CN104867997A - 一种叠层太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叠层太阳能电池及其制备方法，该叠层太阳能电池包括：硅太阳能电池；在该硅太阳能电池上表面形成的高带隙光电转换材料；和/或在该硅太阳能电池下表面形成的低带隙光电转换材料。本发明针对硅太阳能电池性能难以大幅度提高的问题，添加额外的吸收层，即在硅基太阳能电池的正面和/或背面增加高能量光电转换材料和低能量光电转换材料，实现叠层多结硅基太阳能电池，以达到大幅提高硅基太阳能电池转换效率的目的，同时又不增加过多基础设施的投资，实现了低投入的高效太阳能电池制造能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是一种高性能、低成本的叠层太阳能电池及其制备方法。
背景技术
面对日益紧迫化石能源危机及全球变暖、生态环境恶化等巨大挑战的发展态势，创新发展清洁高效太阳能光伏开发和利用新技术已经成为世界各国竞相追逐的目标。太阳能电池的效率持续提高仍然是当前甚至将来很长一段时间科研界和产业界需要解决的最重要的太阳能电池关键问题。
太阳能电池发展经历了三个阶段：以硅片为基础的第一代太阳能电池；基于薄膜材料的第二代太阳电池；第三代太阳电池则是当前发展的热点，具有如下条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒。目前第三代太阳电池还在试验研究中，已经提出的主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。其中，叠层太阳能电池是太阳能电池发展的一个重要方向。
硅由于原料丰富、性能稳定、环境友好、带宽匹配以及与硅基微电子工艺兼容等诸多优点，目前占据了全世界商用太阳电池超过90％的市场份额，可以预见，硅基太阳电池仍将是未来光伏电池发展的主流。目前广泛应用的晶硅太阳电池主要是基于平面层状pn结结构。由于受Schockley-Queisser极限限制，单结晶体硅pn结电池效率理论极限仅为31％。到目前为止，实验室最高效率为澳大利亚新南威尔士大学报道的24.7％，实际规模化产品的效率为17-19％。硅基薄膜电池转换效率更低，据报道，实验室最好水平只有14.6％，稳定后达到13％。由于受理论极限值的限制，传统单结硅基太阳电池的转换效率不可能再有大幅度提高。
叠层太阳能电池(tandem solar cell)，也称为多结太阳能电池(multijunction solar cell)，是一种效率较高的太阳能电池结构，把太阳能光谱分成几个波段，每一层电池分别吸收不同波段的入射光，不但能够利用太阳能光谱中350—800nm的可见光波段，还可以吸收1000nm-2400nm的红外波段，最大限度地提高了转换效率。叠层电池的数个p-n结，带隙各不相同，蓝紫光这样高能量的光子经过第一个p-n结，产生了载流子后，会有一部分载流子复合，发射红光或红外光这样的低能量光子。为了充分利用这些低能量的光子，叠层电池的结构中，较大带隙的p-n结制备在顶端，先吸收太阳能光，较小带隙的p-n结制备在底端。通过增加不同带隙的p-n结，转换效率有明显提高。
虽然存在多结的理论可能，如图1所示，但是由于其晶格匹配问题，一直难于找到与Si匹配且带隙合适的半导体材料。Si附近缺少晶格匹配以及能带合适的半导体材料。而最常见的叠层太阳能电池为Ge/GaAs/InGaP，可以在图中看到其具有非常好的晶格匹配。
第二代太阳电池是基于薄膜材料的太阳电池。薄膜技术所需材料较晶体硅太阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，可有效降低成本。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池，其中以多晶硅为材料的太阳能电池最优。太阳能光电转换率的卡诺上限是95％，远高于标准太阳能电池的理论上限33％，表明太阳能电池的性能还有很大发展空间。
在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池以其结构简单、制备成本低廉等优点吸引了众多科研工作者的关注。其光电转化效率在近5年内从3.8％迅速提高到20.2％(截止到2014年底)，如图2所示，把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后，高于非晶硅太阳电池效率，被Science评选为2013年十大科学突破之一。随着电池工艺的进一步发展和成熟，电池效率有望进一步提高，有广泛的应用前景。
以III-V族化合物及CIS等稀有元素制备的太阳能电池，尽管所制成的电池转换效率很高，但从材料来源和环境问题来看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中要考虑的两个主要因素，目前的非晶硅系叠层太阳能电池，要想把效率提高很多是很困难的，而且非晶硅系叠层太阳能电池对材料纯度要求较高，价格贵，很大程度上限制了其工业化推广。高效钙钛矿太阳能电池自2009年提出以来，一直是科学家的研究热点，高效钙钛矿叠层太阳能电池的研究虽然刚刚起步，但其关键材料低廉而且来源广泛，并且染敏二氧化钛制备工艺简单，工业实现相对容易很多。
总之，当前太阳能电池存在以下问题，我们可以提出一些更好的解决方案：
1、Si太阳能电池发展成熟，但是效率偏低，提高难度较大；
2、现有叠层电池在材料来源和环保方面的问题使得其最终难于大规模应用；
3、钙钛矿结构等太阳能电池发展迅速，显示出很大潜力，但是单独应用存在较大竞争和限制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种叠层太阳能电池的制备方法，以提高硅基太阳能电池转换效率，实现低投入的高效太阳能电池制造能力。
(二)技术方案
为达到上面的目的，本发明提供了一种叠层太阳能电池，该叠层太阳能电池包括：硅太阳能电池；在该硅太阳能电池上表面形成的高带隙光电转换材料；和/或在该硅太阳能电池下表面形成的低带隙光电转换材料。
上述方案中，所述硅太阳能电池为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池。
上述方案中，所述高带隙光电转换材料或所述低带隙光电转换材料采用有机光电转换材料或无机光电转换材料。
上述方案中，所述高带隙光电转换材料或所述低带隙光电转换材料，无需严格的晶格匹配即可获得相应的光电转换性能。
上述方案中，所述高带隙光电转换材料或所述低带隙光电转换材料，是燃料敏化有机太阳能电池材料、钙钛矿型太阳能电池材料或非晶材料或者多晶材料。
上述方案中，所述硅太阳能电池与高带隙光电转换材料之间的连接通过隧穿结、金属导电层或透明导电薄膜实现；或者所述硅太阳能电池与低带隙光电转换材料之间的连接通过隧穿结、金属导电层或透明导电薄膜实现。
为达到上述目的，本发明还提供了一种叠层太阳能电池的制备方法，该方法包括：选择硅太阳能电池；在该硅太阳能电池正面制备第一连接导电层，在该第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料；和/或在该硅太阳能电池背面制备第二连接导电层，在该第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料。
上述方案中，所述硅太阳能电池作为中间层，具有光电转换性能，采用多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池。
上述方案中，所述第一连接导电层或所述第二连接导电层均采用透明导电材料或者金属材料。
上述方案中，所述在第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料，是采用旋涂方法在第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料，该高带隙光电转换材料用来吸收硅太阳能电池浪费掉的短波长太阳能光，以提高太阳能光的转换效率。
上述方案中，所述在第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料，是采用旋涂方法在第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料，该低带隙光电转换材料用来吸收硅带隙1.1eV能量以下的红外太阳能光，以提高太阳能光的转换效率。
上述方案中，该方法还包括：在高带隙光电转换材料和/或低带隙光电转换材料上分别制备电极，连接形成叠层太阳能电池。
(三)有益效果
针对硅太阳能电池性能难以大幅度提高的问题，本发明提供的叠层太阳能电池及其制备方法，添加了额外的吸收层，该吸收层主要指在硅基太阳能电池的正面和背面分别增加高能量光电转换材料和低能量光电转换材料，实现了叠层多结硅基太阳能电池，达到了大幅提高硅基太阳能电池转换效率的目的，同时又不增加过多基础设施的投资，实现了低投入的高效太阳能电池制造能力。
附图说明
图1是常见半导体材料晶格常数与禁带宽度图。
图2是钙钛矿太阳能电池发展曲线。
图3是本发明提供的叠层太阳能电池的结构示意图。
图4是本发明提供的叠层太阳能电池的效果示意图。
图5是依照本发明实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图3所示，图3是本发明提供的叠层太阳能电池的结构示意图，该叠层太阳能电池包括：硅太阳能电池；在该硅太阳能电池上表面形成的高带隙光电转换材料；和/或在该硅太阳能电池下表面形成的低带隙光电转换材料。
其中，硅太阳能电池可以为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池等，硅太阳能电池可以是商业上购买或者工厂使用常规手段制备的。
高带隙光电转换材料或低带隙光电转换材料采用有机光电转换材料或无机光电转换材料，高带隙光电转换材料或低带隙光电转换材料，无需严格的晶格匹配即可获得相应的光电转换性能。
高带隙光电转换材料或低带隙光电转换材料，可以是燃料敏化有机太阳能电池材料、钙钛矿型太阳能电池材料或非晶材料或者多晶材料。
硅太阳能电池与高带隙光电转换材料(或低带隙光电转换材料)之间的连接可以通过隧穿结、金属导电层或透明导电薄膜实现，以保证上下电极的连接。
参照图3，在硅太阳能电池正面和背面分别制备高带隙和/或低带隙光电转换材料，用于吸收硅太阳能电池没有吸收的太阳能高能量部分和低能量部分。当然可以根据实际需要只添加上面的高能量光电转换材料或者只添加下面的低能量光电转换材料部分。
参照图4，图4是本发明提供的叠层太阳能电池的效果示意图。图中外层曲线为太阳光谱，中间闭合曲线部分为硅太阳能电池的典型吸收曲线，可以看到在高能量(左边，短波长部分)和低能量(右边，长波长部分)都有为充分利用的能量，也即为高带隙光电转换材料和低带隙光电转换材料提供可用的太阳光。
具有图3和图4所示的叠层太阳能电池，本发明还提供了一种叠层太阳能电池的制备方法，该方法包括：
步骤1：选择硅太阳能电池；其中，硅太阳能电池作为中间层，具有光电转换性能，可以采用多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池。
步骤2：在该硅太阳能电池正面制备第一连接导电层，在该第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料；
步骤3：在该硅太阳能电池背面制备第二连接导电层，在该第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料。
步骤2和步骤3中，第一连接导电层或第二连接导电层均可以采用透明导电材料或者金属材料；在第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料，可以采用旋涂等方法在第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料，该高带隙光电转换材料用来吸收硅太阳能电池浪费掉的短波长太阳能光，以提高太阳能光的转换效率；在第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料，可以采用旋涂等方法在第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料，该低带隙光电转换材料用来吸收硅带隙1.1eV能量以下的红外太阳能光，以提高太阳能光的转换效率。
该方法在步骤3之后还可以包括：在高带隙光电转换材料和/或低带隙光电转换材料上分别制备电极，连接形成叠层太阳能电池。
本发明基于现有成熟的硅太阳能电池，在其基础上增加对晶格匹配没有严格要求的光电转换材料，实现硅基太阳能电池性能的提高。具体实施例如图5所示，图5是依照本发明实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。
首先需要有具有光电转换性能的硅太阳能电池作为基础，图5中硅太阳能电池为中间层；
其次在硅太阳能电池正面制备合适的导电层，例如透明导电材料或者金属，如图5中层所示的第一连接导电层1；
然后再在的第一连接导电层1上使用旋涂方法制备高带隙的光电转换材料(如钙钛矿材料)来吸收硅太阳能电池浪费掉的短波长太阳能光，见图4硅太阳能电池的太阳能光谱利用部分示意图，短波长部分有相当多的未吸收部分可以利用此高带隙光电转换材料进行吸收转换；
与此类似，可以在硅太阳能电池背面制备第二连接导电层2，然后在其上制备低带隙光电转换材料以吸收硅带隙1.1eV能量以下的红外太阳光谱，如图4中长波长部分，在1100nm以后硅由于带隙不能吸收长波长部分，这个可以通过旋涂低带隙的光电转换材料(如另外的低带隙钙钛矿材料)来实现。
最后在高、低带隙光电转换材料上分别制备电极，连接形成太阳能电池，其具有比硅太阳能电池更好的光电转换效率。
根据以上描述，本发明可以解决硅太阳能电池性能难以大幅度提高的问题，通过添加额外的吸收层，实现了低投入的高效太阳能电池制造能力。
需要说明的是，本发明中所述的高带隙或低带隙也可以称为宽带隙或窄带隙，其中高带隙是指带隙比硅的1.1eV更高的能量范围，比如1.3eV；而低带隙是指带隙比硅的1.1eV更低的能量范围，如0.8eV。理论上讲只要能量高于带隙的光子，半导体材料都可以将其能量吸收转化为电势能，但是从图2也可以看到实际上有很大比例的高能光子硅太阳能电池是无法吸收利用的，如图左半部分所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种叠层太阳能电池，其特征在于，该叠层太阳能电池包括：
硅太阳能电池；
在该硅太阳能电池上表面形成的高带隙光电转换材料；和/或
在该硅太阳能电池下表面形成的低带隙光电转换材料。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述硅太阳能电池为多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述高带隙光电转换材料或所述低带隙光电转换材料采用有机光电转换材料或无机光电转换材料。
4.根据权利要求1或3所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述高带隙光电转换材料或所述低带隙光电转换材料，无需严格的晶格匹配即可获得相应的光电转换性能。
5.根据权利要求1或3所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述高带隙光电转换材料或所述低带隙光电转换材料，是燃料敏化有机太阳能电池材料、钙钛矿型太阳能电池材料或非晶材料或者多晶材料。
6.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，
所述硅太阳能电池与高带隙光电转换材料之间的连接通过隧穿结、金属导电层或透明导电薄膜实现；或者
所述硅太阳能电池与低带隙光电转换材料之间的连接通过隧穿结、金属导电层或透明导电薄膜实现。
7.一种叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括：
选择硅太阳能电池；
在该硅太阳能电池正面制备第一连接导电层，在该第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料；和/或
在该硅太阳能电池背面制备第二连接导电层，在该第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料。
8.根据权利要求7所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述硅太阳能电池作为中间层，具有光电转换性能，采用多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池。
9.根据权利要求7所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一连接导电层或所述第二连接导电层均采用透明导电材料或者金属材料。
10.根据权利要求7所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料，是采用旋涂方法在第一连接导电层上制备高带隙光电转换材料，该高带隙光电转换材料用来吸收硅太阳能电池浪费掉的短波长太阳能光，以提高太阳能光的转换效率。
11.根据权利要求7所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料，是采用旋涂方法在第二连接导电层上制备低带隙光电转换材料，该低带隙光电转换材料用来吸收硅带隙1.1eV能量以下的红外太阳能光，以提高太阳能光的转换效率。
12.根据权利要求7所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法还包括：
在高带隙光电转换材料和/或低带隙光电转换材料上分别制备电极，连接形成叠层太阳能电池。
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|---|---|---|---|---|
| CN105336862A (zh) * | 2015-09-28 | 2016-02-17 | 湘潭大学 | 一种整体堆叠双结钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
| CN106025087A (zh) * | 2016-07-13 | 2016-10-12 | 苏州协鑫集成科技工业应用研究院有限公司 | 叠层太阳能电池及其制备方法 |
| JP2017168498A (ja) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | 株式会社カネカ | 積層型光電変換装置およびその製造方法 |
| CN109039259A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-18 | 常州大学 | 一种红外线梯形吸收的双面光伏发电系统 |
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