一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，采用本发明专利技术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。

A low damage perovskite solar cell and its encapsulation method

The invention relates to a low damage perovskite solar cell and a packaging method thereof. The perovskite solar cell comprises a bottom-up conductive substrate layer, an electron transport layer, a perovskite light absorbing layer, an electron transport layer, a metal electrode layer, an inorganic protective layer and a ceramic packaging layer. The present invention mainly solves the problem of irreversible damage to the battery and serious decrease of the efficiency of the battery, which is common in the existing packaging method. Inorganic protective layer is evaporated on the surface of the battery by adopting a heat evaporation process with lower energy, and then ceramic packaging layer is formed by magnetron sputtering method. The existence of the inorganic protective layer can be realized. To minimize the damage of sputtering to perovskite solar cells. Practice shows that the perovskite solar cell prepared by the packaging method has stable performance, high efficiency and low attenuation, and is especially suitable for packaging large area battery modules.

【技术实现步骤摘要】
一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法
本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种低损伤钙钛矿太阳能电池及其封装方法。
技术介绍
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。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。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。本专利技术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。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。
技术实现思路
本专利技术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：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。进一步的，所述保护层为热蒸镀形成的氧化钼或氧化钒等无机物薄膜。进一步的，所述封装层为磁控溅射形成的氧化铝、氧化硅或氮化硅等陶瓷材料薄膜。进一步的，所述保护层的厚度为60-100nm，所述封装层的厚度为500-700nm。保护层与封装层的厚度并非任意选定，两者均有合适的厚度范围，厚度匹配才能实现最好的封装效果。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。本专利技术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。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。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。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。本专利技术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。与现有技术相比，本专利技术还具有以下有益效果：(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；(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；(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；(4)工艺简单，封装效率高，尤其适用于大面积钙钛矿太阳能电池组件的封装。附图说明图1为本专利技术封装所得钙钛矿太阳能电池的结构图；图2为本专利技术实施例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；图3为本专利技术对比例3中氧化钼保护层的表面形貌图；图4为本专利技术实施例5中氧化铝封装层的表面形貌图。图5为本专利技术实施例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。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术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。本专利技术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/本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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，所述保护层为氧化钼或氧化钒类无机物薄膜，所述封装层为氧化铝、氧化硅或氮化硅类陶瓷材料薄膜。

【技术特征摘要】
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，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，所述保护层为氧化钼或氧化钒类无机物薄膜，所述封装层为氧化铝、氧化硅或氮化硅类陶瓷材料薄膜。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.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：所述保护层通过热蒸镀形成，所述封装层通过磁控溅射形成。5.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：所述导电基底为FTO玻璃，电子传输层分别为TIO2和Spiro-OMeTAD，钙钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勇，何江，刘三万，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42