钙钛矿太阳能电池组件及其封装方法与流程

本发明涉及光伏技术领域，特别涉及一种钙钛矿太阳能电池组件及其封装方法。

背景技术：

钙钛矿太阳能电池自从2009年发明以来，基于元素地球储量丰富、制备工艺简单、转换效率高等优势，受到世界各地太阳能发电技术领域科研工作者和业界的广泛关注，使其有望实现廉价太阳能发电的核心技术，充分体现了其良好的商业化前景和极大的潜在市场价值。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性和器件尺寸放大一直是制约其高效率商业化应用的关键性难题。目前，大尺寸钙钛矿电池制备技术已经取得了实质性进展，然而，为进一步制备大尺寸钙钛矿电池组件，调节其电压及输出功率，能够接入光伏逆变器实现发电输出并接入电网，还需对钙钛矿电池单元进行串并联连接及进一步封装。

通常钙钛矿太阳能电池组件的封装技术与传统光伏组件的封装结构类似，即将串联或并联的矩阵排布的钙钛矿太阳能电池模块设置在上下两块盖板（通常是两块玻璃或者是玻璃+背膜）之间的三明治结构，并在上下两块基板之间电池片的四周填充和电池片厚度差不多的填充胶膜（通常需要6-10层，厚度达3~6mm），钙钛矿电池模块通过粘结层填充材料以层压加热固化的方式与上下盖板粘接；此外，由于三明治结构上下基板玻璃尺寸大于电池fto玻璃尺寸，因此四周需要额外填充胶膜弥补厚度，为了保证一定的阻水效果，填充胶膜的宽度（即上下基板和电池片边缘的距离）越宽越好，通常该宽度有5~10cm。例如，专利文献1中，提供一种基于钙钛矿太阳能电池的光伏组件及其封装方法，将多个钙钛矿太阳能电池模块通过粘结层和填充层与上下盖板连接，实现对钙钛矿太阳能电池模块的封装与保护。该结构是将多个串并联的钙钛矿太阳能电池模块进行整体性封装，因此对封装材料的阻水效果要求非常高，且钙钛矿太阳能电池单元模块通常包含透明衬底基板，电池本身具有一定的厚度，因此该封装结构的组件通常需要较厚及较宽的填充层材料，以达到理想的阻水效果及填充效果；此外，该结构中串并联的钙钛矿太阳能电池模块是作为整体被封装在上下盖板之间，若其中一片电池损坏，则难以更换，从而影响整块组件的发电性能。

现有技术文献：

专利文献1：201810703852.5。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种钙钛矿太阳能电池组件及其封装方法。钙钛矿太阳能电池组件中的单个电池模块能便于更换，从而解决了使用过程中若发生单个钙钛矿电池模块损坏影响整体组件发电性能的问题，且本发明的结构只有底部一块基板，不需要在四周额外填充胶膜，且由于除去玻璃基板的电池本身厚度只有微米级，因此只需在电池片和基板之间设置1层填充层（厚度0.4~0.6mm），解决了现有组件结构中需要较厚较宽的填充层材料的问题，并具有更好的阻水效果。此外，本发明还提供了一种钙钛矿太阳能电池组件的封装方法，能够有效降低封装过程钙钛矿电池光电转换性能的衰减。

本发明提供一种钙钛矿太阳能电池组件，包括：

底部基板；

多个串并联的钙钛矿太阳能电池模块，矩阵排布于所述底部基板之上；

四周封装胶，设于每个所述钙钛矿太阳能电池模块的周围；以及

透明基板，盖于所述钙钛矿太阳能电池模块之上，所述透明基板的下表面形成有与所述四周封装胶密封连接的透明导电层，从而将每个钙钛矿太阳能电池模块密封于所述底部基板、所述透明基板和所述四周封装胶围成的封装空间内。

通过每片电池的正负极连接端子设置在每片电池四边封装胶外部，以实现相邻电池之间串并联，同时实现对每片电池的独立封装，这样可以增强单片电池的封装效果，整体封装效果比所有电池封在一个上下基板中间的三明治结构更好，且故障时可以单独更换。

进一步地，本发明还包括设于所述底部基板和所述钙钛矿太阳能电池模块之间的填充层。在封装过程中，填充层起到使透明基板和电池模块粘接在一起的作用，保证封装效果，在封装完成后，填充层还起到一定的保护作用。

进一步地，所述填充层与所述四周封装胶之间设有2mm~5mm的间隙，且所述填充层底部与所述四周封装胶底部的高度差为0.1mm~0.3mm。由此，能够防止填充层从封装胶中溢出而影响封装效果。

进一步地，本发明还包括分布于所述透明导电层下表面的导电栅线；设于所述透明导电层且与所述导电栅线连接的两个总电极；以及与每个所述钙钛矿太阳能电池模块的对应的总电极连接的连接导线。由此，将各个钙钛矿太阳能电池模块电连接，提升导电性。

进一步地，多个所述钙钛矿太阳能电池模块通过所述连接导线串并联。由此形成总的电池组件。

进一步地，本发明还包括所述底部基板上开设有供所述连接导线穿过的通孔。由此便于连接导线引出并连接至接线盒或负载等。

进一步地，所述钙钛矿太阳能电池模块包括自下而上依次设置的空穴阻挡层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极层。

本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池组件的封装方法，包括：

步骤一：将所述底部基板、所述四周封装胶及所述钙钛矿太阳能电池模块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模块选用在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模块选用在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。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）本发明提供的钙钛矿太阳能电池组件中的单个电池模块便于更换，从而解决了使用过程中若发生单个钙钛矿电池模块损坏影响整体组件发电性能的问题；

（2）本发明提供的钙钛矿电池组件解决了现有组件结构中需要较厚较宽的填充层材料的问题，进一步地该结构封装组件具有更好的阻水效果。

附图说明

图1为实施例1中钙钛矿太阳能电池组件的剖视图；

图2为对图1中钙钛矿太阳能电池模块、透明基板和透明导电层的爆炸结构图；

图3为实施例1中钙钛矿太阳能电池组件的俯视图；

图4为实施例1中钙钛矿太阳能电池组件的局部俯视图；

图5为实施例2中钙钛矿太阳能电池组件的剖视图；

图6为对图5中钙钛矿太阳能电池模块、透明基板和透明导电层的爆炸结构图；

图7为实施例2中钙钛矿太阳能电池组件的俯视图；

图8为实施例2中钙钛矿太阳能电池组件的局部俯视图；

图9为实施例3中封装前后的钙钛矿太阳能电池组件在辐照度50w/m²led光源下的j-v曲线；

附图标记：

1、底部基板；

2、填充层；

3a、透明基板；

3b、透明导电层；

3c、空穴阻挡层；

3d、电子传输层；

3e、钙钛矿层；

3f、空穴传输层；

3g、对电极层；

4、四周封装胶；

5、导电总栅线和引出端子；

6、连接导线；

7、通孔。

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至图8所示，上述钙钛矿太阳能电池组件包含底部基板1；多个串并联的钙钛矿太阳能电池模块，矩阵排布于底部基板1之上；填充层2，填设于底部基板1和钙钛矿太阳能电池模块之间；四周封装胶4，设于底部基板1的上表面且沿每个钙钛矿太阳能电池模块和填充层2的边缘设置一周；透明导电层3b，与钙钛矿太阳能电池模块一一对应且覆盖于对应的钙钛矿太阳能电池模块和外周的四周封装胶4之上，且与四周封装胶4的上表面密封连接；透明基板3a，形成于透明导电层3b之上；连接于透明导电层3b下表面两侧的总电极5，由于透明基板3a和透明导电层3b的宽度大于对应的四周封装胶4的宽度，使得该总电极5设置于封装空间的外部，即、设于四周封装胶4远离钙钛矿太阳能电池模块的一侧，利用连接导线6将多个总电极5连接以使多个钙钛矿太阳能电池模块串并联连接。

该结构单个钙钛矿太阳能电池模块独立封装，与现有将多个钙钛矿太阳能电池模块一并封装的方案相比，一方面，由于填充层2无需填充覆盖钙钛矿太阳能电池模块之间的间隙，可以减少填充层2的使用量，另一方面，还能够改善阻水效果，当其中一个钙钛矿太阳能电池模块漏水发生故障时，仅需更换该发生故障的钙钛矿太阳能电池模块，并重新进行封装即可，而无需对整个钙钛矿太阳能电池模块进行更换并重新封装。此外，矩阵排布的钙钛矿太阳能电池模块之间可根据后端接入系统的实际需求，通过连接导线实现串并联连接获得所需的电压和输出功率。

其中，填充层2设于封装空间内，填满底部基板和钙钛矿太阳能电池模块之间的间隙，从而对钙钛矿太阳能电池模块提供支撑。在封装过程中，填充层起到使透明基板和电池模块粘接在一起的作用，保证封装效果，在封装完成后，填充层还起到一定的保护作用。填充层2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；四周封装胶4厚度大于填充层2厚度，填充层2与四周封装胶4之间设有2~5mm的间隙，且填充层2底部与四周封装胶4底部的高度差为0.1~0.3mm，由此，能够防止填充层从封装胶中溢出而影响封装效果。封装胶的宽度为3~10mm，其材料为丁基胶、硅胶、热塑高分子材料、紫外固化胶或ab组分胶。

透明导电层3b的下表面分布有导电栅线和与导电栅线连接的总电极5，一对总电极5分布于对应的钙钛矿太阳能电池模块的两侧，且多个钙钛矿太阳能电池模块之间利用连接导线6将总电极5连接从而实现钙钛矿太阳能电池模块的串并联。本实施形态中，总电极5位于封装空间的外部，防止总电极的设置对四周封装胶4的密封性产生影响，提升阻水效果。总电极5包括分布于透明导电层3b两侧的总栅线和连接于总栅线中部的引出端子，总栅线和导电栅线连接，用于汇总导电栅线上的电子，引出端子用于与连接导线6连接。导电栅线和总栅线的材料分别为金属，包括金、银、铜、或铝中至少一种。导电栅线宽度0.01~0.5mm，厚度0.1~30μm，与钙钛矿太阳能电池模块的边缘至少间隔10μm，且距离四周封装胶4外部边缘间隔1~2mm。总栅线宽度0.02~1mm，厚度0.1~30μm。引出端子宽度2~6mm,长度5~10mm，厚度0.1~30μm。引出端子与总栅线相邻连接，与钙钛矿太阳能电池模块的边缘间隔5~12mm。

矩阵排布的钙钛矿太阳能电池模块通过连接导线6与相邻的钙钛矿太阳能电池模块的引出端子相连接，实现相邻钙钛矿电池模块的串并联连接。具体地，通过连接导线6与引出端子5连接分别将单个电池模块的正负极引出，并与相邻钙钛矿太阳能电池模块的正负极串联或并联连接。且，底部基板1上开设有通孔7，通孔7位于封装空间的外部，从而无需再另行对通孔进行密封，连接导线6将串并联后的组件总正负极引出，连接导线6从底部基板上留有的通孔7背面穿出并形成该钙钛矿太阳能电池组件的连接端，用以连接至接线盒或负载等。连接导线6为金属导线、导电胶带或金属箔片，其宽度为0.5~10mm。底部基板1为超白玻璃、钢化玻璃、金属基板或含氟柔性基板。

如图1或图5所示，钙钛矿太阳能电池模块包括多节串并联的单元电池，每节单元电池包括空穴阻挡层3c、位于空穴阻挡层3c之上的电子传输层3d、位于电子传输层3d之上的钙钛矿吸光层3e、位于钙钛矿吸光层3e之上的空穴传输层3f以及位于空穴传输层3f之上的对电极层3g，其中对电极层3g还覆盖在单元电池的一侧面。当单元电池之间需要串联时，可采用在透明导电层3b上设置将相邻单元电池分隔开的刻蚀线，并使单元电池侧面的对电极层3g跨过蚀刻线的形式设置单元电池，从而实现串联。对于并联单元电池，通过刻蚀线将相邻单元电池的正负极层隔开，实现多节单元电池并联。钙钛矿吸光层材料可以是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。

具体的，在制备钙钛矿太阳能电池组件时，如图1~8所示，将多个钙钛矿太阳能电池模块以矩阵排布的方式敷设在组件的底部基板1之上，于钙钛矿太阳能电池模块与底部基板1之间填设填充层2，于钙钛矿太阳能电池模块之上盖设带透明导电层3b的透明基板3a，且钙钛矿太阳能电池模块的周围用四周封装胶4密封。

上述钙钛矿太阳能电池组件的封装方法具体步骤包括：

步骤一：将底部基板1、填充层2、四周封装胶4及矩阵排布的钙钛矿太阳能电池模块和透明基板（钙钛矿太阳能电池模块和透明基板为一整体）按照自下而上的顺序依次叠放；四周封装胶位于单个钙钛矿太阳能电池模块和填充层2四周；钙钛矿太阳能电池模块之间通过连接导线串并联连接；

步骤二：将层压机热板升温加热后，将上述叠放后的钙钛矿太阳能电池组件放入层压机加热板中，层压全过程分为三个阶段，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；

步骤三：层压三个阶段完成后，将封装好的钙钛矿太阳能电池组件取出并冷却。

其中，层压机热板温度范围设置为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，对于在85℃左右分解的热稳定性差的材料，具体是mapbi3、fapbi3、maxfa(1-x)pbi3等材料，层压温度优选80℃~110℃；对于在150℃左右分解的热稳定性好的材料，具体是cspbi3、cspbixbr3-x、cspbbr3、csx(mayfa1-y)(1-x)pbizbr3-z、(pea)2(ma)n-1pbni3n+1(x=i,br)等材料层压温度优选110℃~160℃；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。

进一步地，抽真空时间3~6min，层压时间为8~15min；层压压力为30~100kpa。

实施例1

如图1~3所示，本实施例涉及一种并联钙钛矿太阳能电池组件。具体实施步骤包括：

将2行4列排布的钙钛矿太阳能电池模块敷设在钢化玻璃（底部基板1）上方。钙钛矿太阳能电池模块之上设有下表面形成透明导电层3b的透明基板3a。单个钙钛矿太阳能电池模块自上而下包括：空穴阻挡层3c、电子传输层3d、钙钛矿吸光层3e、空穴传输层3f、对电极层3g；其中，透明导电层3b上设有总电极5，用作单个钙钛矿电池模块的正负极引出端。单个钙钛矿太阳能电池模块与底部基板1之间敷设填充层2，单个钙钛矿太阳能电池模块周围敷设四周封装胶4。总电极5设置于四周封装胶4的外部。每个钙钛矿太阳能电池模块摆放时正负极方向均为左侧为负极，右侧为正极。

利用导电铜胶带（连接导线6）将上述铺好的钙钛矿太阳能电模块的正负极连接引出，并按照图3的方式将钙钛矿太阳能电池阵列并联连接；并联后将正负极分别汇总于钢化玻璃的一端，并将正负极引线分别从钢化玻璃上留有的通孔7中穿出至钢化玻璃的背面。

将摆放好的钙钛矿太阳能电池组件放入层压机，层压机热板温度范围设置为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，对于mapbi3、fapbi3、maxfa(1-x)pbi3等热稳定性差的材料，层压温度优选80℃~110℃；对于cspbi3、cspbixbr3-x、cspbbr3、csx(mayfa1-y)(1-x)pbizbr3-z、(pea)2(ma)n-1pbni3n+1(x=i,br)等热稳定性好的材料，层压温度优选110℃~160℃；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；层压压力为30~100kpa。

实施例2

如图5~8所示，本实施例涉及一种串联钙钛矿太阳能电池组件。具体实施步骤包括：

第一行钙钛矿太阳能电池模块摆放时正负极方向均为左侧为负极，右侧为正极；第二行钙钛矿太阳能电池模块摆放时正负极方向均为左侧为正极，右侧为负极。

利用导电铜胶带（连接导线6）将上述铺好的钙钛矿太阳能电模块的正负极连接引出，并按照图7的方式将钙钛矿太阳能电池阵列串联连接；串联后将正负极分别汇总于钢化玻璃的一端，并将正负极引线分别从钢化玻璃上留有的通孔7中穿出至钢化玻璃的背面。

其余步骤均与实施例1相同，此处不赘述。

实施例3

mapbi3钙钛矿太阳能电池组件的封装，其中，钙钛矿太阳能电池模块包含多节单元电池，每节单元电池包括fto层（透明导电层3b）、空穴阻挡层3c、电子传输层3d、mapbi3钙钛矿层（钙钛矿吸光层3e）、空穴传输层3f、碳对电极层（对电极层3g），其中，mapbi3钙钛矿层设置于电子传输层和碳对电极层之间；相邻单元电池的fto层通过刻蚀线隔开，对电极层跨过刻蚀线与相邻单元电池的fto层相连，实现8节单元电池串联。

将2行2列排布的钙钛矿太阳能电池模块敷设在钢化玻璃（底部基板1）上方。单个钙钛矿太阳能电池模块中包含8节串联的单元电池，通过总电极5将正负极引出。单个钙钛矿太阳能电池模块与底部基板1之间敷设填充层2，单个钙钛矿太阳能电池模块的周围敷设四周封装胶4。总电极5设置于四周封装胶4的外部。每片钙钛矿太阳能电池模块摆放时正负极方向均为左侧为负极，右侧为正极。

利用导电铜胶带（连接导线6）将上述铺好的钙钛矿太阳能电模块的正负极连接引出，并按照图3的方式将钙钛矿太阳能电池阵列并联连接；并联后将正负极分别汇总于钢化玻璃的一端，并将正负极引线分别从钢化玻璃上留有的通孔7中穿出至钢化玻璃的背面。

将连接好未封装的钙钛矿电池组件在led光源下测试其j-v曲线和光电转换参数，其中led光源的辐照度为20000lux。

将摆放好的钙钛矿太阳能电池组件放入层压机，层压机设定温度95℃，抽真空5min，加压10s,层压10min,层压压力为100kpa,待层压完成后，将组件取出，待冷却后在led光源下测试其j-v曲线和光电转换参数，其中led光源的光强为50w/m²。

表1为层压封装前后，钙钛矿太阳能电池组件在50w/m²led光源下测得的光电转换参数。图9为由该参数绘制的曲线图。可以看出，层压封装前后，钙钛矿太阳能电池组件效率及总输出功率略有提高。

表1钙钛矿太阳能电池组件层压封装前后在led光源下（50w/m²）的光电转换参数

其中，voc为开路电压，jsc为短路电流，ff为填充因子，eff为光电转换效率，pmax为最大功率。

采用实施例1-3中单基板结构封装，以及设定的层压参数制备的钙钛矿电池组件，封装后组件性能不受影响，反而还有提升，而且该结构电池轻便，并具有良好的抗湿氧效果。