一种钙钛矿太阳能电池防铅泄露的封装结构及封装方法与流程

本发明属于钙钛矿太阳能电池制备，尤其是涉及一种钙钛矿太阳能电池防铅泄漏的封装结构、材料及封装方法。

背景技术：

1、钙钛矿指的是具有abx3晶体结构的一类化合物的统称，晶体结构中a位和b位阳离子分别为离子半径不同的一价和二价阳离子，x位阴离子是分别与a位和b位离子成键的阴离子。研究发现，钙钛矿材料具有优异的电学、磁学和介电特性。基于其优异的光电性质，人们发展了钙钛矿太阳能电池，其中有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的开发应用迄今已有14年。

2、在有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池中，近年来的研究热门之一是可印刷介观钙钛矿太阳能电池。该类电池表现出高的光热稳定性、光电转化效率也可接近20％。在可印刷介观钙钛矿太阳能电池采用的abx3型钙钛矿材料中，a位离子一般为一价阳离子(ch3nh3+、nh2-ch＝nh2+、cs+、li+、c4h9nh3+、ch6n3+、na+、k+中的至少一种)，b位离子一般为二价金属离子(pb2+，或pb2+和sn2+的混合物)，x位离子为br-或i-，其电池结构中缺陷态主要以未配位的铅离子为主。该类电池存在的问题在于，未配位的铅离子容易引发铅泄露，对环境保护构成了巨大的挑战，一旦泄露必将严重危害人体健康。事实上，钙钛矿太阳能电池中的铅泄露是目前大众对于钙钛矿太阳能电池行业迅速发展的主要忧虑之一。但是，由于基于铅离子的钙钛矿前驱体封装的太阳能电池具有相对较高的稳定性和高的光电转换性能，短时间内，钙钛矿太阳能电池封装结构中pb离子尚无法被完全取代。因此，在目前的技术条件下，为了减少对环境的污染以及对人体的危害，对铅离子进行“锁定”，抑制铅泄露，是比较可行的技术路线。

3、中国专利cn 111463351 a提供了一种钙钛矿太阳能电池的防铅泄露封装结构及其封装方法，该钙钛矿太阳能电池中防铅泄露封装结构包括保护层、陶瓷封装层、封装玻璃、边封层；保护层热蒸镀在金属电极上；陶瓷封装层溅射或沉积在保护层上；边封层层压在钙钛矿太阳能电池的四周；封装玻璃通过粘贴边封层设置在陶瓷封装层的上方，并与陶瓷封装层和边封层形成空腔。该发明通过三层有机/无机材料复合封装保护，能够有效减少太阳电池组件在外力冲击下被破坏的几率以及有效阻碍破碎的太阳电池组件中铅的泄露，但其存在的缺点是防铅泄露封装结构复杂，制备的技术难度较高，大幅提升了器件成本，不利于推广应用。

4、中国专利cn 115472752 a公开了一种钙钛矿太阳能电池的防铅泄露封装结构，其主要的技术构思在于在钙钛矿太阳能电池本体上表面设置封装胶膜；封盖的内部设置辅助密封机构；辅助密封机构中的传动块与第一铰接杆配合使用，使得密封环可以对封盖与底座之间的连接处进行良好的堵塞密封效果，密封环采用硅胶材质制成，使得其在对封盖与底座之间的缝隙封堵时遇到外部温差较大时也可以保证其良好的密封效果，进而避免封盖内部保护的钙钛矿太阳能电池本体受到外部侵蚀而出现铅泄漏问题。该技术存在的缺点是加大了钙钛矿太阳能电池的封装结构的复杂性，技术难度和封装成本高，同样不利于推广应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的防铅泄露封装结构复杂，制备的技术难度较高，不利于推广应用的技术问题，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池防铅泄露的封装结构、材料及封装方法，主要的发明构思是，采用发泡聚苯乙烯(eps)材料作为钝化剂，对可印刷介观钙钛矿太阳能电池的碳电极进行后处理，在碳电极表面形成致密的保护膜，不但实现了铅泄露的有效抑制，而且大幅提升了器件的光电转换性能。

2、本发明的详细的技术方案如下。

3、一种可印刷介观钙钛矿太阳能电池防铅泄露的封装结构，由透光导电衬底、纳米介孔tio2薄膜、纳米介孔zro2薄膜及纳米介孔碳电极组成，其特征在于，封装过程中，将一定量的发泡eps材料溶解在钙钛矿的反溶剂中，然后在一定的温度条件下，利用溶解有发泡eps材料的钙钛矿反溶剂溶液对碳电极进行处理，使得碳电极表面形成致密的保护膜。

4、进一步地，所述的纳米介孔tio2薄膜为电子传输层、纳米介孔碳电极为空穴收集层；钙钛矿晶体连续分布于整个器件的介孔内部。

5、进一步地，根据钙钛矿前驱体的不同，选择合适的eps的浓度和溶剂挥发温度。

6、更近一步地，发泡eps材料溶解在钙钛矿的反溶剂中的质量浓度范围为20-100mg/ml，温度条件范围为30-100℃。

7、本发明的一种防铅泄露的可印刷介观钙钛矿太阳能电池的组装方法，包括以下步骤为：

8、1)在可透光的导电衬底表面喷涂一定厚度的纳米tio2致密层，在450-600℃下煅烧一段时间；

9、2)在步骤1)处理后得到的可透光导电衬底的纳米tio2致密层表面依次涂布一定厚度的介孔tio2层、介孔zro2层和碳电极层，然后将其在350-550℃温度条件下煅烧一段时间，得到中间物a；

10、3)利用两步法或一步法，在步骤2)获得的中间物a的器件结构的介孔内部形成连续分布的钙钛矿晶体，得到的中间物b；

11、4)用一定量的溶解有发泡eps材料的钙钛矿反溶剂溶液，滴加在中间物b上，扩散均匀后，在30-100℃下，去除溶剂，得到目标器件。

12、进一步地，所述的可透光导电衬底为fto导电玻璃、ito导电玻璃、导电聚合物有机玻璃中的任意一种。

13、进一步地，在可导电衬底表面喷涂一定厚度的纳米tio2致密层、在纳米tio2致密层表面依次涂布一定厚度的介孔tio2层、介孔zro2层和碳层，所采用的方法为薄膜涂布工艺，优选丝网印刷法。

14、进一步地，所述的两步法为：在碳电极层表面滴加适量的a位阳离子卤盐的前驱体溶液，30-100℃退火1-24h，然后将退火处理后的器件在b位阳离子的卤盐的前驱体溶液中浸泡0.5-24h；以及取出后，滴加一定量的溶解有发泡eps材料的钙钛矿反溶剂溶液，扩散均匀后，去除残留的前驱体溶液。所述的钙钛矿反溶剂为氯苯、二氯甲烷、甲苯、乙腈、乙醇、异丙醇、仲丁醇中的任意一种或者几种的混合物。

15、进一步地，所述的一步法为：将一定比例的a位阳离子卤盐溶液和b位阳离子的卤盐溶液混合均匀，然后将混合物溶液滴加在碳电极表面，30-100℃退火处理1-24h。

16、进一步地，所述的发泡eps材料采用废旧eps包装材料，使用时，将其破碎为0.1-5mm，然后溶解在所述钙钛矿反溶剂中。

17、相对于现有的可印刷介观钙钛矿太阳能电池的制备方法，本发明的有益技术效果是：

18、随着全球经济的快速增长，废旧eps泡沫塑料的积累和白色污染已成为一个亟待解决的问题。本发明的防铅泄露的可印刷介观钙钛矿太阳能电池的组装方法中，可以采用破碎成一定粒度的废旧eps泡沫塑料溶解于钙钛矿反溶剂中，对碳电极进行后处理，由于泡沫添加剂含有功能基团，可以增强聚苯乙烯对钙钛矿未配位铅离子缺陷态的钝化作用，如图1所示，短路电流密度和开路电压都得到了显著提升。另外，由于聚合物的存在，可在电极表面形成致密的聚合物膜(图2)，因而使钙钛矿隔绝空气的同时，可有效防止铅离子的流失。而对于抑制铅泄露的作用也得到了铅浓度试纸的测试结果所证明(图3)。对于铅离子泄露的抑制效率接近100％。更为重要的是，钝化剂选择废旧eps泡沫塑料，对于减轻环境压力，变废为宝，发挥了重要作用。