CN106409961B - 一种n-Si/CdSSe叠层太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种n‑Si/CdSSe叠层太阳电池，包括由上至下依次叠置的CdSSe薄膜顶电池、隧穿层和晶体硅底电池，所述隧穿层为单层或双层氧化物结构，所述单层氧化物结构材质为SnO2或In2O3，所述双层氧化物结构的上层材质为SnO2或In2O3，所述双层氧化物的下层材质为Al2O3或SiO2。本发明还公开了这种n‑Si/CdSSe叠层太阳电池的制备方法。该n‑Si/CdSSe叠层太阳电池可减少两电池界面处电流复合损失，并保证顶电池在厚度比较薄的情况下的电流输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层太阳电池及其制备方法，具体涉及一种n-Si/CdSSe叠层太阳电池及其制备方法，属于太阳电池材料与器件领域。
背景技术
太阳电池是一种可以直接将太阳光转化为电能的器件，具有安全、环保、发电形式简单、维护方便等优点。目前，太阳电池领域占市场主导地位的是晶体硅太阳电池。这种太阳电池的优点在于原材料丰富，加工工艺成熟，电池光电转换效率高的优点。晶体硅的禁带宽度为1.12eV，可以吸收太阳光中能量大于其禁带宽度的光子(波长涵盖紫外至约1100nm范围内的入射光)，而能量小于其禁带宽度的光(波长超过1100nm)，将直接透过晶体硅材料而不被吸收。虽然晶体硅的吸收光谱范围涵盖了太阳光中辐射强度最大的部分(紫外-可见光-红外)，但是对于能量远高于其禁带宽度的光子被晶体硅吸收后，多余的能量将传递给晶体硅晶格，增加晶体硅中硅原子的热运动。这一方面造成了高能光子的能量不能被充分利用转化为电能，另一方晶格热振动也会对载流子的传输产生不利影响。为了解决这一问题，采用不同禁带宽度的半导体采用相叠加的方法，使禁带宽度较大的材料作为顶电池的吸收层吸收太阳光中能量较大的光子，然后再由晶体硅来吸收透过顶电池的太阳光谱中能量较小的光子。这样既提高了太阳电池对入射光的利用率，又降低了高能光子多余能量的热效应。以晶体硅作为底电池制备叠层太阳电池一般采用薄膜太阳电池作为顶电池，而目前p-n结结构的薄膜太阳电池吸收层大部分为p型导电类型，如CIGS、CZTS、CdTe等太阳电池，这些薄膜太阳电池均可以与p型硅太阳电池形成叠层太阳电池结构。
与p型硅相比，n型硅具有更好的电学性能及杂质容忍度，是晶体硅太阳电池行产业大力发展的一种新型太阳电池。而若要在n型晶体硅上形成叠层太阳电池以实现充分利用入射光的目的，则需要寻找一种吸收层具有n型导电特征，或采用类似于n-i-p结构的太阳电池作为顶电池，才能保证两个子电池内建电场方向一致。如前所述，目前禁带宽度适宜和晶体硅太阳电池结合构成叠层太阳电池的p-n结薄膜电池的吸收层大部分为p型导电，并不适合与n型晶体硅太阳电池构成叠层结构。因此，研究人员多采用类似n-i-p结构的薄膜太阳电池与n型晶体硅结合来制备叠层太阳电池。如中国专利CN104253173A，CN105655433A，CN105895712A中均采用非晶硅薄膜太阳电池与n型晶体硅太阳电池构成叠层结构。在这种结构中考虑到顶电池对入射光的遮挡作用需适当对其厚度减薄以保证晶体硅底电池的电流输出，而非晶硅顶电池本身输出电流较低，再对其进行减薄势必会进一步降低整个叠层电池的输出电流(叠层太阳电池整体的输出电流受其输出电流较低的子电池限制)，从而使得叠层电池的光电转换效率不高。而中国专利CN104269451A公开了一种硅基钙钛矿叠层太阳电池，其中采用了有机/无机杂化钙钛矿太阳电池作为顶电池与n型晶体硅电池结合构成叠层太阳电池结构。这种结构同样需要对顶电池减薄以保证n型晶体硅底电池的输出，这样也会使得整个叠层电池输出电流较低。此外，上述非晶硅与钙钛矿顶电池本身制备工艺比较复杂，并且其光电转换效率在使用过程中均会出现一定程度的衰减(非晶硅材料存在光致衰减效应，有机/无机杂化钙钛矿在使用环境下稳定性较差也会发生性能退化)。因此，需要寻找一种制备方法简单，性能稳定的顶电池材料与n型晶体硅形成叠层太阳电池。同时，为减少两电池界面处电流复合损失及保证顶电池在厚度比较薄的情况下的电流输出，需要设计一种有效的隧穿结构。
开发一种在减薄顶电池吸收层厚度的前提下也不影响电池输出电流的技术对于制备高性能n型晶体硅叠层太阳电池非常重要。
CdSSe薄膜材料是一种很有潜力的太阳电池材料，具有n型导电特征，其禁带宽度在1.74～2.42eV范围内可以通过控制S与Se元素的比例进行可控调节。由于其禁带宽度较大，非常适宜与晶体硅太阳电池结合来制备叠层太阳电池，并且其性能稳定，不存在衰减的情况。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提供了一种n-Si/CdSSe叠层太阳电池，解决两电池界面处电流复合损失问题、顶电池在厚度比较薄的情况下的电流输出问题。本发明另一个目的在于提供了一种成本低、方法简单的制备所述n-Si/CdSSe叠层太阳电池的方法。
本发明的技术方案是这样的：一种n-Si/CdSSe叠层太阳电池，包括由上至下依次叠置的CdSSe薄膜顶电池、隧穿层和晶体硅底电池，所述隧穿层为单层或双层氧化物结构，所述单层氧化物结构材质为SnO2或In2O3，所述双层氧化物结构的上层材质为SnO2或In2O3，所述双层氧化物的下层材质为Al2O3或SiO2。
优选的，所述隧穿层厚度10～50nm。
进一步的，所述CdSSe顶电池由下至上依次为CdSSe吸收层、窗口层和顶电极。
优选的，所述窗口层为p型半导体或石墨烯。
优选的，所述CdSSe吸收层厚度为200～400nm，所述p型半导体厚度为10～50nm。
优选的，所述顶电极由透明导电氧化物薄膜TCO与Al、Au、Ag、Cu、Ni中的一种或几种构成。
进一步的，所述晶体硅底电池为以n型硅为基底，p型硅为发射极的单晶或多晶硅太阳电池。
进一步的，所述晶体硅底电池为扩散p-n结电池、PERC、PERT、PERL、SHJ太阳电池中的一种。
进一步的，所述晶体硅底电池背面包括背表面场和金属背电极。
一种制备所述n-Si/CdSSe叠层太阳电池的方法，包括以下步骤：
1)在晶体硅太阳电池表面通过物理或化学法制备隧穿层；
2)在隧穿层表面采用物理或化学或二者结合方法沉积一层CdSSe薄膜；
3)在CdSSe薄膜表面通过物理或化学法沉积CdSSe薄膜太阳电池的窗口层；
4)在窗口层表面制备顶电极。
上述方案中，物理法包括蒸发、溅射、近空间升华等方法，化学法包括化学溶液法、化学气相沉积、喷雾热解、原子层沉积及电沉积等方法。隧穿层通过溅射或原子层沉积等方法制备。CdSSe薄膜太阳电池的p型半导体窗口层采用蒸发、溅射、近空间升华或化学溶液法制备，石墨烯窗口层采用旋涂、转移等技术覆盖在CdSSe吸收层表面。顶电极TCO采用溅射或化学气相沉积方法制备，Al、Au、Ag、Cu、Ni等采用溅射、蒸发、丝网印刷等法制备。
本发明的叠层太阳电池充分利用CdSSe顶电池在短波段的光吸收和晶体硅在长波段的光吸收，可以实现对入射光的充分利用，提高n型硅太阳电池的光电转换效率。同时，通过采用金属氧化物隧穿层可以有效促进顶电池对短波长的进一步吸收从而提高其输出电流，减少了两电池界面处电流复合损失问题，使顶电池在厚度比较薄的情况下仍具有较高的电流输出。本发明的叠层太阳电池的制备工艺可以充分利用现有的成熟工艺和设备，减少了产品的资金投入，有利于规模化生产。
附图说明
图1为隧穿层为单层氧化物的n-Si/CdSSe叠层太阳电池结构示意图。
图2为隧穿层为双层氧化物的n-Si/CdSSe叠层太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
n-Si/CdSSe叠层太阳电池结构如图1所示，由上至下依次叠置的CdSSe薄膜顶电池101、隧穿层102和晶体硅底电池100，隧穿层102为单层氧化物结构，CdSSe薄膜顶电池101由下至上依次为CdSSe吸收层103、窗口层104和顶电极105，晶体硅底电池100由下至上依次为背表面场与背电极106、基体107和发射极108。
其制备方法是这样的，对未经过正面钝化的n型晶体硅太阳电池正面进行常规清洗，然后采用溅射工艺在晶体硅电池表面形成一层厚度为15nm的SnO2。
在上述SnO2表面采用化学浴法沉积一层CdS薄膜，CdS薄膜厚度为200nm，然后采用Se化工艺对CdS薄膜进行Se化制备CdSSe吸收层，Se化温度为450℃，时间为30min。
在CdSSe吸收层表面采用热蒸发工艺沉积一层厚度为30nm的ZnTe薄膜窗口层。
在ZnTe薄膜表面通过磁控溅射工艺溅射一层ITO透明电极，电极厚度为100nm。
最后在ITO表面通过丝网印刷工艺印刷Ag栅线电极。形成本发明所涉及的叠层太阳电池结构，开路电压为906mV，短路电流密度为18mA·cm-2，填充因子为72％，光电转换效率为11.7％。同样制备条件下，与未加隧穿层的CdSSe薄膜顶电池和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了6mA·cm-2，与CdSSe薄膜顶电池、ZnO隧穿层和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了3mA·cm-2。
实施例2
n-Si/CdSSe叠层太阳电池结构如图1所示，其具体制备方法是：在未经正表面钝化的n型PERC电池表面通过蒸发法沉积一层厚度为10nm的In2O3。
在上述In2O3表面通过热蒸发工艺采用蒸发法沉积一层In轻掺杂的CdSSe薄膜，CdSSe薄膜厚度为300nm。
在上述In轻掺杂CdSSe薄膜表面通过气相输运法沉积一层ZnTe薄膜窗口层，ZnTe薄膜厚度为20nm。
在ZnTe表面通过磁控溅射工艺沉积一层AZO透明导电电极，电极厚度为100nm。
最后，在AZO透明导电电极表面通过磁控溅射工艺溅射一层Ag栅线电极，形成本发明所涉及的叠层太阳电池结构，开路电压为950mV,短路电流密度为17mA·cm-2，填充因子为70％，光电转换效率为11.3％。同样制备条件下，与未加隧穿层的CdSSe薄膜顶电池和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了5mA·cm-2，与CdSSe薄膜顶电池、ZnO隧穿层和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了2mA·cm-2。
实施例3
n-Si/CdSSe叠层太阳电池结构如图2所示，由上至下依次叠置的CdSSe薄膜顶电池201、隧穿层和晶体硅底电池200，隧穿层为双层氧化物结构，下层202a为Al2O3或SiO2，上层202b为In2O3或SnO2，CdSSe顶电池201由下至上依次为CdSSe吸收层203、窗口层204和顶电极205，晶体硅底电池200由下至上依次为背表面场与背电极206、基体207和发射极208。
其制备方法是这样的，在未沉积前电极的n型晶硅SHJ太阳电池表面采用原子层沉积技术沉积一层膜厚为10nm的Al2O3膜，然后采用同样技术在其上沉积一层膜厚为20nm的In2O3膜以形成双层氧化物结构。
在In2O3膜表面通过共蒸发法沉积CdSSe薄膜，CdSSe薄膜厚度为250nm。
在CdSSe薄膜表面通过磁控溅射制备一层SiO2薄膜栅线，并在SiO2栅线表面通过磁控溅射溅射沉积一层Au形成前表面电极。SiO2与Au厚度分别为200nm和150nm。
最后，通过转移工艺，在上述表面覆盖一层石墨烯，形成本发明所涉及的叠层太阳电池结构，开路电压为930mV，短路电流密度为15mA·cm-2，填充因子为67％，光电转换效率为9.35％。同样制备条件下，与未加隧穿层的CdSSe薄膜顶电池和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了7mA·cm-2，与CdSSe薄膜顶电池、ZnO隧穿层和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了3mA·cm-2。
实施例4
n-Si/CdSSe叠层太阳电池结构如图2所示，其制备方法是这样的，在未沉积前电极的n型晶硅PERT太阳电池表面采用PECVD技术沉积一层膜厚为20nm的SiO2膜，然后采用磁控溅射技术在其上沉积一层膜厚为30nm的SnO2膜以形成双层氧化物结构。
在SnO2膜表面通过蒸发法沉积CdSSe薄膜，CdSSe薄膜厚度为400nm。
在CdSSe薄膜表面通过磁控溅射制备一层SiO2薄膜栅线，并在SiO2栅线表面通过磁控溅射溅射沉积一层Au形成前表面电极。SiO2与Au厚度分别为200nm和150nm。
最后，通过转移工艺，在上述表面覆盖一层石墨烯，形成本发明所涉及的叠层太阳电池结构，开路电压为940mV，短路电流密度为16mA·cm-2，填充因子为70％，光电转换效率为10.53％。同样制备条件下，与未加隧穿层的CdSSe薄膜顶电池和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了6mA·cm-2，与CdSSe薄膜顶电池、ZnO隧穿层和晶体硅底电池构成的叠层电池相比，短路电流密度提高了2mA·cm-2。
Claims (10)
1.一种n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：包括由上至下依次叠置的CdSSe薄膜顶电池、隧穿层和晶体硅底电池，所述隧穿层为双层氧化物结构，所述双层氧化物结构的上层材质为SnO2或In2O3，所述双层氧化物结构的下层材质为Al2O3或SiO2。
2.根据权利要求1所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述隧穿层厚度10～50nm。
3.根据权利要求1所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述CdSSe薄膜顶电池由下至上依次为CdSSe吸收层、窗口层和顶电极。
4.根据权利要求3所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述窗口层为p型半导体或石墨烯。
5.根据权利要求4所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述CdSSe吸收层厚度为200～400nm，所述p型半导体厚度为10～50nm。
6.根据权利要求3所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述顶电极由透明导电氧化物薄膜TCO、Al、Au、Ag、Cu、Ni中的任意一种构成。
7.根据权利要求1所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述晶体硅底电池为以n型硅为基底，p型硅为发射极的单晶或多晶硅太阳电池。
8.根据权利要求1所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述晶体硅底电池为PERC、PERT、PERL、SHJ太阳电池中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池，其特征在于：所述晶体硅底电池包括背表面场和金属背电极。
10.一种制备权利要求1-9中任意一项所述的n-Si/CdSSe叠层太阳电池的方法，包括以下步骤：
1)在晶体硅太阳电池表面通过物理或化学法制备隧穿层；
2)在隧穿层表面采用物理或化学或二者结合方法沉积一层CdSSe薄膜；
3)在CdSSe薄膜表面通过物理或化学法沉积CdSSe薄膜太阳电池的窗口层；
4)在窗口层表面制备顶电极。
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