一種自聚光的聚合物太陽能電池的製作方法

2023-10-29 03:03:42

專利名稱：一種自聚光的聚合物太陽能電池的製作方法
一種自聚光的聚合物太陽能電池技術領域
本發明屬於太陽能電池領域，具體涉及聚合物太陽能電池。
技術背景
能源問題一直是影響人類生存和發展的熱點問題。隨著經濟規模擴大，能源需求 不斷飆升，傳統化石能源耗費巨大。化石能源是不可再生資源，而且人類過量使用化石能源 必將引發嚴重的環保問題。因此，開發無汙染和可再生的新能源是人類迫在眉睫的任務。太 陽能是一種清潔，高效和永不衰竭的新能源，必將是人類未來發展所依賴的重要新能源。
太陽能電池的應用始於上世紀中期的航天事業發展。發展至今，可以劃分為三代， 第一代太陽能電池以單晶或多晶矽為材料，第二代太陽能電池則以化合物(如砷化鎵)為 主，第三代太陽能電池包括染料敏化太陽能電池和聚合物太陽能電池。目前第一代矽材料 太陽能電池仍然佔據主導地位。市面上最常見的是晶體矽太陽能電池，其工業化產品的效 率一般為13% -15%。由於生產工藝複雜，前兩代太陽能電池生產成本較高，使得其推廣受 到很大制約。
近年來聚合物太陽能電池由於其潛在的價格優勢吸引了廣泛的關注。與矽太陽能 電池相比，聚合物太陽能電池製作工藝簡單，可以製作在柔性襯底上，攜帶方便，是未來太 陽能電池的發展方向之一。
目前，太陽能電池普遍使用特定的聚光系統來提高電池的能量轉化效率。聚光系 統可以提高電池收集太陽光的範圍，增加電池的利用率，減少了電池原材料的花費，從而降 低了電池的成本。由於無機太陽能電池的價格高，重量較大，彈性較差。故實際應用中矽基 太陽能電池的聚光系統往往結構複雜，聚光效率高。缺點是這類聚光系統一般體積較大，不 易移動。
聚合物太陽能電池的發展方向是柔性易攜帶的太陽能電池，所以如果直接將現有 的體積較大，不易移動的聚光系統應用於聚合物太陽能電池上必定不太合適。發明內容
本發明提供了一種自聚光的聚合物太陽能電池，其襯底中集成了聚光結構，從而 降低了其功能層的體積，減少了電池的整體成本，有利於推進該電池的實用化。
一種聚合物太陽能電池，包括襯底和若干個電池單元，所述的電池單元由柔性封 裝層包覆電池主體構成，所述的電池主體由在襯底上依次形成的透明陽極薄膜層、陽極緩 衝層、聚合物光電轉換層和陰極薄膜層構成；其中，
所述的襯底由若干個襯底單元構成，所述的每個襯底單元與一個電池單元相連；
所述的每個襯底單元為由多層亞毫米光學元件組成的具有聚光作用的膠合透鏡 結構，所述的各層亞毫米光學元件依次為菲涅爾透鏡、第一平凸透鏡、凹透鏡和第二平凸透 鏡；
其中，所述的第一平凸透鏡的前表面為平面，後表面為球面；所述的第二平凸透鏡的前表面為球面，後表面為平面；所述的凹透鏡的前表面的球面曲率半徑與第一平凸透鏡 後表面的球面曲率半徑相同，所述的第二平凸透鏡的前表面的球面曲率半徑與凹透鏡的後 表面的球面曲率半徑相同。
所述的襯底的厚度0. 5 1. 5毫米。該電池的襯底具有聚光功能。
由若干個襯底單元組成的襯底中，每個襯底單元由多層不同功能的透明塑料光學 元件構成，以便於實現較高的光學透過率，可以用熱固法或者熱塑法在模具中直接成型得 到。襯底單元中各層光學元件的材料為各種具有較高的光學透過率的材料，如聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)，聚苯乙烯(PS)，聚碳酸脂(PC)，苯乙烯丙烯腈，苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共 聚物，聚4-甲基-1-戊烯，透明聚醯胺等等。
可選地，所述的菲涅爾透鏡採用折射率範圍為1. 35 1. 50的材料製得，優選採用 聚4-甲基-1-戊烯，其折射率約1.45，具有優異的耐熱性、耐沸水蒸煮性、透明性及無毒等 特性，適合作為最外層材料。
可選地，所述的菲涅爾透鏡的焦距範圍為2 6毫米，厚度0. 1 0. 4毫米。
可選地，所述的第一平凸透鏡採用折射率為1. 40 1. 60的材料製得，優選採用聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其折射率約1.49，具有較好的透光性和抗壓力性，適合用作緩衝層。
可選地，所述的第一平凸透鏡的後表面的球面曲率半徑至少20毫米，優選20 100毫米；所述的第一平凸透鏡的厚度0. 3 1. 2毫米，優選0. 4 0. 7毫米。
可選地，所述的凹透鏡採用折射率為1. 48 1. 70的材料製得，優選採用聚醯胺 (PA，即透明尼龍)，其折射率約1. 52，折射率較高，有利於提高襯底通光量。
可選地，所述的凹透鏡的後表面的球面曲率半徑至少25毫米，優選25 200毫 米，所述的凹透鏡的中心厚度為0. 1 1.2毫米，優選0. 1 0.3毫米。
可選地，所述的第二平凸透鏡採用折射率為1. 5 2. 0的材料製得，優選採用聚苯 乙烯(PS)，其折射率約1.59，具有良好的絕緣絕熱和透明性，適合作為與太陽能電池接觸 的襯底表面材料。
所述的各層亞毫米光學元件可由模具分別製作得到，採用塑料工藝中的熱塑法或 熱固法成型，多層亞毫米光學元件通過膠合形成整體襯底。
所述的聚合物太陽能電池的電池主體(包括電極部分和功能層部分)製作於襯底 之上，其中，電極(透明陽極薄膜層和陰極薄膜層)採用常規的磁控濺射或者熱蒸發的方法 製備，電極緩衝層(陽極緩衝層)採用溶液旋塗法製作，功能層(聚合物光電轉換層)採用 溶液法旋塗印刷或流涎法製備。電池主體外側包裹的柔性封裝層，由壓膜方法製備。
本發明的聚合物太陽能電池通過聚光功能的襯底，能夠將入射到表面的光聚焦到 一定範圍內，提高聚合物太陽能電池內部光強度，改善聚合物太陽能電池的光電轉化效率， 應用在聚合物太陽能電池中，可以製作出自聚光的柔性聚合物太陽能，相比於外加聚光系 統，便攜性大大提高，從而有效地改善其實用化水平。
本發明中，聚合物太陽能電池的電極和功能層薄膜直接製作在襯底上，襯底通過 聚光作用將光線聚攏減少聚合物太陽能電池主體的面積，從而提高利用率，節省成本。
與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果
該發明的實質是帶有聚光系統的柔性聚合物太陽能電池，其原理是利用小面積短焦距的膠合透鏡結構作為電池襯底的結構，再在該襯底上製作聚合物太陽能電池，這就使 得聚合物太陽能電池不必採用現有的體積龐大的聚光系統，不會影響柔性聚合太陽能的攜 帶；襯底通過聚光作用將光線聚攏從而增大聚合物太陽能電池單位面積的能量轉化效率， 從而提高利用率，節省成本；襯底結構簡單、材料易得，成本低，適合規模化的產業生產。


圖1為本發明聚合物太陽能電池的俯視圖。
圖2為本發明聚合物太陽能電池的側面視圖。
圖3為本發明中單個獨立單元俯視圖。
圖4為本發明中單個獨立單元剖視圖。
圖5為本發明中單個獨立單元和單個電池單元中各元件分離示意圖。
圖6為本發明聚合物太陽能電池的入射表面光場分布模擬圖。
圖7為本發明聚合物太陽能電池的襯底的通光效率模擬圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例來詳細說明本發明，但本發明並不僅限於此。
如圖1和圖2所示的一種自聚光的聚合物太陽能電池，包括襯底13和若干個電池 單元12。襯底13由若干個襯底單元11構成，每個襯底單元11與一個電池單元12相連，構 成一個獨立單元1。
如圖3 5所示，每個獨立單元1依次由菲涅爾透鏡2、第一平凸透鏡3、凹透鏡4、 第二平凸透鏡5、透明陽極薄膜層6、陽極緩衝層7、聚合物光電轉換層8、陰極薄膜層9和柔 性封裝層10構成。
菲涅爾透鏡2、第一平凸透鏡3、凹透鏡4和第二平凸透鏡5，一共4層，構成具有聚 光作用的膠合透鏡結構，為一個襯底單元11。
在每個襯底單元11上依次形成的透明陽極薄膜層6、陽極緩衝層7、聚合物光電轉 換層8和陰極薄膜層9構成電池主體，柔性封裝層10包覆電池主體構成每個電池單元12。
菲涅爾透鏡2，材料為聚4-甲基-1-戊烯(Poly (4-methyl-l-pentene))，該材料 具有優異的耐熱性、耐沸水蒸煮性、透明性及無毒等特性，適合作為最外層材料。菲涅爾透 鏡2的物方焦距無窮遠，像方焦距為4毫米，螺紋數目為20，通光孔徑為5毫米，整體厚度約 0.25毫米。菲涅爾透鏡2可用模具熱固成型。
第一平凸透鏡3，材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，該材料有較好的透光性，和抗 壓力性，可用作緩衝層。第一平凸透鏡3的通光孔徑為5毫米，前表面為平面，後表面的球 面曲率半徑為25毫米，中心厚度為0. 5毫米。第一平凸透鏡3可採取熱塑成型，再與菲涅 爾透鏡2膠合在一起。
凹透鏡4，材料為聚醯胺(PA)，即透明尼龍，該材料折射率較高，有利於提高襯底 通光量。凹透鏡4的通光孔徑為5毫米，前表面的球面曲率半徑為25毫米，後表面的球面 曲率半徑為30毫米，中心厚度為0. 1毫米。凹透鏡4可採取熱塑成型，再與第一平凸透鏡 3膠合在一起。
第二平凸透鏡5，材料為聚苯乙烯(PS)，該材料具有良好的絕緣絕熱和透明性，適合作為與太陽能電池接觸的襯底表面材料。第二平凸透鏡5的通光孔徑為5毫米，前表面 的球面曲率半徑為30毫米，後表面為平面，中心厚度為0. 4毫米。第二平凸透鏡5採取熱 塑成型，再與凹透鏡4膠合在一起。
由菲涅爾透鏡2、第一平凸透鏡3、凹透鏡4和第二平凸透鏡5構成的聚光襯底的 整體厚度約為1.25毫米。
透明陽極薄膜層6，該薄膜要求材料在可見光波段有良好的透射率，導電性能優 異。該層由磁控濺射或熱蒸發方式製作，透明陽極薄膜6的形狀與面積依據襯底後表面投 射光分布決定，該實例中6與菲涅耳透鏡2同圓心，半徑為3毫米的圓。
陽極緩衝層7，該層要求材料須在可見光波段有良好的透射率，且可以改善聚合物 光電轉換層8與透明陽極薄膜6之間的能級匹配關係。該層形狀與面積與透明陽極薄膜6 相同。
聚合物光電轉換層8，材料為有機半導體共混體異質結，形狀與面積與透明陽極薄 膜6相同。採用溶液法旋塗印刷或流涎法製備。
陰極薄膜層9，該材料要求導電性良好，形狀與面積和透明陽極薄膜6相同。該層 由磁控濺射或熱蒸發方式製作。
上述透明陽極薄膜層6、陽極緩衝層7、聚合物光電轉換層8和陰極薄膜層9構成 電池主體，為電池能量轉化的主要結構。上述各層厚度根據材料的不同而不同，電池主體整 體厚度小於1微米。
柔性封裝層10，採用該封裝層10將電池主體整體包覆住，採用壓膜方法製作。主 要作用是阻隔空氣中的水和氧氣等對電池有害的氣體和金屬粉末等一些對器件造成影響 的粉塵。
圖6為用光線追跡的方法獲得的聚合物太陽能電池的入射表面光場分布模擬圖， 追跡的光線數目約2萬5千條，圖6上外圈的虛線圓為每個單元最外層的圓入射面，直徑約 為10毫米。圖中白色區域為光線主要分布區的區域，黑色區域為無光線區域或光線較弱的 區域。圖6可以看到表面的光線被聚焦到了直徑不到6毫米的圓內，按面積大小換算後，光 場總強度是不聚光時光場強度的200%左右。
圖7為採用光線追跡法獲得的通過上述聚合物太陽能電池的襯底的光強的模擬 圖，追跡了約2萬5千條光線，橫坐標為光線入射角度，縱坐標為對應入射角度的光線的數 目。根據模擬所得到的結果，襯底總通光效率約為80%，考慮到塑料材料的透光特性，該結 果已能滿足要求。再加上簡易增透膜後，效率更高。
權利要求
1.一種聚合物太陽能電池，包括襯底和若干個電池單元，所述的電池單元由柔性封裝 層包覆電池主體構成，所述的電池主體由在襯底上依次形成的透明陽極薄膜層、陽極緩衝 層、聚合物光電轉換層和陰極薄膜層構成；其特徵在於所述的襯底由若干個襯底單元構成，所述的每個襯底單元與一個電池單元相連；所述的每個襯底單元為由多層亞毫米光學元件組成的具有聚光作用的膠合透鏡結構， 所述的各層亞毫米光學元件依次為菲涅爾透鏡、第一平凸透鏡、凹透鏡和第二平凸透鏡；其中，所述的第一平凸透鏡的前表面為平面，後表面為球面；所述的第二平凸透鏡的前 表面為球面，後表面為平面；所述的凹透鏡的前表面的球面曲率半徑與第一平凸透鏡後表 面的球面曲率半徑相同，所述的第二平凸透鏡的前表面的球面曲率半徑與凹透鏡的後表面 的球面曲率半徑相同。
2.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的襯底的厚度為0.5 1. 5毫米。
3.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的菲涅爾透鏡採用折射 率範圍為1. 35 1. 50的材料製得。
4.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的菲涅爾透鏡的焦距範 圍為2 6毫米，厚度0. 1 0. 4毫米。
5.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的第一平凸透鏡採用折 射率為1. 40 1. 60的材料製得。
6.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的第一平凸透鏡的後表 面的球面曲率半徑至少20毫米；所述的第一平凸透鏡的厚度0. 3 1. 2毫米。
7.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的凹透鏡採用折射率為 1. 48 1. 70的材料製得。
8.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的凹透鏡的後表面的球 面曲率半徑至少25毫米，所述的凹透鏡的中心厚度為0. 1 1. 2毫米。
9.如權利要求1所述的聚合物太陽能電池，其特徵在於，所述的第二平凸透鏡採用折 射率為1.5 2.0的材料製得。
全文摘要
本發明公開了一種自聚光的聚合物太陽能電池，包括襯底和若干個電池單元，襯底由若干個襯底單元構成，每個襯底單元與一個電池單元相連；每個襯底單元由菲涅爾透鏡、前表面為平面後表面為球面的第一平凸透鏡、凹透鏡和前表面為球面後表面為平面的第二平凸透鏡依次構成；凹透鏡的前表面的球面曲率半徑與第一平凸透鏡後表面的球面曲率半徑相同，第二平凸透鏡的前表面的球面曲率半徑與凹透鏡的後表面的球面曲率半徑相同。本發明聚合物太陽能電池採用聚光系統一體化的襯底，提高了電池內部光強度，改善電池的光電轉化效率，並減少電池功能和電極所需要的面積大小，不會影響柔性電池的便攜性，從而大大改善其實用化水平。
文檔編號H01L51/42GK102034932SQ20101052204
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者劉旭, 李國龍, 李衎, 甄紅宇, 黃卓寅 申請人:浙江大學