一种封装的钙钛矿太阳能电池及封装方法与流程

专利2022-06-29 45

本发明涉及光伏技术领域，特别涉及一种封装的钙钛矿太阳能电池及封装方法。

背景技术：

钙钛矿太阳能电池采用有机无机杂化钙钛矿材料作为光吸收层，其具有的带隙连续可调、光吸收系数高、载流子扩散距离长、制备方法简单等优异特性，使它成为新一代光伏器件的理想光吸收材料。钛矿太阳能电池自从2009年发明以来，效率不断突破，目前最高认证效率达25.2%。然而钙钛矿电池实现商业化应用还需解决大尺寸规模化制备、改善长期环境稳定性等技术难题。钙钛矿太阳能电池长时间暴露在空气中，其稳定性受环境中水氧影响较大，因此钙钛矿实际应用前需进行封装。

通常在进行钙钛矿太阳能电池封装时，将钙钛矿电池设置在上下两块基板之间，基板中间和电池四周设有用于封装的填充材料，此外基板四边还设有密封材料进一步封装。填充材料通常采用抽真空加热固化封装工艺，但加热的过程中，由于温度较高可能导致钙钛矿层分解。此外，对于封装的钙钛矿电池，为将电池正负电极引出用于测试或连接负载，电池正负极通常采用从四边密封胶的边缘或上下盖板打孔的方式引出，例如，专利文献1中，正负极引出端部分与边缘封装胶接触，接触部分造成的间隙可能诱导水氧进入；非专利文献1中，与正负极连接的金属导带从四边密封胶中间引出，金属导带在层压过程中可能会移动从而引入水氧，且封装后水氧仍可能沿着金属导带进入封装电池内部，造成对钙钛矿材料的破坏；专利文献2中，将导电焊带分别将钙钛矿太阳能电池组件的正负极引至背板留孔区域，背板留孔位置需要额外封装，可能会出现封装效果不理想导致水汽进入，引起钙钛矿分解。

现有技术文献：

专利文献1：cn208923201u

专利文献2：cn109427977a

非专利文献1：r.cheacharoen等著，《可持续能源燃料》，2018年2月出版，第2398-2406页。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种封装的钙钛矿太阳能电池及封装方法，一方面本发明提供的封装结构能够有效阻隔水氧对钙钛矿电池的影响，提高钙钛矿电池在空气中使用时的稳定性；另一方面本发明提供的封装方法，能够有效降低封装过程钙钛矿电池性能的衰减。

本发明提供一种封装的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括：

透明导电衬底；

钙钛矿太阳能电池组件，位于所述透明导电衬底之上；

封装胶，设于所述透明导电衬底之上且形成封装空间以容纳所述钙钛矿太阳能电池组件；

盖板，边缘与所述封装胶的顶部密封连接，使得所述钙钛矿太阳能电池组件密封于所述封装空间内；以及

总电极，设于所述透明导电衬底且完全位于所述封装空间外部，通过所述透明导电衬底将电子传输至所述总电极。

本发明将总电极单独设置在封装胶外部，并利用透明导电衬底能够导电和传输电子的特性，在避免了封装胶与电极引出部分接触而导致的水氧通过间隙进入封装空间的问题的同时，也不影响电子的传输。

进一步地，所述盖板边缘与所述封装胶外侧边缘对齐。由此，能够保证封装胶的宽度，避免多余的封装胶溢出来，从而达到理想的封装效果。

进一步地，所述总电极包括引出端子，所述引出端子与金属导线或金属箔片电连接，且所述引出端子与所述金属导线或金属箔片的连接处通过密封材料封装保护。由此，防止金属导线或金属箔受实际环境的影响被氧化导致导电性变差，同时加强金属导线与引出端子的连接强度，防止脱落。

进一步地，所述总电极包括导电总栅线，所述导电总栅线与所述封装胶外侧边缘之间形成一间隔。由此，为封装胶压合后可能会有溢出到导电总栅线上的部分预留空间，防止可能溢出的封装胶影响电池正负电极。

进一步地，本发明还包括位于所述钙钛矿太阳能电池组件和所述盖板之间的填充层。在封装过程中，填充层起到使盖板和电池模块粘接在一起的作用，保证盖板的封装效果，在封装完成后，填充层还起到一定的保护作用。

进一步地，所述填充层与所述封装胶之间设有2mm~5mm的间隙，且所述填充层顶部与所述封装胶顶部的高度差为0.1mm~0.3mm。由此，能够保证填充层材料熔融固化后完全填充在盖板、电池以及封装胶形成的空间中，且不会从封装胶中溢出而影响封装效果。

进一步地，所述钙钛矿太阳能电池组件包括至少一个钙钛矿太阳能电池单元，当所述钙钛矿太阳能电池单元数量为两个或多个时，两个或多个所述钙钛矿太阳能电池单元之间串并联连接。

本发明还提供一种封装的钙钛矿太阳能电池的封装方法，其特征在于，包括：

步骤一：将透明导电衬底和钙钛矿太阳能电池组件、封装胶及盖板按照自下而上的顺序依次叠放，得到叠放后的电池；

步骤二：将层压机加热板升温加热后，将所述叠放后的电池放入所述层压机加热板中，通过所述层压机加热板对所述叠放后的电池进行抽真空、加压和层压，得到封装好的电池；

步骤三：将所述封装好的电池从所述层压机加热板中取出并冷却。

进一步地，所述钙钛矿太阳能电池组件选用在85℃左右分解的材料，将所述层压机加热板升温加热的温度设定为80℃~110℃；或，所述钙钛矿太阳能电池组件选用在150℃左右分解的材料，将所述层压机加热板升温加热的温度设定为110℃~160℃。本发明采用层压工艺进行封装，且针对不同热稳定性的钙钛矿材料设定不同的层压温度参数，保证电池层压后的性能不受影响。

进一步地，将所述层压机加热板的抽真空时间设定为3min~6min；将所述层压机加热板的层压时间设定为8min~15min，压力设定为30kpa~100kpa。在该参数下，填充层可完全填满电池模块和底部基板之间的缝隙，并与基板结合牢固，不会出现气泡、脱层等现象，实现理想的封装效果。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

（1）本发明提供的封装的钙钛矿太阳能电池解决了通常引线从边缘密封胶中穿出从而导致引线将水氧引入电池中的问题，能够有效阻隔水氧对钙钛矿电池的影响，尤其适合对水汽更为敏感的钙钛矿材料的封装，提高钙钛矿电池在空气中使用时的稳定性；

（2）本发明提供的封装的钙钛矿太阳能电池避免了通常将导电焊带分别将钙钛矿太阳能电池的正负极通过引线引至背板留孔区域，背板留孔位置需要额外封装，可能会出现封装效果不理想导致水汽进入，引起钙钛矿分解；

（3）本发明提供的封装的钙钛矿太阳能电池的封装方法，针对不同体系钙钛矿材料选用不同的层压温度，能够有效降低一般层压封装过程钙钛矿电池性能的衰减。

附图说明

图1为本发明封装的钙钛矿太阳能电池的剖面结构示意图；

图2为本发明封装的钙钛矿太阳能电池的正面结构示意图；

图3为本发明实施例1和对比例1中钙钛矿太阳能电池组件的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例2和对比例2中钙钛矿太阳能电池组件的剖面结构示意图；

图5为实施例1中封装前后的钙钛矿太阳能电池组件在am1.5光照下的j-v曲线；

图6为对比例1中封装前后的钙钛矿太阳能电池组件在am1.5光照下的j-v曲线；

图7为实施例2中封装前后的钙钛矿太阳能电池组件在am1.5光照下的j-v曲线；

图8为对比例2中封装前后的钙钛矿太阳能电池组件在am1.5光照下的j-v曲线；

图9为实施例3中封装前后的钙钛矿太阳能电池组件在am1.5光照下的j-v曲线；

附图标记：

1、透明基板；

2、透明导电层；

3、钙钛矿太阳能电池组件；

4、填充层；

5、盖板；

6a、6b、引出端子；

6c、6d、导电总栅线

7、封装胶；

8、刻蚀线；

9、空穴阻挡层；

10、电子传输层；

11、钙钛矿吸光层；

12、空穴传输层；

13、对电极层；

14、绝缘层。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。图中的尺寸，仅为了便于查看，不与实际尺寸成比例。

如图1和图2所示，本发明提供一种封装的钙钛矿太阳能电池，包括：方形的透明导电衬底，包括透明基板1和覆盖于透明基板1上表面的透明导电层2；钙钛矿太阳能电池组件3，设置于所述透明导电层2上表面的中心对称位置，钙钛矿太阳能电池组件3的尺寸略小于透明导电层2；封装胶7，其内部容纳有钙钛矿太阳能电池组件3且设于所述透明导电层2上表面。本实施形态中，如图2所示，封装胶7呈方框状，长度与透明导电衬底的长度相同而其宽度小于透明导电衬底的宽度，换言之，封装胶7长度方向上的两侧与透明导电衬底长度方向上的两侧对齐，而其封装胶7宽度方向上的两侧与透明导电衬底宽度方向上的两侧留有一间距，从而在透明导电衬底的上表面、位于封装胶7宽度方向上的两侧处形成两个未覆盖的外部空间，但封装胶7不限于此，在封装电池组件3的基础上可根据具体需求变更形状；填充层4，在封装胶7所围成的封装空间内填充并覆盖所述钙钛矿太阳能电池组件3上表面，直至与填满所述封装空间；盖板5，具有与封装胶7大致相同尺寸且下表面与所述封装胶7的上表面密封连接，从而将所述钙钛矿太阳能电池组件3密封；以及总电极，设于透明导电层上表面的未覆盖的外部空间，即完全位于封装空间外部，具体地，总电极对称地分别设于前述的两侧外部空间的大致中间部位，仅与透明导电层2接触。

其中，本实施形态中，透明基板1为透明玻璃，透明导电层2为fto透明导电层。透明导电层2满铺于透明基板1的上表面，该透明导电层2的上表面还分布有用于收集电子的导电栅线，总电极包括连接的引出端子6a、6b和导电总栅线6c、6d，导电栅线将电子汇总并通过透明导电层2传输至导电总栅线6c、6d。利用透明导电层2能够导电和传输电子的特性，将总电极单独设置在封装胶外部，从而避免了封装胶与电极引出部分接触而导致的水氧通过间隙进入封装空间的问题的同时，也不影响电子的传输。本实施形态中，导电总栅线6c、6d为长条状的栅线，沿透明导电衬底的长度方向设置，且导电总栅线6c、6d的两端与透明导电衬底在长度方向上的两侧对齐，两个导电总栅线6c、6d分别设置于封装胶7宽度方向上的两侧，用于收集正负极的电子。较佳地，导电总栅线6c、6d的一侧与封装胶7之间留设间距、另一侧与透明导电衬底在宽度方向上的两侧边缘也留设间距。引出端子6a、6b呈长方形，其一侧连接于对应的导电总栅线6c、6d的中部，另一侧与透明导电衬底的边缘对齐。该引出端子6a、6b用于便于与金属导线或金属箔片通过电连接介质电连接或测试，此处的电连接介质包括焊锡或导电胶。且引出端子与金属导线或金属箔片的连接处还通过密封材料封装保护，从而防止金属导线或金属箔受实际环境的影响被氧化导致导电性变差，同时加强金属导线与引出端子的连接强度，防止脱落，所述封装材料为硅胶、丁基胶、环氧树脂或丙烯酸树脂。该导电栅线和导电总栅线的材料分别为金属，包括金、银、铜、或铝中至少一种。导电栅线的宽度为0.01mm~0.5mm，厚度为0.1μm~30μm，与所述钙钛矿太阳能电池组件的边缘至少间隔10μm；所述导电总栅线的宽度为0.02mm~1mm，厚度为0.1μm~30μm；所述引出端子的宽度为2mm~6mm，长度为5mm~10mm，厚度为0.1μm~30μm；所述引出端子与所述钙钛矿太阳能电池组件3的边缘间隔5mm~12mm，所述导电总栅线与所述封装胶7外侧（封装胶7外侧指封装胶7远离封装空间的一侧，下同）边缘形成1mm~2mm的间隔，为封装胶压合后可能会有溢出到导电总栅线上的部分预留空间，防止可能溢出的封装胶影响电池正负极引出。

透明导电层2的上表面的钙钛矿太阳能电池组件3包括至少一个钙钛矿太阳能电池单元。当所述钙钛矿太阳能电池单元数量为两个或多个时，两个或多个所述钙钛矿太阳能电池单元之间串并联连接。该发明主要是对钙钛矿电池的封装，钙钛矿电池可以是单节电池也可以是多节串并联的电池模块，都可以采用该发明的封装结构和方法。如图3所示，钙钛矿太阳能电池单元包括空穴阻挡层9、位于空穴阻挡层9的上表面的电子传输层10、位于电子传输层10的上表面的钙钛矿吸光层11、位于钙钛矿吸光层11的上表面的空穴传输层12以及位于空穴传输层12的上表面的对电极层13，其中对电极层13还覆盖在钙钛矿太阳能电池单元的一侧面。由于钙钛矿吸光层11介于电子传输层10和空穴传输层12之间，使得钙钛矿吸光层11中的电子和空穴分别传输到电子传输层10和空穴传输层12。当钙钛矿太阳能电池单元之间需要串联时，可采用在透明导电层2上设置将相邻钙钛矿太阳能电池单元分隔开的刻蚀线8，并使钙钛矿太阳能电池单元侧面的对电极层13跨过蚀刻线的形式设置钙钛矿太阳能电池单元，从而实现串联。所述钙钛矿吸光层11材料可以是mapbi3、fapbi3、maxfa(1-x)pbi3(0≤x≤1)、cspbi3、cspbixbr3-x(0≤x≤3)、cspbbr3、csx(mayfa1-y)(1-x)pbizbr3-z(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤3)、(pea)2(ma)n-1pbnx3n 1(x=i/br，n≥1)中的一种或多种混合材料。

封装胶7在透明基板1的长度方向上的两侧边缘与透明基板1的边缘对齐，而在透明基板1宽度方向上的两侧边则位于钙钛矿太阳能电池组件3和导电总栅线之间，其内表面紧贴钙钛矿太阳能电池组件3、外表面与导电总栅线之间留设形成1mm~2mm的间隔。封装胶7的材料为丁基胶、硅胶、热塑高分子材料、紫外固化胶或ab组分胶。封装胶7的宽度为3~10mm。

填充层4设置于钙钛矿太阳能电池组件3的上表面，具体是设置于对电极层13的上表面。一方面，在封装过程中，填充层起到使盖板和电池模块粘接在一起的作用，保证盖板的封装效果，另一方面，在封装完成后填充层对于封装空间内的电池组件具有一定的保护功能。盖板5用于封闭封装空间的顶部，其边缘与所述封装胶7外侧边缘对齐，且其边缘的下表面与封装胶7的顶面密封连接，从而能够保证封装胶的宽度，即没有多余的封装胶溢出来，达到理想的封装效果。由于所述封装胶7设置于所述钙钛矿太阳能电池组件3及填充层4的四周，使得所述钙钛矿太阳能电池组件3和填充层4密封于所述透明导电层2、盖板5及封装胶7围成的封装空间内，填充层将该封装空间内钙钛矿太阳能电池组件3和盖板5之间的间隙填满。填充层4的材质为聚乙烯辛烯共弹性体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇缩丁醛和/或有机硅树脂。所述填充层4与所述封装胶7的胶膜之间设有2mm~5mm的间隔；所述填充层4的厚度小于所述封装胶7的厚度，所述填充层4与所述封装胶7顶部的高度差为0.1mm~0.3mm，保证填充层材料熔融固化后完全填充在盖板、电池以及封装胶形成的空间中，且不会从封装胶中溢出，影响封装效果。所述盖板5为超白玻璃、钢化玻璃或金属盖板。

另外，本发明还提出一种封装的钙钛矿太阳能电池的封装方法，包括以下步骤。

步骤一：将透明导电衬底和钙钛矿太阳能电池组件（透明导电衬底和钙钛矿太阳能电池组件为一整体）、填充层、封装胶及盖板按照自下而上的顺序依次叠放，得到叠放后的电池。

步骤二：将层压机加热板升温加热后，将上述叠放后的电池放入层压机加热板中，通过所述层压机加热板对叠放后的电池进行层压处理，该层压处理的过程分为三个阶段，第一阶段为抽真空阶段，第二阶段为加压阶段，第三阶段为层压阶段。

其中，将层压机加热板升温加热的温度范围设定为50℃~180℃。

特别地，对于不同的钙钛矿材料体系选择不同的层压温度：当所述钙钛矿吸光层11选用在85℃左右分解的热稳定性差的材料，且具体是mapbi3、fapbi3、maxfa(1-x)pbi3材料时，将层压机加热板升温加热的温度范围设定为80℃~110℃；当所述钙钛矿吸光层11选用在150℃左右分解的热稳定性好的材料，且具体是cspbi3、cspbixbr3-x、cspbbr3、csx(mayfa1-y)(1-x)pbizbr3-z、(pea)2(ma)n-1pbni3n 1(x=i，br)材料时，将层压机加热板升温加热的温度范围设定为110℃~160℃。其中抽真空时间范围2~10min，加压时间范围5~15s，层压时间范围5~30min。

较佳地，抽真空时间3~6min，层压时间为8~15min，其中层压压力为30~100kpa。

步骤三：层压处理完成后，将封装好的电池取出并冷却。

实施例1

以mapbi3钙钛矿太阳能电池组件的封装为例。其中，钙钛矿太阳能电池组件3包含8节钙钛矿太阳能电池单元，每节单元包括fto层（透明导电层2）、空穴阻挡层9、电子传输层10、mapbi3钙钛矿层（钙钛矿吸光层11）、空穴传输层12、碳对电极层（对电极层13），其中，mapbi3钙钛矿层设置于电子传输层和碳对电极层之间；相邻电池单元的fto层通过刻蚀线8隔开，对电极层跨过刻蚀线与相邻单元电池的fto层相连，实现8节电池单元串联。

如图1，图2和图3所示，本实施例涉及一种封装的钙钛矿太阳能电池组件，电池组件正面为透明基板1，透明基板1选用玻璃基板，玻璃基板上设置的透明导电层2选用fto导电层，透明导电层2上选用8节串联的钙钛矿太阳能电池单元作为钙钛矿太阳能电池组件3，钙钛矿太阳能电池组件3上方的填充层4选用poe胶膜，钙钛矿太阳能电池组件3和poe胶膜四周设置封装胶7，poe胶膜上方的盖板5选用玻璃盖板，透明导电层2上方及封装胶7相对的两侧分别设置正负极导电总栅线6c、6d和引出端子6a、6b（即总电极）。

将未封装的钙钛矿太阳能电池放置于平台上，其中玻璃基板正面朝下；将1层poe胶膜放置在钙钛矿太阳能电池组件3的上方；将封装胶丁基胶敷设于钙钛矿太阳能电池组件3及poe胶膜的四周，其中封装胶上下边缘与透明导电衬底的上下边缘对齐，封装胶相对的边缘分别与导电总栅线和的内侧对齐；将玻璃盖板压住封装胶边缘并贴好。

为保证填充层材料层压后能够完全填充不留气泡且不从四边密封胶中溢出，填充层poe胶膜的尺寸与丁基胶留有5mm间隙；丁基胶的厚度应大于钙钛矿电池组件和填充层的总厚度，本实施例中钙钛矿太阳能电池组件的厚度约为0.1mm，poe胶膜的厚度约为0.45mm，丁基胶的厚度约为0.65mm。

将叠放后的钙钛矿太阳能电池放入层压机，设定温度95℃，抽真空时间5min，加压时间10s，层压时间10min，层压压力为100kpa，待层压处理完成后，将组件取出，待冷却后在am1.5太阳光模拟器下进行光电转换参数测试。

为了使封装后的电池组件便于测试和连接负载，可将正负极引出端子处分别与金属导线或金属箔片连接，为保证连接处的耐候性，可通过硅胶、丁基胶、环氧树脂、丙烯酸树脂封装保护。

表1为本实施例中层压封装前后的钙钛矿太阳能电池在am1.5，100mw/cm²光源下测得的光电转换参数。

表1实施例1中层压封装前后的钙钛矿太阳能电池性能参数（am1.5，100mw/cm2）