CN105932161A - 叠层太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，具体公开了一种叠层太阳能电池，其依次包括顶电池单元、中间层、及底电池单元；顶电池单元的空穴传输层位于光敏层的背光侧，底电池单元为P型硅电池。上述叠层太阳能电池，采用P型硅电池与倒置钙钛矿电池搭配，使空穴传输层位于光敏层的背光侧，同时电子传输层位于光敏层的入光侧，从而避免了空穴传输层对光的强吸收，进而增强了太阳光进入光敏层的能量，从而减少短路电流的损失。另外，P型硅电池的PN距离入光侧较近，有利于底电池对光的吸收，进一步提高叠层太阳能电池的性能。同时，P型硅电池的使用，也有利于降低叠层电池整体的成本。本发明还公开了一种叠层太阳能电池的制备方法。

Description

叠层太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种叠层太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳光谱的能量分布较宽，一种半导体材料只能吸收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而不能被利用；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳能电池的理论转换效率的一般较低。
于是出现了叠层太阳能电池，其一般由宽禁带带隙的顶电池单元、中间层和窄带带隙的底电池三部分依次层叠而成。叠层太阳能电池可以让短波长的光被顶电池单元利用，波长较长的光透过顶电池单元被底电池单元利用，这样就有可能最大限度地将光能变成电能，提高太阳能电池的理论转换效率。
将成本较低的钙钛矿电池和技术最成熟的硅电池结合制备叠层电池，被认为是一种很有潜力的高效电池新技术。其中，顶电池单元钙钛矿电池从上到下一般依次为spiro-OMeTAD层、光敏层、TiO2致密层，对应地底电池单元一般为N型硅电池；但是上述叠层太阳能电池的短路电流损失严重。
发明内容
基于此，有必要针对现有的叠层太阳能电池中短路电流损失严重的问题，提供一种减少短路电流损失的叠层太阳能电池。
一种叠层太阳能电池，包括：顶电池单元、底电池单元以及位于所述顶电池单元与所述底电池单元之间的中间层；
所述顶电池单元包括含有钙钛矿材料的光敏层、位于所述光敏层远离所述中间层一侧的电子传输层、位于所述光敏层靠近所述中间层一侧的空穴传输层、以及位于所述电子传输层上的第一电极；
所述底电池单元为P型硅电池。
上述叠层太阳能电池，采用P型硅电池与倒置钙钛矿电池搭配；即底电池单元采用P型硅电池，顶电池单元采用倒置的钙钛矿电池；这样使空穴传输层位于光敏层的背光侧，同时电子传输层位于光敏层的入光侧，从而减少了空穴传输层对光的强吸收，进而增强了太阳光进入光敏层的能量，从而减少短路电流的损失。另外，在叠层太阳能电池中，P型硅电池的PN距离入光侧较近，有利于底电池对光的吸收，进一步提高叠层太阳能电池的性能。同时，P型硅电池的使用，也有利于进一步降低叠层太阳能电池整体的成本。
在其中一个实施例中，所述空穴传输层为非化学计量比的氧化镍层。
在其中一个实施例中，所述空穴传输层为化学喷涂层。
在其中一个实施例中，所述电子传输层为氧化锌层。
在其中一个实施例中，所述底电池单元为PERC电池。
在其中一个实施例中，所述底电池单元包括靠近所述中间层的内接电极，所述内接电极为点电极。
在其中一个实施例中，所述第一电极为金属栅线电极；所述第一电极与所述点电极位置相对设置。
在其中一个实施例中，所述点电极的高度为80～280nm。
在其中一个实施例中，所述中间层为透明导电薄膜层。
本发明还提供了一种上述叠层太阳能电池的制备方法。
一种叠层太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
提供P型硅电池；
在所述P型硅电池上形成中间层；
在所述中间层上形成钙钛矿电池。
上述制备方法，工艺简单，易于制备大面积叠层太阳能电池。
附图说明
图1为本发明一实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。
图2为图1中内接电极的图案示意图。
图3为本发明另一实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，本发明一实施例的叠层太阳能电池1000，包括顶电池单元100、底电池单元120以及位于顶电池单元100与底电池单元200之间的中间层300。具体地，顶电池单元100为钙钛矿电池，也就是说，顶电池单元100是利用钙钛矿材料吸收光子并产生电子空穴对。底电池单元200为硅电池，也就是说，底电池单元200是利用硅基材料吸收光子并产生电子空穴对。
其中，顶电池单元100包括光敏层110、位于光敏层110靠近中间层300一侧(图1中的下侧)的空穴传输层(Hole Transport Layer，HTL)120、依次位于光敏层110远离中间层300(图1中的上侧)的电子传输层(Electron TransportLayer，ETL)130、第一透明导电薄膜层140、以及第一电极150。
在顶电池单元100中，光敏层110为顶电池单元100的核心层。光敏层110中含有钙钛矿材料，钙钛矿材料在吸收光子之后可以产生电子空穴对。在本实施例中，光敏层110为钙钛矿材料形成的半导体薄膜。优选地，光敏层110通过化学喷涂法或热蒸发法形成。优选地，光敏层的厚度为120nm～160nm。当然，可以理解的是，光敏层110还可以是钙钛矿材料填充的介孔结构。
本发明的钙钛矿材料的禁带宽度优选为1.7～1.8eV。这样可使作为顶电池单元100的钙钛矿电池中光敏层110的禁带宽度与作为底电池单元200的硅电池的硅的禁带宽度相匹配，进而使顶电池单元100与底电池单元200的电流匹配，从而进一步提高叠层太阳能电池1000的电流效率。当然，可以理解的是，本发明的钙钛矿材料没有特殊限制，亦可以采用其它本领域技术人员所公知的各种适用于钙钛矿电池的钙钛矿材料。
在顶电池单元100中，空穴传输层120的主要作用是，将光敏层110产生空穴分离导出。在本实施例中，空穴传输层120为非化学计量比的氧化镍层，也就是说，空穴传输层120的材料选用非化学计量比的氧化镍NiOx。NiOx的功函数大致在5eV左右，这样可以与光敏层110形成良好的能带匹配；同时，NiOx的禁带宽度大致在3eV左右，其禁带宽度较大，减少了空穴传输层120对光的吸收，从而有利于提高叠层太阳电池的短路电流。
优选地，非化学计量比的氧化镍层的厚度为40～120nm。这样可以保证空穴的有效分离，同时进一步减少空穴传输层120对光的吸收。
优选地，非化学计量比的氧化镍层通过化学喷涂法或溅射法形成。
当然，可以理解的是，空穴传输层120的材料还可以是PEDOT:PSS或CuSCN等。
在顶电池单元100中，电子传输层130的主要作用是将光敏层110产生的电子分离导出。在本实施例中，电子传输层130为氧化锌层。由于本发明采用倒置的钙钛矿电池，在光敏层110的薄膜上形成电子传输层，氧化锌层可以采用化学喷涂法或物理气相沉积法形成，可以避免二氧化钛致密层的高温工艺，从而避免对光敏层110的高温伤害。当然，可以理解的是，电子传输层160还可以是氧化锡等。
优选地，氧化锌层的厚度为30～120nm。这样可以保证电子的有效分离，同时减少寄生电阻。
优选地，氧化锌层通过化学喷涂法或物理气相沉积法形成。
在顶电池单元100中，第一透明导电薄膜层140(TCO)的主要作用是收集传输载流子。在本实施例中，第一透明导电薄膜层140为ITO，当然，可以理解的是，第一透明导电薄膜层140还可以是FTO、ZTO、AZO、IWO等。在本实施例中，第一透明导电薄膜层140通过物理气相沉积法形成。
在顶电池单元100中，第一电极150作为整个叠层太阳能电池1000的外接电极。在本实施例中，第一电极150为银栅线电极。当然，可以理解的是，第一电极150还可以是铜栅线电极等其它金属栅线电极。第一电极150可以采用热蒸发工艺或丝网印刷工艺形成。
在本实施例中的顶电池单元100中，太阳光从图1中上侧射入顶电池单元100，首先穿过电子传输层130、然后进入光敏层110，光敏层110吸收太阳光中的短波光，同时产生电子和空穴，空穴通过空穴传输层120导出，电子通过电子传输层160导出并最终传递至第一透明导电薄膜层140及第一电极150，从而产生光生电压，在接通外电路之后产生光电流。
当然，可以理解的是，顶电池单元100也可以不设置第一透明导电薄膜层140。
在本发明中，中间层300的主要作用是在电学上连接顶电池单元100和底电池单元200。
在本实施例中，中间层300为第二透明导电薄膜层(TCO)。采用TCO作为中间层，其具有比遂穿结更高的导电性，可以有效降低顶电池单元100和底电池单元200之间的串联电阻，且不会增加额外的漏电和电池有效面积的损失，使叠层太阳能电池的效率更高。
更具体地，中间层300为ITO，其光电性能优异，制备工艺成熟。当然，可以理解的是，中间层300还可以是其它透明导电氧化物，例如FTO、ZTO、AZO、IWO等。
优选地，中间层300的厚度为100～200nm。这样可以保证中间层300具有较低的方块电阻并降低中间层300对光的吸收。
当然，可以理解的是，本发明的中间层300还可以是遂穿结。遂穿结可以采用本领域技术人员所公知的结构以及材料，在此不再赘述！
本发明中的底电池单元200为P型硅电池。也就是硅片为P型硅片。本发明的底电池单元200可以是单面太阳能电池，亦可以是双面太阳能电池。在本实施例中，底电池单元200为单面太阳能电池。
具体地，底电池单元200包括晶体硅片210、位于晶体硅片210的一侧(图1中的上侧)的第一扩散掺杂层220、位于第一扩散掺杂层220上的第一绝缘钝化层230、以及贯穿第一绝缘钝化层230与第一扩散掺杂层220连通的内接电极240；以及位于晶体硅片210另一侧的第二电极260。
其中，在本发明中，晶体硅片210为P型，对应地，第一扩散掺杂层220为N型；同时为了保证电性一致，第一扩散掺杂层220位于晶体硅片210靠近顶电池单元100的一侧。更具体地，本实施例的晶体硅片210为P型单晶硅片。
具体地，晶体硅片210的厚度一般小于200μm。优选地，晶体硅片210的厚度为100～200μm。这样既可以节约硅材料的使用，进而降低成本；又可以提高工艺稳定性。
其中，第一绝缘钝化层230的主要起到有效地起到减反射和钝化的作用。
在本实施例中，第一绝缘钝化层230为SiNx层。当然，可以理解的是，第一绝缘钝化层230还可以是由其它材料制成，例如硅的氧化物。
由于第一绝缘钝化层230绝缘，因此在第一绝缘钝化层230上开设有贯通孔，在贯通孔中填充导电物质，形成内接电极240，内接电极240直接与中间层300电连接，从而将PN结的电流导出到中间层300。
结合图1参见图2，在本实施例中，内接电极240为点电极。优选地，点电极的高度为80～280nm。
具体地，每个点电极的形状呈矩形或正方形，其长度及宽度均优选为30～60微米，相邻两个点电极之间的距离为1～2mm。
在本实施例中，点电极的位置与顶电池单元100中第一电极150相对设置。也就是说，第一电极150与内接电极240上下对准。这样，可以避免增加光的反射损失，进一步提高叠层太阳能电池的性能。
具体地，点电极240的材料为银，当然，可以理解的是，点电极240还可以为铜、镍等。
其中，第二电极260作为叠层太阳能电池的第二个外接电极。在本实施例中，第二电极260为全铝电极，即在晶体硅片210的背面全部印刷铝浆。当然，可以理解的是，第二电极260并不局限于此。
上述叠层太阳能电池，采用P型硅电池与倒置钙钛矿电池搭配；即底电池单元200采用P型硅电池，顶电池单元100采用倒置的钙钛矿电池；这样使空穴传输层120位于光敏层110的背光侧，而电子传输层130位于光敏层110的入光侧，从而避免了空穴传输层120对光的强吸收，进而增强了太阳光进入光敏层110的能量，从而减少短路电流的损失。另外，P型硅电池的PN结距离入光侧较近，有利于底电池单元200对光的吸收，进一步提高叠层太阳能电池的性能。同时，P型硅电池的使用，也有利于降低叠层太阳能电池整体的成本。
参见图3，图3为本发明另一实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。本实施例中的叠层太阳能电池2000与上一实施例中的叠层太阳能电池1000，其顶电池单元100与中间层300相同，在此不再赘述！本实施例的底电池单元200’为PERC电池。与上一实施例所不同的是：在晶体硅片210的背面设有第二绝缘钝化层270、以及第三电极280。
第二绝缘钝化层270的主要作用是，抑制载流子在电池表面的复合，同时还能增加对长波的反射，起到背反射器的作用，增加对长波的吸收。
在本实施例中，第二绝缘钝化层270为氧化铝层。当然，可以理解的是，第一绝缘钝化层230还可以是由其它材料制成。
由于第二绝缘钝化层270绝缘，因此在第二绝缘钝化层270上开设有贯通孔，使第三电极280与晶体硅片210电接触，从而将PN结的电流导出。
在本实施例中，第三电极280覆盖整个第二绝缘钝化层270并填充第二绝缘钝化层270上的贯通孔。
具体地，第三电极280为铝电极。当然，可以理解的是，第三电极280并不局限于此。
本发明还提供了一种上述叠层太阳能电池的制备方法。
一种叠层太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
提供P型硅电池；
在P型硅电池上形成中间层；
在中间层上形成钙钛矿电池。
其中，P型硅电池的制备，可以采用本领域技术人员所公知的方法，在此不再赘述。为了保证钙钛矿电池中光敏层的成膜质量，本制备方法优选P型硅电池中无绒面结构。
其中，中间层采用沉积的方式形成，具体地，采用PVD物理气相沉积、或RPD活性等离子体沉积。
其中，钙钛矿电池的形成以中间层作为衬底形成钙钛矿电池的各层。本领域技术人员根据实际情况选择合适的各层制备方法，在此不再赘述。
上述制备方法，工艺简单，易于制备大面积叠层太阳能电池。
上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种叠层太阳能电池，其特征在于，包括：顶电池单元、底电池单元以及位于所述顶电池单元与所述底电池单元之间的中间层；
所述顶电池单元包括含有钙钛矿材料的光敏层、位于所述光敏层远离所述中间层一侧的电子传输层、位于所述光敏层靠近所述中间层一侧的空穴传输层、以及位于所述电子传输层上的第一电极；
所述底电池单元为P型硅电池。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为非化学计量比的氧化镍层。
3.根据权利要求2所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层为化学喷涂层。
4.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为氧化锌层。
5.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述底电池单元为PERC电池。
6.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述底电池单元包括靠近所述中间层的内接电极，所述内接电极为点电极。
7.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第一电极为金属栅线电极；所述第一电极与所述点电极位置相对设置。
8.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述点电极的高度为80～280nm。
9.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述中间层为透明导电薄膜层。
10.一种权利要求1所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供P型硅电池；
在所述P型硅电池上形成中间层；
在所述中间层上形成钙钛矿电池。
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