一种透明型太阳能电池器件的制作方法

1.本发明属于太阳能电池器件的产品设计及制造技术领域，尤其涉及一种透明型太阳能电池器件。
技术背景
2.目前，基于消费者对各类穿戴类、便携类、手持类电子器件的依赖度越来越高，各类电子器件的电量消耗问题也变得日益突出，电子器件的低功耗、电池的高容量及快速充电等方案，也都成为开发设计人员挖空心思需要解决的问题。除此之外，设计者也逐渐认识到有必要为电子器件搭载可持续供电的外挂装置，包括但不限于光致发电(太阳能电池器件)、热致发电等器件的开发，逐渐成为电子产品设计的主流。针对太阳能类光致发电电池器件，考虑到实际应用过程中，有可能需要覆盖在显示器有效显示区的上表面，或覆盖在需要突出背景的表面，这种情况下，电子产品需要另外搭载外挂的太阳能电池时，就必须考虑将太阳能电池制作成透明或半透明类的器件，但是制作成透明或半透明类的器件，其光电转化效率较低，所以急需制作一种提高光电转化效率的透明型太阳能电池器件。


技术实现要素：

3.本发明针对上述现有技术的不足，即本发明要解决的技术问题是制作一种透明的太阳能电池器件，达到可见光(400nm～700nm)范围内的透过率为50％～80％的太阳能电池器件，但其发电效率为6％以下。改善后的发电效率提升至10％以上。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种透明型太阳能电池器件，包括：层叠设置的前基板、透明正电极层、pv光伏层、透明或半透明负电极层、后盖，其中，后盖内表面设有聚光结构；聚光结构能够以本体蚀刻方式、涂布的方式、纳米压印方式制作而成，聚光结构的表面图案型式为正四面体、规则或不规则的半球体、圆锥体、梯形、三角形或截面呈现平滑凸面的条状结构或块状结构；聚光结构的高度为20nm～2000nm。
5.作为优选的技术方案，后盖的外表面设有减反射镀层，以进一步提升入射光的利用率。
6.作为优选的技术方案，聚光结构为折射率大于或等于后盖本体折射率的透明材料。
7.作为优选的技术方案，透明型太阳能电池器件为单色透明或多色透明的器件。
8.作为优选的技术方案，前基板为无色透明的刚性或柔性基材；前基板为柔性基材时，在柔性基材的表面设有一层或多层水汽阻隔光学膜层。
9.作为优选的技术方案，水汽阻隔光学膜层的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、有机树脂涂层的一种或多种的组合，设于前基板的一侧或双侧。
10.作为优选的技术方案，还包括边框胶，用于将前基板和后盖粘结在一起，边框胶为uv固化型或热固化型或两者相结合型的树脂；边框胶内填充有水氧吸附颗粒及粒径均匀的spacer，spacer的粒径为2～100μm，spacer材质为树脂或二氧化硅。
11.作为优选的技术方案，后盖内侧设有液态或固态干燥剂。
12.作为优选的技术方案，干燥剂为透明或不透明材质；当干燥剂为不透明的材质，干燥剂设于pv光伏层有效吸收区外的位置；当干燥剂为透明的材质，其折射率小于或等于后盖内表面设有的聚光结构的折射率。
13.作为优选的技术方案，透明正电极层材质为电导率为≥800s/cm的pedot:pss，厚度为100～2000nm。
14.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明提出一种透明型太阳能电池器件，该器件后盖设有聚光结构，从器件外入射的光经过聚光结构多次折射后，以趋向于垂直器件表面的方向入射，依次进入透明或半透明阴极层、etl、光伏活性层，并在光伏活性层被吸收生成激子，在给受体界面分离形成电子和空穴。提高了入射光的利用，进而提高了太阳能电池器件的光电效率。
附图说明：
15.图1为本发明实施例提供的一种单色太阳能电池器件的结构示意图；
16.图2为本发明实施例提供的一种多色太阳能电池器件的结构示意图；
17.图3为本发明实施例提供的聚光结构示意图；
18.图4为本发明实施例提供的聚光结构工作原理示意图；
19.附图标记说明
20.前基板1；水汽阻隔光学膜层2；透明正电极层3；htl41；act-l42；etl43；透明或半透明负电极层5；聚光结构6；边框胶7；spacer8；干燥剂9；减反射镀层10；后盖11。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.实施例
24.如图1所示，为本发明实施例提供的一种单色太阳能电池器件的结构示意图，该太阳能电池器件包括层叠设置的前基板1、透明正电极层3、pv光伏层、透明或半透明负电极层5、后盖11。
25.其中，pv光伏层包括包括htl41(空穴传输层)、act-l42(光伏活性层)和etl43(电子传输层)三层基本结构。
26.后盖11封装材料的材质，包括但不限于刚性的(如玻璃、石英等)或柔性的(如cpi、pet、pc、cop、coc、pmma等)无色透明的薄膜(t≤0.15mm)。
27.优选的，后盖11内表面设有聚光结构6。聚光结构6为折射率大于或等于后盖11本体折射率的透明材料。
28.如图3所示，给出了聚光结构6的示意图，聚光结构6能够以本体蚀刻方式、涂布的方式、纳米压印等方式制作而成，聚光结构6的表面图案型式为正四面体、规则或不规则的半球体、圆锥体、梯形、三角形或半圆形的直线或曲线形态的条状结构。当聚光结构6采用本体蚀刻方式制作时，聚光结构6的表面图案型式包括但不限于前述结构，还可以是无规则的半球形状或截面呈现平滑凸面的条状物或块状物。进一步的，聚光结构6的高度为20nm～2000nm。
29.如图4所示，为本发明实施例提供的聚光结构6工作原理示意图。设入射角为α，反射角为β，折射角为θ。
30.聚光结构6(lens)为光密介质，折射率为n3，后盖11也为光密介质，设其折射率为n2；且有n3≥n2。
31.当光从空气入射到后盖11中时，依据折射定律n1*sinα＝n2*sinθ，因n1＜n2，推出入射角大于折射角(即α＞θ)。
32.当光继续从后盖11入射到聚光结构6中时，依据折射定律n2*sinα'＝n3*sinθ'，因n2≤n3，可再推出入射角大于等于折射角(即α'≥θ')。
33.当光继续从聚光结构6入射进入器件空腔中时，依据折射定律:
34.n3*sinα"＝n4*sinθ"，因n3＞n4，可推出入射角小于折射角(即α"＜θ")。从图中可以看出，入射光经过多次折射后，以趋向于垂直器件表面的方向入射，依次进入透明或半透明阴极层、etl43、光伏活性层，并在光伏活性层被吸收生成激子，并在给受体界面分离形成电子和空穴。提高了入射光的利用，进而提高了入太阳能电池器件的光电效率。
35.优选的，后盖11的外表面设有减反射镀层10，以进一步提升入射光的利用率。
36.优选的，透明型太阳能电池器件可以为单色透明或多色透明的器件。图1给出的是单色透明器件的结构示意图。图2则给出了多色透明器件的结构示意图。
37.opv类太阳能电池，活性层(act-l42)由聚合物给体材料(p3ht、pm6、ptzdi等)和聚合物型或大分子型受体材料(pcbm、y6、dty6等)制成。钙钛矿类太阳能电池的活性层可以为单纯的无机类钙钛矿(abx3型、a2bb’x6型等)，也可以为有机无机杂化的钙钛矿电池。同种类型的电池选用不同种类的活性层组合时，可以获得不同的透明色及不同的电学性能。
38.本领域技术人员应该能够想到，借助图案化工艺，可以制作成单色透明器件，例如：红色、绿色、蓝色、紫色、品红色等，可以制作成多组透明色的组合器件，例如：红色、绿色、蓝色、紫色和品红色等中的两种或两种以上色彩的组合。当制作为多色组合时，共用同一层htl41(空穴传输层)和etl43(电子传输层)，并按照材料组合的种类，分次涂布不同组合的给受体材料，或采用多头的ink-jet设备对应不同颜色的组合材料，由于不同体系的活性层材料的性能有区别，所以，器件的结构设计方式不同。
39.优选的，opv太阳能电池的htl41一般采用p3ht、ptaa、spiro-ometad、pedot:pss等(成膜后的电阻率范围在500～5000ω.cm)，成膜厚度范围在40nm～80nm，优选的，膜层厚度为50nm。
40.当透明正电极采用高导电性的pedot:pss材料制作时，膜层总厚度调整到100～2000nm，此时，该结构既可以作为透明正电极层3，也可以同时作为pv光伏层中的htl41，无
需另外制作htl41。但考虑到透明正电极层3与act-l42能级匹配的问题，优选的，对作为正电极的pedot:pss成膜后进行一次特殊处理工艺。本领域技术人员应该能够想到，特殊处理工艺包括但不限于采用溶剂退火处理、plasma处理、uv光处理或酸洗和碱洗工艺。其中，溶剂退火处理工艺采用的溶剂优选极性溶剂(水及低级醇类等)，同时配合超声波清洗工艺对高导的pedot:pss进行处理，使得最表面一层(约50～100nm)的电阻率减低至500～5000ω.cm，此时，最表面一层的能级与光伏活性层的能级更为匹配。采用plasma处理时，应避免将氧气plasma应用于opv及dsc类太阳能电池，否则易在活性层界面处引入氧原子，促使活性层的激子在氧原子的作用下发生淬灭。当采用uv光或激光处理时，uv光或激光的波长λ≤280nm，并适当降低处理过程产生的臭氧含量，应避免将此方案应用于opv及dsc类太阳能电池，避免在活性层界面处引入氧原子，促使活性层的激子在氧原子的作用下发生淬灭。酸洗或碱洗工艺选择的材料类型，一般为弱酸性和弱碱性的材料，优选有机弱酸(乙酸、乙二酸、乳酸等)或有机弱碱(体积浓度为4％以下的tmah、二甘醇和醚的混合物)。钙钛矿太阳能电池的htl41包括前述有机类ht材料，还可以是cu2o、cui、cuscn、nio等。
41.优选的，opv电池的etl43可以采用小分子材料或聚合物材料，小分子化合物一般以蒸镀方式制作，包括芳香胺化合物、碱金属化合物等；聚合物一般采用溶液法制作，包括但不限于富勒烯及其衍生物(pc
60
bm、pc
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bm、pc
71
bm等)、pcba、icba、pfn、bis-c
60
等。钙钛矿太阳能电池的etl43包括前述有机类的etl43材料及无机的tio2、zno等。
42.前基板1为无色透明的刚性或柔性基材；刚性基材可以选择玻璃或厚的(t≥0.3mm)pc板、pet板等材质，柔性基材可以选择cpi、pet、pc、cop、coc、pmma等无色透明的薄膜(t≤0.15mm)作为基材，此类柔性基材在制作过程中，一般需要借助刚性基板作为衬底，完成全部制程后，再从刚性衬底表面无损剥离下来。当前基板1为柔性基材时，优选的，在柔性基材的表面设有一层或多层水汽阻隔光学膜层2。
43.优选的，水汽阻隔光学膜层2的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、有机树脂涂层的一种或多种的组合，设于前基板1的一侧或双侧。当仅在前基板1的内表面制作时，水汽阻隔光学膜层2所在面与透明正极层相接触。
44.优选的，透明正电极层3，可以选用tco(透明导电氧化物)、纳米银、碳纳米管、石墨烯、超薄的金属层(如镁银合金层)或直接使用高电导率的pedot:pss材料(电导率为≥800s/cm)等制作。
45.优选的，透明或半透明负电极层5，可以采用tco(透明导电氧化物)、纳米银、碳纳米管、石墨烯、超薄的金属层(如镁银合金层)或直接使用高电导率的pedot:pss材料(电导率≥800s/cm)等制作。优选的，透明或半透明负电极层5材料的功函数低于透明正电极层3材料的功函数，以便于电子的传输。
46.优选的，还包括边框胶7，用于将前基板1和后盖11粘结在一起，边框胶7为uv固化型或热固化型或两者相结合型的树脂；边框胶7内填充有水氧吸附颗粒及粒径均匀的spacer8，spacer8的粒径为2～100μm，spacer8材质为树脂或二氧化硅。
47.优选的，后盖11内侧设有液态或固态干燥剂9。干燥剂9不与透明或半透明负电极层5接触，或干燥剂9可以与透明或半透明负电极层5接触，但在存储和工作状态不会发生化学反应。干燥剂9为透明或不透明材质；当干燥剂9为不透明的材质，干燥剂9设于pv光伏层有效吸收区外的位置；当干燥剂9为透明的材质，其折射率小于或等于后盖11内表面设有的
聚光结构6的折射率。设置干燥剂9的目的是可以更加有效的延长器件的寿命。