一种太阳能电池器件及其制备方法及其应用 |
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| 申请号 | CN202210435601.X | 申请日 | 2022-04-24 | 公开(公告)号 | CN115020592A | 公开(公告)日 | 2022-09-06 |
| 申请人 | 信利半导体有限公司; | 发明人 | 李源; 谢雄才; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 太阳能 电池 器件及其制备方法及其应用，一种 太阳能电池 器件，包括 基板 ，基板的一个表 面层 叠设置 阳极 层、光伏层和 阴极 层；光伏层包括层叠设置的空穴传输层、 活性层 和 电子 传输层；还包括辅助金属 电极 ，辅助金属电极设于阳极层和光伏层之间和/或阴极层和光伏层之间，辅助金属电极材料为 银 、 铝 、 铜 等高导电率的金属单质或 合金 。本发明在阳极层和/或阴极层设置辅助金属电极，提高了器件的光电转换效率。将以上太阳能电池器件应用于 手表 、电子设备可充电后盖或保护壳以及透明镜片等产品，解决了电子器件的低功耗、电池的高容量及快速充电等需要解决的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种太阳能电池器件，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种太阳能电池器件及其制备方法及其应用技术领域[0002] 目前，基于消费者对各类穿戴类、便携类、手持类电子器件的依赖度越来越高，各类电子器件的电量功耗问题也变得日益突出，电子器件的低功耗、电池的高容量及快速充电等开发方案，也都成为开发设计人员挖空心思需要解决的问题。除此之外，设计者也逐渐认识到有必要为电子器件搭载可持续供电的外挂装置，包括但不限于太阳能电池器件、热致发电等器件的开发，逐渐成为电子产品设计的主流。针对太阳能类光致发电电池器件，考虑到实际应用过程中，不同的电子设备自身配置的充电电池的额定电压、电流及电量的不同，需要搭配的太阳能电池需要同时考虑到光电转换效率PCE、Voc、Isc、Iop等参数，而不同的光电转换效率PCE、Voc、Isc、Iop等参数，除了需要考虑太阳能电池的类型之外，与器件的结构设计也是密不可分的。常见的情况是，小面积的有机光伏类、CIGS类或钙钛矿类等高效2 率太阳能电池在单结面积增大后，效率就会被迅速拉低。以4mm的器件为例，单结的OPV太阳能电池的PCE效率可以做到15％‑18％，单结的钙钛矿太阳能电池的PCE效率可以做到 2 25.5％，但是，当单结器件的面积被增加到40cm时，两类太阳能电池的器件效率，都下降到了个位数，只有百分之5％‑9％左右。导致器件效率下降的一个主要原因就是，随着单结器件的面积增大，器件中间区域产生的载流子向正、负电极的传输距离也随之增加，长距离的传输过程产生的热效应及透明电极本身的电阻影响，使得大量的载流子还未来得及传输至正负电极，就被复合或消耗掉了，从而使得大面积的器件效率急剧下降。 发明内容[0003] 本发明公开一种太阳能电池器件及其制备方法及其应用，旨在解决现有技术中存在的大面积器件光电转化效率低的技术问题。 [0004] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是： [0005] 第一方面，本发明公开了一种太阳能电池器件，包括： [0007] 辅助金属电极，辅助金属电极设于阳极层和光伏层之间和/或辅助金属电极设于阴极层和光伏层之间，辅助金属电极材料为金属单质或合金； [0008] 太阳能电池器件为单结器件或多结串联器件，其中，辅助金属电极将单结器件在阳极层平面分割为多个面积相当或相近的区域，每个区域内相邻两条辅助金属电极的最大2 距离小于等于20mm；多结串联器件的每结器件最大面积不超过10cm ，辅助金属电极将相邻两结电池的正极与负极相连结。 [0010] 作为优选的技术方案，还包括第二阳极层，第二阳极层设于辅助金属电极和光伏层之间，与光伏层直接接触。 [0011] 第二方面，本发明公开了一种制备太阳能电池器件的方法，包括： [0013] 在阳极层上进行辅助金属电极镀膜； [0014] 光伏层镀膜，光伏层镀膜依次包括空穴传输层涂布、活性层涂布和电子传输层涂布； [0015] 在光伏层上进行辅助金属电极镀膜； [0016] 阴极层镀膜。 [0017] 作为优选的技术方案，还包括步骤： [0018] 黑化金属底层镀膜，作为辅助金属电极的底层。 [0019] 作为优选的技术方案，还包括步骤： [0020] 第二阳极层镀膜，辅助金属电极设于两层阳极层之间，第二阳极层与光伏层直接接触。 [0021] 第三方面，本发明公开了一种手表用太阳能电池器件，包含上述的一种太阳能电池器件，其中，辅助金属电极设为线宽为1‑5μm的金属线，使得肉眼无法可见该金属线。 [0022] 作为优选的技术方案，辅助金属电极及黑化金属的总厚度小于等于光伏层总厚度的三分之一。 [0023] 第四方面，本发明公开了一种电子设备可充电后盖或保护壳用太阳能电池器件，包含上述的一种太阳能电池器件。 [0024] 作为优选的技术方案，辅助金属电极及黑化金属呈图案形式排布，如天文图案、花草树木、几何图案。 [0025] 第五方面，本发明公开了一种透明镜片用太阳能电池器件，包含上述的一种太阳能电池器件。 [0026] 作为优选的技术方案，太阳能电池器件为多结串联器件，由五节面积相当的太阳能电池串联而成，其中，第一节电池位于镜片的中心，第二节、第三节、第四节和第五节电池位于第一节电池外围，将第一节电池包围。 [0027] 作为优选的技术方案，辅助金属电极的宽度小于等于100μm。 [0028] 作为优选的技术方案，设于阳极层和光伏层之间的辅助金属电极为金属或合金材质，位于阴极层和光伏层之间的辅助金属电极的材质与阴极层的材质一致。 [0029] 本发明相对于现有技术取得了以下有益的技术效果： [0030] 本发明一方面提供一种太阳能电池器件，该太阳能电池器件在阳极层上和/或阴极层上设置辅助金属电极，辅助金属电极采用银、铝、铜等高导电率的金属单质或合金，由于辅助金属电极的导通性远远优于阳极层和/或阴极层，所以，当器件受光产生“激子”后，载流子会优先流向电阻率低的辅助金属电极，再经过辅助金属电极快速传输至阳极和/或阴极的收集端，避免了载流子“空穴”在高阻抗的透明电极中长时间、长距离的传导导致的消耗，大大提高了器件的光电转换效率。 [0031] 进一步的，在阳极层辅助金属电极上，设置第二阳极层，辅助金属电极设置在阳极层之间，使得器件的透明阳极材料直接与光伏层接触，目的是使得与光伏层直接接触的仍然为高功函数的透明电极，而非低功函数的金属材料，保证太阳能器件的阳极的能级能够与光伏层相匹配，在提高透明电极的导体性的同时，进一步保证器件的效率不受能级匹配的影响。 [0032] 同时，在辅助金属电极的底层设置黑化金属，可以降低辅助金属电极的反射率，提高了器件的外观效果，使器件的外观使消费者更易于接受。 [0033] 另一方面，该发明提供了该太阳能电池器件的应用。当其应用于手表用太阳能电池器件时，为了美观，可将辅助金属电极制作线宽仅为1‑5μm的金属线，使得用户无法目视可见此极细的辅助金属线，同时又可达到降低透明电极电阻的目的。同时，辅助金属电极及黑化金属的总厚度小于等于光伏层总厚度的三分之，避免阳极层和阴极层发生短路的情况。当其应用于电子产品的可充电后盖或保护壳时，将辅助金属电极及黑化金属设计成用户易于接受的图案，如天文图案、花草树木、动物、几何图案或卡通形象等，增加了美观，又达到了降低电极电阻的目的。当其应用于透明型镜片时，阴极层的辅助金属电极将多节电池相邻结的正极与负极相连，形成多节串联的结构。既形成了多节电池的串联，又达到了降低阴极层电阻的目的。附图说明： [0034] 图1本发明实施例1提供的一种太阳能电池器件结构示意图； [0035] 图2本发明实施例1提供的一种太阳能电池器件结构示意图； [0036] 图3本发明实施例1提供的一种太阳能电池器件结构示意图； [0037] 图4本发明实施例3提供的一种手表用太阳能电池器件结构示意图； [0038] 图5本发明实施例3提供的一种手表用太阳能电池器件A‑A’截面示意图； [0039] 图6本发明实施例3提供的另一种手表用太阳能电池器件结构示意图； [0040] 图7本发明实施例3提供的另一种手表用太阳能电池器件A‑A’截面示意图； [0041] 图8本发明实施例4提供的一种电子设备可充电后盖或保护壳用太阳能电池器件一种单结器件示意图； [0042] 图9本发明实施例4提供的一种电子设备可充电后盖或保护壳用太阳能电池器件一种多结串联器件示意图； [0043] 图10本发明实施例5提供的一种透明镜片用太阳能电池器件结构示意图； [0044] 图11本发明实施例5提供的一种透明镜片用太阳能电池器件串联结构示意图； [0045] 图12本发明实施例5提供的一种透明镜片用太阳能电池器件A‑A’截面示意图； [0046] 图13本发明实施例5提供的一种透明镜片用太阳能电池器件B‑B’截面示意图； [0047] 图14本发明实施例5提供的第一节电池阴极层与第二节电池阳极层串联示意图； [0048] 图15本发明实施例5提供的第二节电池阴极层与第三节电池阳极层串联示意图； [0049] 图16本发明实施例5提供的第三节电池阴极层与第四节电池阳极层串联示意图； [0050] 图17本发明实施例5提供的第四节电池阴极层与第五节电池阳极层串联示意图； [0051] 图18本发明实施例5提供的另一种透明镜片用太阳能电池器件结构示意图； [0052] 图19本发明实施例5提供的另一种透明镜片用太阳能电池器件串联结构示意图； [0053] 图20本发明实施例5提供的另一种透明镜片用太阳能电池器件结构示意图； [0054] 附图标记说明： [0055] 阳极层1；阳极辅助金属电极11；第二阳极层12；阳极PAD13； [0056] 光伏层2；空穴传输层21、活性层22；电子传输层23； [0057] 阴极层3；阴极辅助金属电极31；阴极PAD32； [0058] 辅助金属电极图案41；单节太阳能电池42； [0059] 第一节电池51；第二节电池52；第三节电池53；第四节电池54；第五节电池55。 具体实施方式[0060] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。 [0061] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0062] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。 [0063] 为解决现有技术中存在的问题，本发明具体实施方式部分提供了一种太阳能电池器件，该太阳能电池器件在阳极层1上和/或阴极层3上设置阳极辅助金属电极11或阴极辅助金属电极31，辅助金属电极采用银、铝、铜等高导电率的金属单质或合金制成，为了进一步优化该太阳能电池器件的应用，提升器件的外观效果，在辅助金属电极底层还设有黑化金属。一些实施例还给出了该太阳能电池器件的制备方法及其应用。 [0064] 实施例1 [0065] 本实施例提供了一种太阳能电池器件，将太阳能电池的两个电极分别设置在长方形器件的两个长边，并且在阳极层1或阴极层3表面设置低电阻率的辅助金属电极。 [0066] 如图1所示，太阳能电池器件包括基板，基板的一个表面层叠设置阳极层1、光伏层2和阴极层3；其中，光伏层2包括层叠设置的空穴传输层21、活性层22和电子传输层23；优选的，还包括辅助金属电极。优选的，辅助金属电极的材料为银、铝、铜等高导电率的金属单质或合金。 [0067] 优选的，当太阳能电池器件是非透明型电池器件时，如图1所示，将阳极辅助金属电极11设于透明阳极层1和光伏层2之间，由于辅助金属电极的导通性远远优于透明阳极层1，当器件受光产生“激子”后，载流子会优先流向电阻率低的辅助金属电极，再经过辅助金属电极快速传输至阳极层1收集端，避免了载流子“空穴”在高阻抗的透明电极中长时间、长距离的传导导致的消耗，大大提高了器件的光电转换效率。 [0068] 在一种优选的实施方式中，为了降低辅助金属电极的反射率，提高器件的外观效果，可进一步在所述辅助金属电极的底层设置一层黑化金属，其中，黑化金属为氧化钼、氧化铜、氧化钨等材质。 [0069] 如图2所示，优选的，还包括第二阳极层12，第二阳极层12设于辅助金属电极和光伏层2之间，与光伏层2直接接触。使得与光伏层2直接接触的仍然为高功函数的透明电极，而非低功函数的金属材料，保证太阳能器件的阳极层1的能级能够与光伏层2相匹配，在提高透明阳极层1的导电性的同时，进一步保证器件的效率不受能级匹配的影响。 [0070] 优选的，当太阳能电池器件是透明型电池器件时，如图3所示，在太阳能电池器件的透明阳极层1和光伏层2之间设置阳极辅助金属电极11，同时在阴极层3和光伏层2之间也设置阴极辅助金属电极31，提高器件的光电转换效率。 [0071] 优选的，当太阳能电池器件为单结器件时，阳极辅助金属电极11将阳极层1在平面上分割为多个面积相当或相近的区域，每个区域内相邻两条辅助金属电极的最大距离小于等于20mm。 [0072] 优选的，当太阳能电池器件为多结串联器件，相邻两结电池的正极与负极采用阳2 极辅助金属电极11或阴极辅助金属电极31相连结，每结的最大面积不超过10cm。 [0073] 实施例2 [0074] 本实施例提供一种太阳能电池器件的制备方法，当太阳能电子器件是非透明型时，该方法包括： [0076] 2.在阳极层1上进行阳极辅助金属电极11镀膜，辅助金属电极采用高导电率的银、铝、铜、金、钼、钛等金属单质或合金； [0077] 在一些优选的实施方式中，还包括步骤2.1： [0078] 在阳极辅助金属电极11的底层先制作一层黑化金属，作为辅助金属电极的底层。黑化金属为氧化钼、氧化铜、氧化钨等材质。 [0079] 在一些优选的实施方式中，还包括步骤2.2： [0080] 第二阳极层12镀膜，将阳极辅助金属电极11设于两层阳极层1之间，第二阳极层12与光伏层2直接接触。 [0081] 3.光伏层2镀膜，光伏层2镀膜依次包括空穴传输层21涂布、活性层22涂布和电子传输层23涂布； [0083] 当太阳能电子器件是透明型时，该方法包括： [0084] 1.在基板的一个表面进行阳极层1镀膜，阳极层1为厚度≤20nm的金属或合金薄膜、透明导电氧化物、石墨烯、碳纳米管等材料； [0085] 2.在阳极层1上进行阳极辅助金属电极11镀膜，辅助金属电极采用高导电率的银、铝、铜、金、钼、钛等金属单质或合金； [0086] 在一些优选的实施方式中，还包括步骤2.1： [0087] 在阳极辅助金属电极11的底层先制作一层黑化金属，作为辅助金属电极的底层。黑化金属为氧化钼、氧化铜、氧化钨等材质。 [0088] 在一些优选的实施方式中，还包括步骤2.2： [0089] 第二阳极层12镀膜，将阳极辅助金属电极11设于两层阳极层1之间，第二阳极层12与光伏层2直接接触。 [0090] 3.光伏层2镀膜，光伏层2镀膜依次包括空穴传输层21涂布、活性层22涂布和电子传输层23涂布； [0091] 4.在光伏层2上进行阴极辅助金属电极31镀膜； [0092] 5.阴极层3镀膜，阴极层3为厚度≤20nm的金属或合金薄膜、透明导电氧化物、石墨烯、碳纳米管等材料。 [0093] 实施例3 [0094] 本实施例提供一种手表用太阳能电池器件，包括如实施例1的非透明型太阳能电池器件。 [0095] 如图4‑图5，透明阳极层1设计为手表形式，连接阳极PAD13，阴极PAD32，在透明阳极层1的最外围设置阳极层1的阳极辅助金属电极11，在阳极辅助金属电极11上设置光伏层2，光伏层2上设置阴极层3。如图4所示，最后一幅图是阳极层1、阳极辅助金属电极11、光伏层2和阴极层3的套合图案。优选的，为了降低辅助金属电极的反射率，提高器件的外观效果，在辅助金属电极底层设有一层黑化金属，黑化金属化合物包括但不限于氧化钼、氧化铜、氧化钨、氮化铜等。 [0096] 优选的，在未采用黑化金属时，亦可借助高精度设备，将阳极辅助金属电极11制作为线宽仅为1‑5μm的金属线，使得用户无法目视可见此极细的辅助金属线，同时又可达到降低透明电极电阻的目的。 [0097] 优选的，所述阳极辅助金属电极11及黑化金属的总厚度小于等于光伏层2即空穴传输层21、活性层22及电子传输层23总厚度的三分之一，避免阴极与阳极之间发生短路的情况。 [0098] 在一些实施方式中，如图6‑图7，将阳极辅助金属电极11延伸到整个器件中去，将辅助金属电极延伸到整个器件中，可以更好的提高光电转换效率。 [0099] 实施例4 [0100] 本实施例提供一种电子设备可充电后盖或保护壳用太阳能电池器件，包含实施例1中非透明型太阳能电池器件。 [0101] 优选的，当采用单结太阳能电池器件时，阳极辅助金属电极11将阳极层1在平面上分割为多个面积相当或相近的区域，每个区域内相邻两条辅助金属电极的最大距离小于等于20mm。 [0102] 如图8，其中，优选的，阳极辅助金属电极11及黑化金属呈图案形式排布，如天文图案、花草树木、几何图案或卡通形象等。 [0103] 如图9，优选的，当采用多结串联太阳能电池器件时，相邻两结电池的正极与负极2 采用阳极辅助金属电极11相连结，每结的最大面积不超过10cm。每结电池内采用条状的辅助金属电极作为降低每结内透明电极电阻的一种方法。呈现美轮美奂的外观图像的同时，起到降低透明阳极层1面电阻、收集载流子的作用。 [0104] 实施例5 [0105] 本实施例提供一种透明镜片用太阳能电池器件，包含实施例1中透明型太阳能电池器件。如图10所示，为本实施例透明镜片用太阳能电池器件结构示意图，太阳能电池器件为多结串联器件，由五节太阳能电池串联而成，其中，第一节电池51位于镜片的中心。第二节电池52与第一节电池51串联，位于第一节电池51的外周，包围第一节电池51；第三节电池53与第二节电池52串联；位于第二节电池52的外周，包围第二节电池52；第四节电池54与第三节电池53串联，位于第三节电池53的外周，包围第三节电池53；第五节电池55与第四节电池54串联，位于第四节电池54的外周，包围第四节电池54；五节电池呈涡旋式排列。 [0106] 优选的，考虑到产品外观因素，将阳极辅助金属电极11和阴极辅助金属电极31的宽度控制在100μm以内，另外，为了进一步提高辅助金属电极的隐蔽性，可以采用黑化金属作为辅助金属电极的打底层，进一步降低辅助金属电极的反射，提升镜片的外观效果。 [0107] 优选的，设于阳极层1和光伏层2之间的阳极辅助金属电极11为金属或合金材质，采用黄光制程于光伏层2涂布之前制作而成。位于阴极层3和光伏层2之间之间的阴极辅助金属电极31的材质与阴极层3的材质一致，在光伏层2涂布后、阴极蒸镀过程中由阴极材料制作而成，作用是将相邻结的正极与负极相连，形成多节串联的结构。 [0108] 参考图11‑17，太阳能电池器件的五节电池相互串联，阴极层3与阳极层1套合在一起，形成串联结构。每节电池的阴极层3上设置的阴极辅助金属电极31将相邻的正极与负极相连，形成多节串联的结构。 [0109] 如图18，还给出第二种透明镜片用太阳能电池器件结构示意，太阳能电池器件为多结串联器件，由五节太阳能电池串联而成，其中，第一节电池51位于镜片的中心。太阳能电池的第二节电池52与第一节电池51串联，位于第一节电池51的右上角；第三节电池53与第二节电池52串联，位于第一节电池51的左上角；第四节电池54与第三节电池53串联，位于第一节电池51的左下角；第五节电池55与第四节电池54串联，位于第一节电池51的右下角；第二节、第三节、第四节和第五节电池55相互串联将第一节电池51包围。 [0110] 如图19，太阳能电池器件的五节电池相互串联，阴极层3与阳极层1套合在一起，形成串联结构。每节电池的阴极层3上设置的阴极辅助金属电极31将相邻的正极与负极相连，形成多节串联的结构。 [0111] 如图20，还给出了第三种透明镜片用太阳能电池器件结构示意，太阳能电池器件为多结串联器件，由五节太阳能电池串联而成，其中，第一节电池51位于镜片的中心。太阳能电池的第二节电池52与第一节电池51串联，位于第一节电池51的上方；第三节电池53与第二节电池52串联，位于第一节电池51的左侧；第四节电池54与第三节电池53串联，位于第一节电池51的下方；第五节电池55与第四节电池54串联，位于第一节电池51的右侧；第二节、第三节、第四节和第五节电池55相互串联将第一节电池51包围。 |
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