Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前，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)電受到各國普遍關注。目前，產(chǎn)業(yè)化晶體硅的電池轉換效率穩(wěn)定約19% (單晶)和17?18% (多晶)，進一步提升效率存在技術和成本的制約瓶頸。盡管一些高效硅電池技術不斷得以提出，但是這些高效太陽電池制備工藝復雜、量產(chǎn)中品質(zhì)不易控制、對設備要求高，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”的新型電池技術引起了科研人員的廣泛關注，其電池轉換效率在短短的數(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具有相似晶體結構的有機-無機雜化物體系的總稱。鈣鈦礦具有復雜的電學和光學特性，從而使得具有不同工作機理的、構造各異的電池結構得到發(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 結太陽電池(HTM-free mesoscopic p-n solar cells)、無電子傳輸層的太陽電池(meso-superstructured solar cells)以及具有p-1-n結的平面異質(zhì)結太陽電池(planar heterojunct1n solar cells)。
[0004]盡管小面積鈣鈦礦太陽電池的效率不斷提升、電池結構趨于多樣化。然而，對于所有結構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，簡單的工藝也會在成電池中缺陷的產(chǎn)生，導致電池的開路電壓和填充因子隨著局部漏電流的增加而快速降低。同時，由于封裝結構的欠缺，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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件，它不僅保證了光電轉換效率，而且降低了鈣鈦礦太陽電池大面積化過程中歐姆接觸電阻對電池組件性能的影響。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是:一種Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件，它包括:
[0007]對電極基板；
[0008]光陽極基板；
[0009]至少兩個單體鈣鈦礦太陽電池，并且相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池通過絕緣體彼此絕緣設置，所述單體鈣鈦礦太陽電池具有由下自上依次設置的光陽極導電層、電子收集層、光吸收層、空穴傳輸層、催化層和對電極導電層，并且所述光陽極導電層形成在光陽極基板上，所述對電極導電層形成在對電極基板上；
[0010]串聯(lián)導體，所述串聯(lián)導體設置在相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池之間，并且在相鄰的兩個單體鈣鈦礦太陽電池中，串聯(lián)導體的一端與其中一個單體鈣鈦礦太陽電池的對電極導電層相電性連接，串聯(lián)導體的另一端與另外一個單體鈣鈦礦太陽電池的光陽極導電層相電性連接。
[0011]本發(fā)明進一步所要解決的技術問題是:減小實際應用環(huán)境對鈣鈦礦太陽電池的損害，保證鈣鈦礦太陽電池組件的長期穩(wěn)定性，Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件還包括封裝機構，該封裝機構將所有單體鈣鈦礦太陽電池封裝在內(nèi)，所述封裝機構包括對電極基板、光陽極基板和四周封體。
[0012]進一步，在對電極基板和光陽極基板中，其中一個由玻璃制成，另外一個由玻璃或陶瓷或TPT聚氟乙烯復合膜制成。
[0013]進一步為了給光吸收材料提供一個較大的比表面積，使光吸收材料均勻吸附在支架層表面，Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件還包括支架層，所述支架層用于吸附光吸收層。
[0014]進一步，所述的支架層為納米多孔薄膜支架層，并且支架層由金屬氧化物半導體或金屬氧化物絕緣體制成。
[0015]進一步，所述的光吸收層由有機-無機類鈣鈦礦薄膜制成。
[0016]進一步，所述的電子收集層為致密金屬氧化物半導體薄膜。
[0017]進一步，所述的絕緣體由玻璃或陶瓷或有機高分子材料制成。
[0018]本發(fā)明還提供了一種Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件的制備方法，該方法的步驟如下:
[0019](I)提供一光陽極基板和一對電極基板；
[0020](2)在光陽極基板上由下至上依次制備光陽極導電層、電子收集層、光吸收層和空穴傳輸層，其中，制備光陽極導電層時需要對光陽極導電層進行織構化處理；在對電極基板上由上至下依次制備對電極導電層和催化層，形成上半成品，其中，制備電極導電層時需要對對電極導電層進行織構化處理；
[0021](3)將絕緣體和串聯(lián)導體設置在光陽極基板和光陽極導電層上，形成下半成品；
[0022](4)將下半成品和上半成品對應好串聯(lián)導體和絕緣體的相對應的位置，壓合上半成品和下半成品，四周封體經(jīng)加熱固化后，形成Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件；在這過程中，絕緣體和串聯(lián)導體位于相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池之間，并且絕緣體將相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池彼此絕緣，并確保在相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池中，串聯(lián)導體的一端與其中一個單體鈣鈦礦太陽電池的對電極導電層相電性連接，串聯(lián)導體的另一端與另外一個單體單體鈣鈦礦太陽電池的光陽極導電層相電性連接。
[0023]進一步，在所述的步驟(2)中，光陽極導電層形成在光陽極基板上的方法和對電極導電層形成在對電極基板的方法為:將相應導電層通過掩膜蒸鍍法或濺射法或印刷法或溶膠凝膠法制備在相應的基板上，然后通過掩膜方法按照設計的織構化圖形對基板進行處理，得到織構化處理的導電層，或者是然后通過激光刻蝕或化學刻蝕的方法直接去除部分導電層，得到織構化處理的導電層。
[0024]進一步，在所述的步驟(2)中，制備電子收集層的方法為:將半導體材料的料漿通過旋涂法或印刷法或溶膠凝膠法在光陽極導電層上制膜，并經(jīng)過150-550°C的燒結處理后，得到電子收集層。
[0025]進一步，在所述的步驟(2)中，制備光吸收層的方法為:先通過旋涂法或印刷法或溶膠凝膠法在電子收集層上制膜，并經(jīng)過150-550°C的燒結處理形成一層支架層，然后通過在支架層之上旋涂、印刷鈣鈦礦的分散液，經(jīng)70-170°C的燒結處理制備得到吸附在支架層表面的光吸收層；或者是先通過旋涂法或印刷法或溶膠凝膠法在電子收集層上制膜，并經(jīng)過150-550°C的燒結處理形成一層支架層，然后在支架層上制備一層鈣鈦礦前驅反應物的薄膜，并將樣片浸于鈣鈦礦另一反應物的溶液，再經(jīng)70-170°C的燒結處理后，制備出吸附在支架層表面的鈣鈦礦光吸收層；或者是采用化學氣相沉積法或物理沉積法或蒸鍍法直接在電子收集層上形成一層光吸收層。
[0026]進一步，在所述的步驟(2)中，在光吸收層上通過旋涂或印刷具有空穴傳輸材料的分散液，并經(jīng)干燥處理后，形成空穴傳輸層。
[0027]采用了上述技術方案后，本發(fā)明通過合理設計單體鈣鈦礦太陽電池之間的串聯(lián)方法以及組件封裝方式，串聯(lián)方法降低了鈣鈦礦太陽電池大面積化過程中歐姆接觸電阻對電池組件性能的影響，組件封裝方式減小了實際應用環(huán)境對鈣鈦礦太陽電池組件的損害，保證了鈣鈦礦太陽電池組件的長期穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件的結構示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的單體鈣鈦礦太陽電池的第一種結構的結構示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的單體鈣鈦礦太陽電池的第二種結構的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0032]如圖1?2所示，一種Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件，其特征在于，它包括:
[0033]對電極基板I ;
[0034]光陽極基板2;
[0035]至少兩個單體鈣鈦礦太陽電池，并且相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池通過絕緣體3彼此絕緣設置，所述單體鈣鈦礦太陽電池具有由下自上依次設置的光陽極導電層4、電子收集層5、光吸收層6、空穴傳輸層7、催化層8和對電極導電層9，并且所述光陽極導電層4形成在光陽極基板2上，對電極導電層9形成在對電極基板I上；光陽極導電層4和對電極導電層9可以是FTO薄膜，也可以是ITO薄膜；空穴傳輸層由Spiro-OMeTAD薄膜或PEDOT:PSS薄膜或CuI薄膜構成；催化層是由一層形成在對電極導電層9上的金屬或非金屬的催化薄膜構成，該催化材料可以是Pt或Au或炭黑，催化層通過濺射、蒸鍍方法形成；
[0036]串聯(lián)導體10，串聯(lián)導體10設置在相鄰的單體鈣鈦礦太陽電池之間，并且在相鄰的兩個單體鈣鈦礦太陽電池中，串聯(lián)導體10的一端與其中一個單體鈣鈦礦太陽電池的對電極導電層9相電性連接，串聯(lián)導體10的另一端與另外一個單體鈣鈦礦太陽電池的光陽極導電層4相電性連接。單體鈣鈦礦太陽電池電極間串聯(lián)導體18由金屬或者合金構成，可以將串聯(lián)導體18的料漿印刷在光陽極導電層4上，經(jīng)過熱承壓固化后，在光陽極導電層和對電極導電層之間形成Z型串聯(lián)結構。
[0037]Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件還包括封裝機構，該封裝機構將所有單體鈣鈦礦太陽電池封裝在內(nèi)，封裝機構包括對電極基板1、光陽極基板2和四周封體11 ;四周封體11由玻璃、陶瓷、有機高分子材料或其它絕緣材料構成。
[0038]在對電極基板I和光陽極基板2中，其中一個由玻璃制成，另外一個由玻璃或陶瓷或TPT聚氟乙烯復合膜制成。
[0039]Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件還包括支架層13，支架層13上吸附有光吸收層6。
[0040]支架層13為納米多孔薄膜支架層，并且支架層13由金屬氧化物半導體或金屬氧化物絕緣體制成。
[0041]光吸收層6由有機-無機類鈣鈦礦薄膜制成，有機-無機類鈣鈦礦可用(RNH3)BXmY3_m 表示，其中 RSCnH2n+1，n= 1，2，3 等；B 為 Pb 或 Sn ;X 為鹵素 Cl、Br 或者 I ;m= 1，2，3。
[0042]電子收集層5為致密的金屬氧化物半導體薄膜。
[0043]絕緣體3由玻璃或陶瓷或有機高分子材料制成，也可以由其他絕緣材料制成。
[0044]一種Z型串聯(lián)鈣鈦礦太陽電池組件的制備方法，該方法的步驟如下: