CN104979474A - 基于钙钛矿电池和hit电池的叠层太阳能电池及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，包括：一背金属电极；一HIT电池，其制作在背金属电极上；一ITO连接层，其制作在HIT电池上；一电子传输层，其制作在ITO连接层上；一钙钛矿活性吸收层，其制作在电子传输层上；一空穴传输层，其制作在钙钛矿活性吸收层上；一界面修饰层，其制作在空穴传输层上；一迎光面透明电极，其制作在界面修饰层上；以及一金属栅线电极，其制作在迎光面透明电极上，该金属栅线电极位于迎光面透明电极上面中心的两侧。本发明可以拓宽吸收光谱，最大限度地将光能变成电能，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

Description

基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池及制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池及制作方法。
技术背景
钙钛矿太阳能电池是近几年兴起的一类非常具有前景的太阳能电池，它具有光电转换效率高、成本低、制作简单等突出优点。因此，近几年来这类太阳能电池相关材料和器件工艺的研究成为国内外研究的前沿和热点。目前提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的主要技术手段，一是调整钙钛矿电池的物质组成，研发性能更加优良的物质替代原来的空穴传输层，钙钛矿层或电子传输层，或者对原来的物质进行结构性能调整；二是优化结构或调控钙钛矿电池各层的形貌来优化界面性能。这些措施使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率在5年的时间内从3.8％迅速提高到20.1％。
虽然钙钛矿太阳能电池已经能达到20％以上的效率，但任何一种单节电池使用的光敏材料单一，它的理论效率由其带隙Eg决定，都有其理论极限，如晶硅太阳电池的转换效率的理论极限约为30％。这是由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，通常激发声子成为热损耗，即高能光子的能量不能得到充分利用。这些能量损失限制了太阳电池效率的提高。将不同带隙宽度的太阳电池，依照他们带隙宽度的大小，从上到下串叠起来构成多结叠层电池，无疑能克服低能和高能损失，是大幅度提高电池效率最直接的手段。
有机无机混合钙钛矿材料如CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI3-xClx，由于其光学带隙为1.55eV，其光响应范围在300nm-800nm左右，这使得在近红外区域的光谱没有得到利用，不能大幅度提高电池效率。因此，将钙钛矿太阳电池制备到现有的高效窄带隙太阳电池之上构成叠层电池，将是一个突破钙钛矿电池效率瓶颈的有效方案。硅的带隙为1.12eV，与钙钛矿能隙非常匹配，且晶硅太阳电池HIT电池具有转换效率高、稳定性好、成本低、工艺成熟等优点，因此，将钙钛矿电池和HIT电池结合制备叠层电池，期望通过叠层结构高效利用太阳光，从而显著提高电池效率。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池及制作方法，其可拓宽吸收光谱，最大限度地将光能变成电能，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
为达到上述目的，本发明提供一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，该结构由下至上依次包括：
一背金属电极；
一HIT电池，其制作在背金属电极上，该HIT电池的结构从下至上依次为N+型非晶硅层、本征非晶硅层、N型单晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层；
一ITO连接层，其制作在HIT电池上；
一电子传输层，其制作在ITO连接层上；
一钙钛矿活性吸收层，其制作在电子传输层上；
一空穴传输层，其制作在钙钛矿活性吸收层上；
一界面修饰层，其制作在空穴传输层上；
一迎光面透明电极，其制作在界面修饰层上；以及
一金属栅线电极，其制作在迎光面透明电极上，该金属栅线电极位于迎光面透明电极上面中心的两侧。
本发明还提供一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，该方法包括：
步骤1：采用常规方法制备HIT电池，该HIT电池的结构从下至上依次为N+型非晶硅层、本征非晶硅层、N型单晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层，并用蒸发沉积的方法在HIT电池的背面制备背金属电极，该背金属电极厚度为100nm至150nm；
步骤2：在HIT电池的上面采用磁控溅射制备ITO连接层；
步骤3：采用磁控溅射或者旋涂溶液的方法，在ITO连接层上面制备电子传输层；
步骤4：采用旋涂法在电子传输层上面制备钙钛矿活性光吸收层；
步骤5：采用旋涂法在钙钛矿层上面旋涂有机空穴传输层溶液，形成空穴传输层；
步骤6：采用热蒸发的方法在空穴传输层上沉积界面修饰层；
步骤7：在界面修饰层上制作迎光面透明电极；以及
步骤8：采用蒸发技术，通过掩膜制备金属栅线电极，该金属栅线电极位于迎光面透明电极上面中心的两侧，完成方法的制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的这种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的结构及其制作方法，能拓宽吸收光谱，最大限度地将光能变成电能，提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
2、本发明在空穴传输层上蒸发沉积界面修饰缓冲层作为空穴传输层和透明电极的保护层，也起到在空穴传输层和电极之间构建欧姆接触的作用，减少载流子从光敏层到电极传输时的能量势垒。
3、本发明在钙钛矿电池上面制备高电导率和透过率的透明电极，使其作为受光面，使整个电池先吸收短波长的太阳光，再吸收长波长的太阳光，构成合理的叠层电池，最大限度将光能变成电能。
附图说明
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，其中：
图1为本发明提供的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明提供的制作基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，该结构由下至上依次包括：
一背金属电极10；
一HIT电池20，其制作在背金属电极10上，该HIT电池20的结构从下至上依次为N+型非晶硅层21、本征非晶硅层22、N型单晶硅层23、本征非晶硅层24和P型非晶硅层25；
一ITO连接层30，其制作在HIT电池20上；
一电子传输层40，其制作在ITO连接层30上；
一钙钛矿活性吸收层50，其制作在电子传输层40上；
一空穴传输层60，其制作在钙钛矿活性吸收层50上；
一界面修饰层70，其制作在空穴传输层60上；
一迎光面透明电极80，其制作在界面修饰层70上；
一金属栅线电极90，其制作在迎光面透明电极80上，该金属栅线电极90位于迎光面透明电极80上面中心的两侧。
其中所述连接层30的材料可为ITO，厚度为10nm至25nm；所述电子传输层40的材料为ZnO或TiO2，厚度为40nm至70nm；所述钙钛矿活性吸收层50的材料为CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI3-xClx，厚度为300nm至400nm；
所述空穴传输层60的材料为Spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴)或PTAA(聚[双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺])，厚度为200nm至250nm；
所述界面修饰层70可以为MoO3，其厚度为10nm至25nm；
所述迎光面透明电极80的厚度为100nm至150nm；所述金属栅线电极90的厚度为120nm至150nm。
请参阅图2并结合参阅图1，本发明还提供一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，该方法包括：
步骤1：采用常规方法制备HIT电池20，该HIT电池20的结构从下至上依次为N+型非晶硅层21、本征非晶硅层22、N型单晶硅层23、本征非晶硅层24和P型非晶硅层25，制备步骤为：将硅片清洗、制绒，正面采用PECVD依次制备本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜，背面采用PECVD依次制备本征非晶硅薄膜和N+型非晶硅薄膜；再采用蒸发沉积的方法在HIT电池20的背面制备背金属电极10，该背金属电极10厚度为100nm至150nm；
步骤2：在HIT电池20的上面采用磁控溅射制备ITO连接层30；
步骤3：采用射频磁控溅射或者旋涂溶液的方法，在ITO连接层30上面制备电子传输层40；
步骤4：采用两步旋涂法在电子传输层40上面制备钙钛矿活性光吸收层50；
其中所述连接层30的材料为ITO，厚度为10nm至25nm，连接层的质量是叠层太阳能电池获得高效率的关键，它需具备低的串联电阻和小的光学损失等优点，ITO连接层具有良好的传导率，好的ITO可以改善叠层电池的性能；所述电子传输层40的材料为ZnO或TiO2，厚度为40nm至70nm，都可采用低温制作工艺进行制作，ZnO具有优良的电子传输性能，能成为很好的电子传输层，当TiO2溶液中添加添加剂比如TiAcAc，或者在添加TiAcAc的基础上再对溶液进行Y3+，Zn2+或Zr4+的掺杂，TiO2也能起到优良电子传输层的作用；所述钙钛矿活性吸收层50的材料为CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI3-xClx，厚度为300nm至400nm，所述钙钛矿活性吸收层50的制备过程为可采用一步法：直接旋涂CH3NH3PbI3-xClx溶液再退火形成钙钛矿层，也可以采用两步浸泡法：先在电子传输层40上旋涂PbI2溶液，再将衬底浸入到CH3NH3I溶液中，反应一段时间后形成钙钛矿层，还可以采用两步旋涂法：先在电子传输层40上旋涂PbI2溶液，退火后再旋涂CH3NH3I溶液或CH3NH3I与CH3NH3Cl的混合溶液，之后再进行退火，使两层之间进行互扩散，反应形成CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿层；
步骤5：采用旋涂法在钙钛矿层50上面旋涂有机空穴传输层溶液，形成空穴传输层60，所述空穴传输层60的材料为Spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]9，9’-螺二芴)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2，4，6-三甲基苯基)胺])或P3HT(聚-3己基噻吩)，厚度为200nm至250nm；
步骤6：采用热蒸发的方法在空穴传输层60上沉积MoO3层作为界面修饰层70；
其中所述MoO3界面修饰层70的厚度为15nm至20nm，其是作为迎光面透明电极80和空穴传输层60之间的保护层，也起到在空穴传输层60和电极80之间构建欧姆接触的作用，减少载流子从光敏层到电极传输时的能量势垒。
步骤7：在界面修饰层70上制作迎光面透明电极80；
步骤8：采用蒸发技术，通过掩膜制备金属栅线电极90，该金属栅线电极90位于迎光面透明电极80上面中心的两侧，完成方法的制备。
其中所述迎光面透明电极80的厚度为100nm至150nm；所述迎光面透明电极80的制备，可以采用AgNW复合电极：首先采用喷雾沉积法或旋涂法形成交错的AgNW导电网络，再用TiO2溶胶凝胶溶液使AgNW导电网络融合，增强AgNW导电网络之间的互联以及AgNW导电网络与下面空穴传输层之间的黏着，之后采用旋涂法沉积ITO纳米颗粒于交错的AgNW导电网络空白处作为透明导电填充物，形成透明复合电极；或是采用磁控溅射法用ITO靶制备ITO电极；所述金属栅线电极90的厚度为120nm至150nm，材料可采用Ag或者Au。
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 (10)

1.一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，该结构由下至上依次包括：
一背金属电极；
一HIT电池，其制作在背金属电极上，该HIT电池的结构从下至上依次为N+型非晶硅层、本征非晶硅层、N型单晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层；
一ITO连接层，其制作在HIT电池上；
一电子传输层，其制作在ITO连接层上；
一钙钛矿活性吸收层，其制作在电子传输层上；
一空穴传输层，其制作在钙钛矿活性吸收层上；
一界面修饰层，其制作在空穴传输层上；
一迎光面透明电极，其制作在界面修饰层上；以及
一金属栅线电极，其制作在迎光面透明电极上，该金属栅线电极位于迎光面透明电极上面中心的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，其中所述连接层的材料为ITO，厚度为10nm至25nm；所述电子传输层的材料为ZnO或TiO2，厚度为40nm至70nm；所述钙钛矿活性吸收层的材料为CH3NH3Pb I3或CH3NH3Pb I3-xClx，厚度为300nm至400nm。
3.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，其中空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴)或PTAA(聚[双(4苯基)(2，4，6三甲基苯基)胺])，厚度为200nm至250nm。
4.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，其中所述界面修饰层的厚度为10nm至25nm，其是作为迎光面透明电极和空穴传输层之间的保护层。
5.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池，其中所述迎光面透明电极的厚度为100nm至130nm；所述金属栅线电极的厚度为100nm至150nm。
6.一种基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，该方法包括：
步骤1：采用常规方法制备HIT电池，该HIT电池的结构从下至上依次为N+型非晶硅层、本征非晶硅层、N型单晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层，并用蒸发沉积的方法在HIT电池的背面制备背金属电极，该背金属电极厚度为100nm至150nm；
步骤2：在HIT电池的上面采用磁控溅射制备ITO连接层；
步骤3：采用磁控溅射或者旋涂溶液的方法，在ITO连接层上面制备电子传输层；
步骤4：采用旋涂法在电子传输层上面制备钙钛矿活性光吸收层；
步骤5：采用旋涂法在钙钛矿层上面旋涂有机空穴传输层溶液，形成空穴传输层；
步骤6：采用热蒸发的方法在空穴传输层上沉积界面修饰层；
步骤7：在界面修饰层上制作迎光面透明电极；以及
步骤8：采用蒸发技术，通过掩膜制备金属栅线电极，该金属栅线电极位于迎光面透明电极上面中心的两侧，完成方法的制备。
7.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，其中所述连接层的材料为ITO，厚度为10nm至25nm；所述电子传输层的材料为ZnO或TiO2，厚度为40nm至70nm；所述钙钛矿活性吸收层的材料为CH3NH3Pb I3或CH3NH3Pb I3-xClx，厚度为300nm至400nm。
8.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，其中空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴)或PTAA(聚[双(4-苯基)(2，4，6三甲基苯基)胺])，厚度为200nm至250nm。
9.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，其中所述界面修饰层的厚度为10nm至25nm，其是作为迎光面透明电极和空穴传输层之间的保护层。
10.根据权利要求1所述的基于钙钛矿电池和HIT电池的叠层太阳能电池的制作方法，其中所述迎光面透明电极的厚度为100nm至130nm；所述金属栅线电极的厚度为100nm至150nm。
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