面影响，一定厚度范围内的无机物保护层+陶瓷封装层的搭配方式，既能保持电池效率又能提高电池的环境稳定性；
[0019] (3)采用磁控溅射和热蒸镀结合的工艺代替商业化封装胶水进行封装，避免损害钙钛矿太阳能电池的光电转换效率；
[0021] 图1为本发明封装所得钙钛矿太阳能电池的结构图；
[0022] 图2为本发明实施例5、11及对比例2-3钙钛矿太阳能电池的光电效率-时间关系曲线图；
[0023] 图3为本发明对比例3中氧化钼保护层的表面形貌图；
[0024] 图4为本发明实施例5中氧化铝封装层的表面形貌图。
[0025] 图5为本发明实施例7-10及对比例2不同氧化铝厚度封装后归一化效率-时间关系曲线图。
具体实施方式
[0026] 为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
[0027] 本发明首先在钙钛矿太阳能电池表面通过热蒸镀形成一层无机物保护层，然后在无机物保护层上通过磁控溅射形成封装层。其中，磁控溅射是在高真空腔室中将氩气气体离子化，在电场作用下氩离子以高能量态轰击靶材使之产生溅射，溅射出的粒子最终沉积在基片上形成致密的薄膜(封装层)。考虑到溅射的能量较高，直接作用于钙钛矿太阳能电池会产生较大损伤，故需要设置保护层。在高真空腔室中，加热蒸发舟使无机材料蒸发气化沉积到基片表面，形成无机保护层。相比于磁控溅射，热蒸发的能量较低，直接作用于钙钛矿表面也不会有损伤。该封装方法基本适用于具备导电基底层/电子传输层/钙钛矿吸光层/电子传输层/金属电极层结构的钙钛矿太阳能电池，与各层材质、厚度等无关。
[0028] 实施例1-6
[0029] 1)采用同样的工艺方法制备一批结构为FTO/TIO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au的钙钛矿太阳能电池，尽可能确保各个电池性能一致，差别较小。
[0030] 2)将制备好的同一批次电池放置在蒸镀仪样品台，在电池表面蒸镀一层氧化钼保护层，厚度分别为5、10、20、30、60、100nm，记为实施例1-6。
[0031] 3)在AM 1.5G，100mW/cm2的模拟太阳光下，测试蒸镀上不同厚度氧化钼保护层(实施例1-6)以及没有蒸镀氧化钼保护层(对比例1)的电池的光电效率。
[0032] 4)将上述电池置于磁控溅射样品台上，溅射一层Al2O3陶瓷封装材料，封装层厚度为500nm。
[0033] 在AM 1.5G，100mW/cm2的模拟太阳光下，测试溅射形成封装层的电池的光电效率。比较两次电池效率，得出电池效率损失，结果见表1。
[0034] 表1有/无氧化钼保护层溅射前后电池效率损伤表
[0035]
[0036] 表1结果表明：通过蒸镀氧化钼作保护层，确实可以降低溅射对钙钛矿太阳能电池的损伤，氧化钼保护层厚度以60-100nm为宜。
[0037] 将实施例5制备得到的钙钛矿太阳能电池(氧化钼层厚度60nm，氧化铝层厚度为500nm)、没有经过任何封装处理的钙钛矿太阳能电池(无保护层和封装层，对比例2)、仅蒸镀同样厚度(60nm)氧化钼的钙钛矿太阳能电池(对比例3)放到环境箱中进行稳定性测试，
2
测试条件30℃、30％湿度、无光照。随后在AM 1.5G、100mW/cm的模拟太阳光下，测试上述电池的光电效率随时间的变化，结果如图2。
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测试条件30℃、30％湿度、无光照。随后在AM 1.5G、100mW/cm的模拟太阳光下，测试上述电池的光电效率随时间的变化，结果如图2。
[0038] 从图2可知：电池在30℃、30％湿度、无光照条件下放置48小时后，实施例5中经过氧化铝封装的电池还保持初始效率的90％，而对比例2无封装和对比例3仅蒸镀一层氧化钼的电池效率均剧烈衰减，说明采用本发明封装方法的确可以很好的提升钙钛矿太阳能电池的稳定性。此外，仅仅蒸镀一层氧化钼的电池效率还不如无封装的电池效率，这是因为氧化钼表面形貌(如图3所示)呈片状，不致密，容易吸水导致钙钛矿的降解；而氧化铝的表面形貌(如图4所示)十分致密，能够有效阻挡水汽进入，从而提升钙钛矿器件稳定性。这也说明仅仅在电池上形成一层无机薄膜不但会使电池效率降低，而且电池效率还会随时间剧烈衰减，必须选择合适材质的保护层与封装层共同使用。
[0039] 实施例7-10
[0040] 1)采用同样的工艺方法制备一批结构为FTO/TIO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au的钙钛矿太阳能电池，尽可能确保各个电池性能一致，差别较小。
[0041] 2)将制备好的同一批次电池放置在蒸镀仪样品台，在电池表面蒸镀一层氧化钼保护层，厚度60nm。
[0042] 3)将上述电池移至磁控溅射样品台，分别溅射厚度100nm、300nm、500nm、700nm(分别记为实施例7-10)的氧化铝。
[0043] 4)在AM 1.5G、100mW/cm2的模拟太阳光下，测试实施例7-10电池的初始光电效率并归一。将实施例7-10以及对比例2电池一同置于环境箱中进行稳定性测试，测试条件温度30℃、湿度30％，结果如图5所示。
[0044] 图5结果表明：封装层的厚度以500-700nm为宜，在温度30℃、湿度30％的条件下放置48小时，效率还能保持初始效率的90％以上。
[0045] 实施例11
[0046] 1)采用同样的工艺方法制备一批结构为FTO/TIO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au的钙钛矿太阳能电池，尽可能确保各个电池性能一致，差别较小。
[0047] 2)将制备好的同一批次电池放置在蒸镀仪样品台，在电池表面蒸镀一层氧化钼保护层，厚度60nm。
[0048] 3)将上述电池置于磁控溅射样品台上，溅射一层SiNX陶瓷封装材料，封装层厚度为500nm。
[0049] 4)将封装后的电池置于环境箱中进行稳定性测试，测试条件30℃、30％湿度、无光2
照。随后在AM 1.5G、100mW/cm 的模拟太阳光下，测试上述电池的光电效率随时间的变化，结果如图2。
照。随后在AM 1.5G、100mW/cm 的模拟太阳光下，测试上述电池的光电效率随时间的变化，结果如图2。
[0050] 由图2可知，用氮化硅封装也能起到良好的保护水汽效果，使钙钛矿器件的环境稳定性得到提升。
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