CN111540803B - 一种太阳能电池组件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能电池组件及其制作方法，属于电池领域。太阳能电池组件包括多个串联电连接的电池片，以及将串联后的电池片与负载连接的接线盒。其中的电池片包括通过隧穿层复合为一体的钙钛矿电池和硅基电池。该电池组件是一种正反面均可以作为入射光的受光面并进行发电。
Description
技术领域
本申请涉及光伏领域，具体而言，涉及一种太阳能电池组件及其制作方法。
背景技术
太阳能电池具有独特的优异性能，从而在多种新能源方式中获得了众多的关注和巨大的发展。目前太阳能电池的由于光电转换效率高、成本低、制作简单等突出优点，钙钛矿太阳能电池光成为最具前景的阳能电池之一并且成为研究热点。
目前，太阳电池的效率取得在20％以上的优异效果。这些电池一般硅基电池。为了充分地利用不同电池的优势，尝试通过结合不同类型的电池以提高太阳能利用率。
发明内容
基于上述的不足，本申请提供了一种具有被改善的使用寿命的太阳能电池组件及其制作方法。
本申请是这样实现的：
在第一方面，本申请的示例提供了一种太阳能电池组件。其包括：串联电连接的多个电池片、用于将多个电池片与负载连接的接线盒。
其中，电池片包括钙钛矿电池、隧穿层以及基于硅材料的异质结电池。钙钛矿电池通过隧穿层与异质结电池复合。
钙钛矿电池是电池片的顶电池，且正面通过第一透明导电层设置上电极。
异质结电池是电池片的底电池，且其正面具有第一叠层区、位于第一叠层区外侧的第二叠层区。并且，第一叠层区设置副电极，异质结电池的背面通过第二透明导电层设置下电极。
隧穿层包括位于两侧的上表面和下表面。隧穿层被配置为以上表面与钙钛矿电池结合、以下表面与异质结电池的第二叠层区结合，以使钙钛矿电池与异质结电池复合。
在第二方面，本申请的示例提供了一种太阳能电池组件的制作方法，且其包括以下步骤：
太阳能电池组件的制作方法，包括：
制作如上述太阳能电池组件中的电池片；
将多个电池片进行串联，以使全部电池片的上电极串联为第一电极、使全部电池片的副电极串联为第二电极、使全部电池片的下电极串联为第三电极。
将接线盒与第一电极、第二电极以及第三电极连接，且第一电极和第三电极构成第一接线组，第二电极和第三电极构成第二接线组，接线盒能够在第一接线组和第二接线组之间切换。
上述的太阳能电池组件能够在正面和背面进行光线吸收发电。在使用初期，通过设置钙钛矿的正面吸收光线发电。当钙钛矿分解或损坏时，将组件的背面朝向光线，进行背面发电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的太阳能电池组件的结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的太阳能电池组件中的A部的局部放大示意图；
图3示出了本申请实施例提供的太阳能电池组件中的B部的局部放大示意图；
图4示出了本申请实施例提供的太阳能电池组件中的接线盒的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的电池片的结构示意图；
图6示出了图5中的电池片的正面示意图；
图7示出了图5中的电池片的背面示意图。
图标：100-太阳能电池组件；101-电池片；102-接线盒；105-第一接线组；106-第二接线组；201-下电极；202-背面透明导电层；203-非晶硅n层；204-非晶硅i层；205-晶体硅片；206-非晶硅i层；207-非晶硅p层；208-正面透明导电层；209-副电极；210-隧穿层；211-电子传输层；212-吸收层；213-空穴传输层；214-正面透明导电层；215-上电极；301-第二电极；302-第一电极；401-钙钛矿电池；400-异质结电池。
具体实施方式
为了提高光能利用率，示例中实现了一种两种类型的电池，即硅基电池和钙钛矿电池。并且还特别地针对钙钛矿寿命短的问题进行了相应的结构设计，从而使得其使用寿命更长。
本申请是提出的新型电池组件具有双面可发单的电池片，正面可以钙钛矿侧为接受光，当钙钛矿电池因分解等问题而不能继续工作时，将其翻转以背面的硅电池侧接受光。
由此，该组件具有被延长的使用寿命，并且通过结合钙钛矿电池和硅基材料电池，从而使得电池的开路电压等电学参数被改善。
参阅图1、图2、图3以及图4，该太阳能电池组件100包括接线盒102和由多个电池片101组成的电池组。其中的电池组是采用多个(图1中为60个，其它示例中可以根据设计具有各种不等数量的电池组，例如也可以是72个电池版式的组件)电池片串联构成的。并且，电池片呈阵列方式排布，图1中为横向10个电池片为一串，总共在纵向排列6串。各个串之间首尾连接，同一串内的电池片串接。在本申请的其它示例中，电池组也可以包括一个或多个(如两个及其以上)的电池串。
该电池组件能够通过接线盒与负载和各种用电设备连接。并且，如前述，该太阳能电池组件100具有的电池片101能够双面发电。因此，为了适用于这样的特性，方便在电池组件翻转时进行相应地使用，接线盒102具有可选地切换的第一接线组105和第二接线组106。由此，当电池组件进行翻转以利用不同侧发电时，接线盒也可以进行相应的切换调整。
图2和图3分别公开了电池组件的局部连接结构和方式。其中任意一个电池片的内侧三条上电极215分别与其他的电池片的内侧上电极215串联，从而构成第一电极302；相应地，任意一个电池片的外侧两条副电极209分别与其他的电池片的外侧副电极209串联，从而构成第二电极301。需要说明的是，在图2和图3中实心黑色圆圈表示外侧的副电极209与由上电极215构成的第一电极302之间是相互电绝缘的。图3中，黑色圆圈部分为绝缘胶带，将第二电极301和第一电极302隔开。
图4中表示接线盒102的结构，其两端部分可以作为负载的正负极的接入口；其中间部分为接线盒的切换开关部分，例如实线部分的第一接线组105和第二接线组106。
另外，基于实际的使用考虑，可以对该电池组件进行封装，相应地可以采用各种市售或者发明人已知或习得的太阳能电池封装结构(如背板、玻璃、填充胶等等)、装备(如层压机)。
由于电池组件的主要特性和性能取决于其中的电池片的性能，因此以下针对本申请实施例的电池片进行具体说明：
大体上，电池片包括顶电池和底电池。顶电池和底电池均可以吸收光而进行发电。在电池组件的使用前期，顶电池和底电池配合供电。且顶电池失效时，底电池还可以独立地工作以供电。其中的顶电池是基于钙钛矿的电池，底电池是指基于硅基材料的电池。在顶电池和底电池的结合部分存在通过隧穿层，并以此进行结合。
作为电极，电池片具有三个电极，分别是上电极、下电极以及附加的电极(副电极)。电池片前期工作时，主要由上电极和下电极工作；后期，根据选择的目的，其可以由副电极和下电极工作。而这样的两种工作模式可通过对电池组件的翻转使其朝向光线的一面改变，并且通过接线盒切换接线方式而实现。其中，三个电极可以选择为栅指状(栅指电极)。电极的制作材料可以选择是同样的也可以不同的导电材料，例如该导电材料是银、钛铜合金或锡铜合金。当电极为栅指状时，上电极在图中为3条栅线，副电极为两条栅线，下电极为五条栅线。此外，对于其具有的构造可以是：厚度为100纳米至200微米，栅线的宽度在1微米到200微米之间。
在本申请的一种具体可替代示例中，电池片包括钙钛矿电池401、隧穿层210(隧穿结)以及基于硅材料的异质结电池400。该电池片是一种垂直结太阳能电池。
钙钛矿电池401的正面通过第一透明导电层(厚度可以是50纳米至100纳米之间)设置上电极。钙钛矿材料作为光吸收层。其中，还可以具有如空穴传输层、电子传输层，等等。钙钛矿材料具有形如ABX3的结构。其中A为FA,MA,Cs以任意比例混合，B为Pb离子和Sn离子中的一种或两种；X选自I离子、Cl离子和Br离子中的至少一种。
例如FAPbI3、MAPb(I1-xBrx)3、MAPbI1-x(SCN)x、(BA)2(MA)n-1PbnI3n+1，等等。本申请示例中，钙钛矿电池中的钙钛矿材料是FA1-xCsxPbI3，且其中0.1<x<0.3。
异质结电池400的正面具有第一叠层区、位于第一叠层区外侧的第二叠层区。其中第一叠层区设置副电极，且可通过透明导电层(厚度可以是50纳米至100纳米之间)设置副电极。异质结电池的背面通过第二透明导电层(厚度可以是50纳米至100纳米之间)设置有下电极。异质结电池可以使用单晶硅电磁或者多晶硅电池。
隧穿层210在电池片的厚度方向的两侧分别是上表面和下表面。其中，上表面与钙钛矿电池结合、以下表面与基于硅材料的异质结电池的第二叠层区结合，从而是顶电池和底电池复合。
在部分示例中，异质结电池的结构为A1BA2BC1或A1BC2BC1的叠层结构。其中，A1表示N型非晶硅层，A2表示N型单晶硅层，B表示本征非晶硅层，C1表示P型非晶硅层，C1表示P型晶体硅层。在A1BA2BC1和A1BC2BC1两种结构中，各层所采用的材料可以是相同，也可以是不同的；相似地，各层的厚度也可以是根据需要自行选择，而无需做出特别限定。相应地，对于该异质结电池，钙钛矿电池具有形如EPH的叠层结构，其中，E表示电子传输层，P表示钙钛矿层，H表示空穴传输层。
基于上述之结构的电池片的结构参阅图5，图6以及图7。其中，图5为电池片的主视图，并示出了电池的一个侧面的结构。图6为电池片的俯视图，并示出了电池正面的电极分布。图7为电池片的仰视图，并示出了电池背面的电极分布。
图示的结构中，电池片是基于钙钛矿/SHJ的叠层电池，且具有双面发电的特性。其由下及上依次具有下述之结构。
下电极201可采用银、铜，以丝网印刷的方式制作。背面透明导电层202可以选择氧化铟锡(ITO)、氧化铟钨(IWO)、掺铝氧化锌AZO或掺硼氧化锌BZO制作。非晶硅n层203厚度为2nm到200nm。非晶硅i层204(本征非晶硅)其厚度为2nm到50nm。晶体硅片205可以是n型硅片或者p型硅片，厚度为150微米到250微米。非晶硅i层206厚度为2nm到50nm。非晶硅p层207厚度为2nm到100nm。
上述的非晶硅n层203到非晶硅p层207膜层共同组成SHJ电池。并且该SHJ电池的正面的一部分与隧穿层210接触，另一部分通过正面透明导电层208与副电极209接触。SHJ电池背面的负极(作为前述下电极201的实例)与背面透明导电层202接触。
钙钛矿太阳电池的背面设置电子传输层211。钙钛矿太阳电池的吸收层212的制作材料为FA1-xCsxPbI3，其中0.1<x<0.3。钙钛矿太阳电池的背面设置空穴传输层213，可以选用氧化镍NiO或者硫氰酸亚铜，厚度为5nm到100nm。
正面透明导电层214可以选择使用氧化铟锡(ITO)、氧化铟钨(IWO)，厚度为50nm到150nm。上电极215为正面导电栅线，其材料可以是多种金属的复合材料，例如Ti/Cu，Sn/Cu。
由此，太阳能电池组件的结构被阐明，此外其制作也被简述如下。
首先，制作如电池片，并取60个电池片被用。
其次，将该60个电池片进行串联，并且各个电池片的上电极串联为第一电极、副电极串联为第二电极、下电极串联为第三电极。
再次，将接线盒与第一电极、第二电极以及第三电极连接。将第一电极和第三电极编组为第一接线组，将第二电极和第三电极编组为第二接线组。
以下结合实施例对本申请的一种太阳能电池组件及其制作方法作进一步的详细描述。
实施例1
步骤1.在清洗制绒好的n型硅片上在两个表面通过等离子体增强化学气相沉积各镀一层本征非晶硅层，厚度分别为2nm和5nm。
步骤2.然后在2nm厚的本征非晶硅层上沉积一层p型非晶硅，厚度为10nm。在2nm厚的本征非晶硅层上沉积一层n型非晶硅，厚度为15nm。
步骤3.在n型非晶硅层上通过磁控溅射制备背透明导电层，材料为氧化铟锡，厚度为120nm。
步骤4.在p型非晶硅层上通过磁控溅射，并使用相应的掩模版制备隧穿结(载流子复合层)，和钙钛矿太阳电池的电子传输层。材料为SnO2，厚度为50nm。
步骤5.在p型非晶硅层上使用相对应的模板，通过磁控溅射制备SHJ电池正面氧化铟锡膜层，厚度100nm；再于其上制作副电极。
步骤6.在电子传输层SnO2上沉积钙钛矿吸收层。吸收层材料为FA0.9MA0.1PbI3；沉积方法真空共蒸发。蒸发原材料分别为FAI、MAI、PbI2；FAI蒸发温度为200摄氏度，MAI蒸发温度为120摄氏度，PbI2蒸发温度为400摄氏度。衬底材料的温度为30摄氏度。钙钛矿吸收层膜厚为400nm。
步骤7.在沉积好的钙钛矿吸收层上沉积空穴传输层，材料为聚噻吩乙酸，沉积方法为真空蒸发，原材料蒸发温度为150摄氏度。衬底温度为30摄氏度。膜厚为80nm。
步骤8.在沉积好的空穴传输层上沉积正面透明导电层，材料为氧化铟锡ITO。沉积方法为反应等离子体沉积。沉积膜厚为80nm。
步骤9.在沉积好的前电极透明导电层上通过丝网印刷制备银栅线，银栅线高度为20微米，宽度为50微米。银栅线之间距离为2毫米。
步骤10.在沉积好的背电极透明导电层上通过丝网印刷制备银栅线，银栅线高度为20微米，宽度为50微米。银栅线之间距离为1.5毫米。
步骤11.使用红外低温焊接工艺，焊接温度190度，将正面的2、3、4号主栅线(上电极)串焊在一起，每10片电池焊接成一个电池串，其中所用的助焊剂和焊带采用掺Bi工艺材料，更好的将温度控制再190度。
步骤12.使用红外低温焊接工艺，焊接温度190度，将每个电池串1、5号主栅线(副电极)串焊在一起。
步骤13.在背板玻璃上敷设EVA材料，并将串焊好的电池放置在EVA上。
步骤14.分别将1、5主栅线和2、3、4主栅线进行汇流焊焊带的焊接，每6串电池串，串接为一个组件，同时使用绝缘胶带对1、5主栅的汇流焊带和2、3、4主栅的汇流焊带进行绝缘处理。
步骤15.在电池片上再敷设一层EVA，将丁基胶打在组件玻璃的四周，使用层压机，140度温度，负0.7个大气压的条件，将组件层压15min。
步骤16.层压好的组件，使用A\B胶，将接线盒粘贴于组件侧面。
实施例2
步骤1.在清洗制绒好的n型硅片上在两个表面通过等离子体增强化学气相沉积各镀一层本征非晶硅层，厚度均为5nm。
步骤2.然后在两面的本征非晶硅层上分别沉积一层p型非晶硅和n型非晶硅，其中p型非晶硅厚度为12nm，n型非晶硅厚度为15nm。
步骤3.在n型非晶硅层上通过磁控溅射制备背透明导电层，材料掺铝氧化锌，厚度为200nm。
步骤4.在p型非晶硅上利用相对应的掩模制备SHJ电池正面透明导电层，材料为氧化铟锡，厚度120nm。
步骤5.在p型非晶硅层上通过原子层沉积，利用相对应的掩模制备隧穿结(载流子复合层/空穴和电子复合层)，同时也是钙钛矿太阳电池的电子传输层。材料为TiO2，厚度为40nm。
步骤6.然后在电子传输层TiO2上沉积钙钛矿吸收层。吸收层材料为FA0.7MA0.3PbI3；沉积方法真空共蒸发。蒸发原材料分别为FAI、MAI、PbI2；FAI蒸发温度为200摄氏度，MAI蒸发温度为140摄氏度，PbI2蒸发温度为400摄氏度。衬底材料的温度为30摄氏度。钙钛矿吸收层膜厚为400nm。
步骤7.在沉积好的钙钛矿吸收层上沉积空穴传输层，材料为硫氰酸亚铜，沉积方法为真空蒸发，原材料蒸发温度为120摄氏度。衬底温度为30摄氏度。膜厚为20nm。
步骤8.在沉积好的空穴传输层上沉积正面透明导电层，材料为氧化铟钨IWO。沉积方法为反应等离子体沉积。沉积膜厚为80nm。
步骤9.在沉积好的前电极透明导电层上通过丝网印刷制备银栅线，银栅线高度为15微米，宽度为40微米。银栅线之间距离为2毫米。
步骤10.在沉积好的背电极透明导电层上通过丝网印刷制备银栅线，银栅线高度为15微米，宽度为50微米。银栅线之间距离为1.5毫米。
步骤11.使用红外低温焊接工艺，焊接温度190度，将2、3、4号主栅串焊在一起，每10片电池焊接成一个电池串，其中所用的助焊剂和焊带采用掺Bi工艺材料，更好的将温度控制再190度。
步骤12.使用红外低温焊接工艺，焊接温度190度，将每个电池串1、5主栅串焊在一起。
步骤13.在背板玻璃上敷设POE材料，并将串焊好的电池放置在POE上。
步骤14.分别将1、5主栅线和2、3、4主栅线进行汇流焊焊带的焊接，每6串电池串，串接为一个组件，同时使用绝缘胶带对1、5主栅的汇流焊带和2、3、4主栅的汇流焊带进行绝缘处理。
步骤15.在电池片上再敷设一层POE，将丁基胶打在组件玻璃的四周，使用层压机，160度温度，负0.7个大气压的条件，将组件层压15min。
步骤16.层压好的组件，使用AB胶，将接线盒102粘贴于组件侧面。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能电池组件，其特征在于，包括：串联电连接的多个电池片、用于将所述多个电池片与负载连接的接线盒；
每个电池片包括：
作为顶电池的钙钛矿电池，且所述钙钛矿电池的正面通过第一透明导电层设置上电极；
作为底电池且基于硅材料的异质结电池，所述异质结电池的正面具有第一叠层区、位于所述第一叠层区外侧的第二叠层区，所述第一叠层区设置副电极，所述异质结电池的背面通过第二透明导电层设置下电极；
隧穿层，具有相对的上表面和下表面，所述隧穿层被配置为以所述上表面与所述钙钛矿电池结合、以所述下表面与所述异质结电池的第二叠层区结合，以使所述钙钛矿电池与所述异质结电池复合；
所述多个电池片以相邻两个电池片的上电极导电连接的串联方式构成第一电极，所述多个电池片以相邻两个电池片的副电极导电连接的串联方式构成第二电极，所述多个电池片以相邻两个电池片的下电极导电连接的串联方式构成第三电极；
所述接线盒具有切换的第一接线组和第二接线组，所述第一接线组包括第一电极和第三电极，所述第二接线组包括第二电极和第三电极。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述多个电池片包括至少两个电池串。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述异质结电池为单晶硅电池或多晶硅电池。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述异质结电池具有形如A1BA2BC1或A1BC2BC1的叠层结构，其中，A1表示N型非晶硅层，A2表示N型单晶硅层，B表示本征非晶硅层，C1表示P型非晶硅层，C2表示P型晶体硅层。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述钙钛矿电池具有形如EPH的叠层结构，其中，E表示电子传输层，P表示钙钛矿层，H表示空穴传输层。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述上电极、所述下电极以及所述副电极均为栅线电极。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述上电极具有三条栅线，所述副电极具有两条栅线，所述下电极具有五条栅线。
8.根据权利要求6或7所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述栅线电极的厚度为100纳米至200微米，每条栅线的宽度在1微米到200微米之间。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池组件，其特征在于，所述第一透明导电层的厚度、所述第二透明导电层的厚度相同且均被限定在50纳米至100纳米之间。
10.一种太阳能电池组件的制作方法，其特征在于，包括：
制作如权利要求1至9中任意一项所述的太阳能电池组件中的电池片；
将多个电池片进行串联，以使全部电池片的上电极串联为第一电极、使全部电池片的副电极串联为第二电极、使全部电池片的下电极串联为第三电极；
将接线盒与第一电极、第二电极以及第三电极连接，且第一电极和第三电极构成第一接线组，第二电极和第三电极构成第二接线组，所述接线盒在第一接线组和第二接线组之间切换。
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