一种折射率可调的透明导电粘合剂及其在叠层太阳电池中的应用

本发明属于太阳电池的，特别涉及一种折射率可调的透明导电粘合剂的制备及其在叠层太阳电池中的应用。

背景技术：

1、硅(si)基叠层电池技术有望突破单结晶硅电池理论效率，成为目前太阳电池技术领域的主流研究方向。其中，iii-v族/晶硅叠层电池兼具高效与高稳定性的优势，目前报道的两端iii-v族/晶硅叠层电池效率已达到35.9％。此外，钙钛矿/晶硅叠层电池借助其低成本和简单的制备工艺成为“后起之秀”。最近，中国隆基绿能科技股份有限公司研发的两端钙钛矿/晶硅叠层电池认证效率突破33.9％。两端iii-v族/晶硅叠层电池主要有三种方式：外延生长、晶圆键合和机械堆叠。值得注意的是，由于硅和gaas材料在晶格常数、热膨胀系数以及材料极性上差异显著，导致难以在硅基底上通过外延生长高质量的gaas材料，目前外延生长两端的iii-v族与晶硅叠层电池最高效率仅为25.9％。而晶圆键合制备条件苛刻，需要超净的实验环境、原子级的抛光平面(粗糙度<0.5nm)以及昂贵的键合设备，因此不适合工业化生产。基于金属纳米阵列键合技术由于其金属纳米阵列尺寸小于100nm，粘合强度较低，只能在平面衬底上旋涂制备，和目前绒面硅电池不兼容。对于钙钛矿/晶硅叠层电池来说，在绒面硅基底上保形生长高质量的钙钛矿层也是一个挑战。为了制备高效的硅基叠层电池，一种透明导电粘合剂键合方法受到关注。韩国的choi课题组采用透明导电粘合剂制备了两端钙钛矿/硅叠层太阳电池，然而由于严重的界面反射，器件的短路电流密度仅为15.43ma/cm2，效率仅有19.4％。从目前已发表的结果上来看，所有的两端iii-v族/晶硅叠层电池均采用前表面抛光的晶硅电池，这会增加制造成本，导致界面反射，不利于硅电池在长波的吸收同时造成底电池限流。基于透明导电粘合剂的键合技术可以与绒面硅兼容，但传统的epxoy-301透明粘合剂折射率较低(～1.5)，与顶、底电池折射率不匹配，也容易造成界面反射，降低硅底电池的光谱响应。

2、综上所述，可归纳出现有两端iii-v族/晶硅叠层电池以及透明导电粘合剂键合技术的不足：1)采用前表面抛光的硅电池作为底电池，增加制造成本，同时导致iii-v族和si界面反射损失严重，硅电池近红外吸收较差，导致底电池限流。2)epxoy-301透明粘合剂折射率较低(～1.5)，对硅基叠层太阳电池光管理产生了负面影响，使器件在800-1200nm波长范围内出现明显的反射损耗，影响硅底电池的光吸收。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种基于纳米tio2掺杂高折射率透明导电粘合剂技术，及其在iii-v族/晶硅和两端钙钛矿/晶硅叠层电池中的应用，通过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(aptes)的表面改性实现了tio2纳米颗粒在环氧树脂中的良好分散，并调控tio2的浓度来调整透明导电粘合剂的折射率，采用绒面的晶硅电池作为底电池，基于绒面晶硅表面和高折射率的透明导电粘合剂能有效减少光反射损失，从而获得更高效且成本更低的iii-v/晶硅和钙钛矿/晶硅叠层电池。

2、本发明的技术方案：

3、一种折射率可调的透明导电粘合剂及其在叠层太阳电池中的应用，所述方法包括：

4、1)将0.1m四异丙氧基钛加入50ml无水乙醇中，搅拌1小时；取50ml乙醇/去离子水混合溶液加入到四异丙氧基钛溶液中，同时加入少量h2so4溶液进行快速水解；

5、2)将上述溶液转移到密封的反应釜中，置于烘箱中90℃生长12小时，离心收集tio2纳米颗粒，室温干燥并在450℃下退火1小时；

6、3)取一定质量的tio2纳米颗粒分散到20ml乙醇中，加入一定体积的aptes溶液，室温下超声30分钟。然后，通过离心除去过量的aptes；

7、4)将epoxy-301a置于60℃下搅拌60min以降低其粘度，将不同浓度的tio2/丙酮溶液缓慢添加到epoxy-301a中(掺杂浓度范围为0.02-2wt％)，60℃下搅拌12小时，继续添加一定量的epoxy-301b，震荡混合均匀，最后通过真空脱气以除去透明粘合剂中残留的空气；

8、5)取0.125g镀银的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球加入上述制备好的透明粘合剂中，搅拌均匀，得到透明导电粘合剂。

9、步骤4)中，epoxy-301a和epoxy-301b的比例为3:1。透明导电粘合剂中的粘合剂为基于aptes修饰tio2掺杂的epoxy-301a环氧树脂。透明导电粘合剂的导电颗粒为金属涂覆的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球，导电颗粒尺寸为1-50μm。

10、所述叠层电池是刚性iii-v族/晶硅叠层太阳电池、刚性钙钛矿/晶硅叠层太阳电池、柔性iii-v族/晶硅叠层太阳电池或者柔性钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。所述的晶硅电池是双面制绒或者单面制绒的晶硅电池。

11、所述的iii-v顶电池为单结的gainp、algaas、gaas结构，或者为两结的gainp/gaas、gainp/algaas、gainp/gainasp结构，或者为三结的algainp/algaas/gaas、algainp/gainp/algainas结构，或者为四结algainp/gainp/algainas/gainas、algainp/gainp/algaas/gaas结构。

12、所述的晶硅电池是前表面绒面的hjt电池、topcon电池、polo电池、dash电池、perc、perl或pert电池。

13、所述的晶硅电池的硅片是fz型，或是cz型。

14、所述的晶硅电池的硅片是n型，或是p型。

15、本发明的优点和积极效果是：

16、本发明通过采用一种纳米tio2掺杂的折射率可调的透明导电粘合剂，使用aptes对tio2纳米颗粒表面改性，解决了纳米tio2颗粒在环氧树脂中的团聚问题，通过调控tio2的浓度来获得折射率可调的透明导电粘合剂，同时采用绒面硅电池作为叠层电池的底电池，有效减少反射损失，增加硅底电池的光吸收。tio2掺杂浓度在0.02-2wt％范围内，其折射率在1.5-2.3之间，且薄膜光透过率和电导率并未受到明显影响。tio2掺杂浓度从0wt％增加至0.2wt％时，硅电池的积分电流密度从9.73ma/cm2提高到12.35ma/cm2。该方法与现有技术相比，解决了传统epoxy-301粘合剂折射率低，键合界面光损耗严重的问题；该折射率可调的透明导电粘合剂在800-1200nm波长范围内具有显著的减反射作用，因此有利于减少反射损失，增加光吸收，从而获得效率更高的iii-v族/晶硅叠层电池和钙钛矿/晶硅叠层电池。

17、本发明的机理分析：

18、光在介质中传播时，一般通过折射率n来量化当前介质中的光速相对于真空中的光速。光从折射率大的介质进入折射率小的介质会发生明显的界面反射。传统透明导电粘合剂的折射率较低，600nm波长处其折射率只有1.52，远低于iii-v族化合物的折射率(～3.5-4.0)以及si的折射率(～4.0)，使得基于透明导电粘合剂键合的iii-v族/晶硅叠层电池存在明显的界面反射损耗，器件短路电流密度较低。纳米tio2掺杂可以提高环氧树脂的折射率，但是由于界面结合能较弱，纳米tio2颗粒通常会遇到分散性不佳的问题。本发明设计并制备出了一种基于aptes表面改性纳米tio2掺杂的折射率可调的透明导电粘合剂。其中，aptes的si-or基团和nh2-基团将tio2纳米颗粒和环氧树脂偶联在一起，形成稳定的分散体系。通过使用含有不同tio2浓度的透明导电粘合剂，实现了透明导电粘合剂折射率在1.5-2.3之间的调控。在改善透明导电粘合剂折射率的同时，光学透过率和接触电阻未发生明显变化，为透明导电粘合剂在硅基叠层电池，特别是在iii-v/si和钙钛矿/si等叠层太阳电池的应用提供了基础。