CN107046027B - 钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法及电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法及电池；其特征在于：包括如下步骤：步骤1、分别制备多结砷化镓电池和钙钛矿电池；步骤2、在多结砷化镓电池和钙钛矿电池表面通过光刻和镀膜工艺制备金属栅线；步骤3、通过金属键合工艺将多结砷化镓电池和钙钛矿电池键合集成在一起。本发明采用高禁带宽度的钙钛矿太阳能电池作为子电池代替多结砷化镓太阳能电池的顶电池，解决三结以上多结砷化镓太阳能电池高禁带宽度的顶电池制备困难的问题。显著提高了三结以上多结砷化镓太阳能电池的光电转换效率。采用金属键合的方式，将钙钛矿太阳能电池和多结砷化镓太阳能电池通过金属栅线级联起来，方便的实现了异质集成，工艺成熟重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法及电池。
背景技术
半导体材料只能吸收能量大于其带隙的入射光子,并且每吸收一个光子最多只能放出一对电子-空穴对。也就是说,对于能量小于其带隙的入射光子,半导体材料是透明的；对于能量远大于其带隙的一个入射光子,半导体材料将其吸收后,也只能放出一对电子-空穴对,多余的能量会以声子辐射的方式转换为晶格振动的热能,造成能量损失。太阳辐射光谱在0.15～4μm的波长范围内均有着较强的分布,要想在这样宽的波长范围内尽可能多地吸收太阳辐射能量,并将其转化为电能而不是晶格振动的热能,仅仅采用单一或较少禁带宽度的单结电池或几结是难以实现的。多结太阳能电池将禁带宽度不同、能够吸收不同波长区间太阳辐射能量的单结太阳能电池堆叠起来(采用隧穿结集成或具有透光导热性能材料实现的机械级联),形成叠层结构。这样构成的多结太阳能电池,不仅能够扩大电池对太阳辐射光谱波长的利用范围,而且还提高了单位波长区间内的光电转换效率,是太阳能电池设计理念的一次飞跃。
现今，光电转换效率最高的太阳能电池是砷化镓太阳能电池，晶格匹配三结砷化镓太阳能电池技术已经非常成熟，在航天领域已经得到大规模应用。为了进一步提高太阳能电池效率，四结、五结砷化镓太阳能电池的研发是太阳能电池技术发展的重要方向。随着砷化镓太阳能电池的结数的增加，顶电池的禁带宽度也会随着提高。当前技术，制备高禁带宽度的砷化镓材料一般通过掺高比例的Al来提高带隙。通过掺Al可以在调整砷化镓材料带隙的同时不改变材料的晶格常数，确保了外延生长过程中材料的晶格匹配，避免晶格失配带来的晶格缺陷问题。但是在外延生长过程中，当Al掺杂比例较高时，很容易和氧发生反应而产生深能级缺陷，导致砷化镓电池的少子寿命降低，增加复合，光电转换效率下降。因此，当前的技术一直没有彻底解决砷化镓材料掺杂高比例Al的外延生长问题。
有机/无机杂化钙钛矿(如CH3NH3PbI3)材料及其相关应用是近些年新型光电半导体发展中具有革命性的技术突破，这类材料具有禁带宽度连续可调，光吸收系数高，光子可循环以及优良的电荷输运性质等优点，特别重要的是其可溶液法制备使得制备过程简单、制备方法多样化，可通过打印、喷涂、超声雾化、缝隙挤压等方法制备出大面积高效率的钙钛矿太阳电池。同时，钙钛矿材料的带隙可调(1.5-2.3eV)且其开路电压VOC较高，一般在1.0-1.5V左右。由于钙钛矿材料可以通过掺杂获得很高的带隙，且工艺相对简单，制备方法多样，易于和其他的材料复合实现异质集成。因此，可以将钙钛矿材料用于与砷化镓的叠层器件中，取代多结砷化镓太阳能电池的顶电池，既可以获得高带隙的顶电池，解决了现今三结以上多结砷化镓太阳能电池高禁带宽度的顶电池制备困难的问题，显著提高了三结以上多结砷化镓太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法及电池，该钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法克服现有技术的不足，利用钙钛矿材料带隙可调，制备方法多样的优点，基于多结砷化镓太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的加工设备与加工工艺，先分别制备多结砷化镓电池和钙钛矿电池，再通过金属键合将两者异质集成在一起，制备出具有高禁带宽度的钙钛矿/砷化镓高效太阳能电池。提高了多结砷化镓太阳能电池的光电转换效率，在空间与地面具有广泛的应用前景。本发明所要解决的技术问题是，提供一种应用金属键合工艺、正向外延生长、热蒸镀法制备钙钛矿相材料CH3NH3PbX3等技术实现一种具有高禁带宽度的钙钛矿/砷化镓高效太阳能电池的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，至少包括如下步骤：
步骤101、分别制备多结砷化镓电池和钙钛矿电池；
步骤102、在多结砷化镓电池和钙钛矿电池表面通过光刻和镀膜工艺制备金属栅线；
步骤103、通过金属键合工艺将多结砷化镓电池和钙钛矿电池键合集成在一起。
进一步：所述多结砷化镓太阳能电池至少包含三结子电池；其中，第一个子电池的带隙为0.6eV～0.8eV，第二个子电池的带隙为0.8eV～1.1eV，第三个子电池的带隙为1.3eV～1.5eV。
进一步：所述多结砷化镓太阳能电池的制备工艺为正向外延生长工艺。
进一步：所述钙钛矿太阳能电池由导电玻璃衬底、电子传输层、活性层、空穴传输层组成；其中，导电玻璃衬底为掺氟的SnO2导电玻璃，电子传输层为TiO2，活性层为CH3NH3PbI3，空穴传输层为Spiro-OMe Tad；钙钛矿太阳能电池的带隙为1.8eV～2.3eV。
进一步：所述电子传输层的制备工艺是利用水热法合成TiO2纳米颗粒，将TiO2溶液涂覆在FTO导电玻璃上；活性层CH3NH3PbI3采用热蒸镀法制备，将不同质量的PbI2与CH3NH3I放入到两个蒸发源里，达到真空要求后以不同的温度蒸发，控制真空速率及蒸镀时间。
进一步：所述金属栅线至少包括一层金属，所述金属选自Ti、Pd、Pt、In、Ge、Au、Ag、Cu中的一种或多种的组合。
进一步：所述金属栅线的制备方法选自热阻蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射中的一种或多种组合。
进一步：所述金属栅线的厚度为1微米至100微米；金属栅线的宽度为10微米至100微米；相邻栅线间距为100微米至2000微米。
进一步：所述金属键合工艺是将多结砷化镓电池和钙钛矿电池待键合表面的金属栅线对准贴合，在真空环境下通过一定的温度和压力，通过共熔或扩散的方式形成合金；所述温度范围是150℃-400℃，键合时间20分钟至2小时；真空度为5Х10-3pa；所述压力的范围是500～3000mbar。
一种基于上述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法制造的太阳能电池。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，与传统技术相比较：
本发明先分别制备多结砷化镓电池和钙钛矿电池，再通过金属键合将两者异质集成在一起，制备出具有高禁带宽度的钙钛矿/砷化镓高效太阳能电池。这对提高太阳能电池光电转换效率非常有益，极大地提升了III-V族化合物太阳能电池在空间与地面的应用前景。本发明采用高禁带宽度的钙钛矿太阳能电池作为子电池代替多结砷化镓太阳能电池的顶电池，解决三结以上多结砷化镓太阳能电池高禁带宽度的顶电池制备困难的问题。显著提高了三结以上多结砷化镓太阳能电池的光电转换效率。采用金属键合的方式，将钙钛矿太阳能电池和多结砷化镓太阳能电池通过金属栅线级联起来，方便的实现了异质集成，工艺成熟重复性好。
附图说明
图1是本发明优选实施例的结构图；
其中：1、多结砷化镓电池；2、金属栅线；3、Spiro-OMeTad空穴传输层；4、CH3NH3PbI3活性层；5、TiO2电子传输层；6、FTO导电玻璃。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，包括如下步骤：
步骤101、分别制备多结砷化镓电池1和钙钛矿电池；
步骤102、在多结砷化镓电池和钙钛矿电池表面通过光刻和镀膜工艺制备金属栅线2；
步骤103、通过金属键合工艺将多结砷化镓电池和钙钛矿电池键合集成在一起。
进一步：所述多结砷化镓太阳能电池至少包含三结子电池；其中，第一个子电池的带隙为0.6eV～0.8eV，第二个子电池的带隙为0.8eV～1.1eV，第三个子电池的带隙为1.3eV～1.5eV。
所述多结砷化镓太阳能电池的制备工艺为正向外延生长工艺。
所述钙钛矿太阳能电池由导电玻璃衬底、电子传输层、活性层、空穴传输层组成；其中，导电玻璃衬底为掺氟的SnO2导电玻璃，电子传输层为TiO2，活性层为CH3NH3PbI3，空穴传输层为Spiro-OMe Tad；钙钛矿太阳能电池的带隙为1.8eV～2.3eV。本优选实施例中的电子传输层为TiO2电子传输层5；
所述电子传输层的制备工艺是利用水热法合成TiO2纳米颗粒，将TiO2溶液涂覆在FTO导电玻璃6上；活性层CH3NH3PbI3采用热蒸镀法制备，将不同质量的PbI2与CH3NH3I放入到两个蒸发源里，达到真空要求后以不同的温度蒸发，控制真空速率及蒸镀时间。
所述金属栅线至少包括一层金属，所述金属选自Ti、Pd、Pt、In、Ge、Au、Ag、Cu中的一种或多种的组合。
所述金属栅线的制备方法选自热阻蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射中的一种或多种组合。
所述金属栅线的厚度为1微米至100微米；金属栅线的宽度为10微米至100微米；相邻栅线间距为100微米至2000微米。
所述金属键合工艺是将多结砷化镓电池和钙钛矿电池待键合表面的金属栅线对准贴合，在真空环境下通过一定的温度和压力，通过共熔或扩散的方式形成合金；所述温度范围是150℃-400℃，键合时间20分钟至2小时；真空度为5Х10-3pa；所述压力的范围是500～3000mbar。
该发明采用MOCVD即金属有机化学气相沉积技术在衬底上面正向生长多结砷化镓电池；采用热蒸镀法和旋涂法制备钙钛矿太阳能电池；采用镀膜工艺在钙钛矿和砷化镓电池表面制备金属栅线；采用金属键合工艺将钙钛矿和砷化镓电池键合在一起，实现异质集成。
具体制备过程为：
(1)准备好外延设备，在MOCVD设备中外延生长砷化镓电池。
(2)利用水热法合成TiO2纳米颗粒，将TiO2溶液涂覆在FTO导电玻璃上。
(3)采用热蒸镀法制备CH3NH3PbI3活性层4，将不同质量的PbI2与CH3NH3I放入到两个蒸发源里，达到真空要求后以不同的温度蒸发，控制真空速率及蒸镀时间。
(4)通过旋涂法制备Spiro-OMeTad空穴传输层3(HTM)。
(5)在电池表面进行光刻，采用热阻蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射中的一种或多种方法在钙钛矿和砷化镓电池上依次制备金属栅线。
(6)金属层中的金属材料选自Ti、Pd、Pt、In、Ge、Au、Ag、Cu及其组合。
(7)金属层的总厚度为1微米至100微米；栅线的宽度为10微米至100微米；栅线间距为100微米至2000微米。
(8)金属层制备技术包括热阻蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射中的一种或多种方法的组合。
(9)将多结砷化镓电池和钙钛矿电池待键合表面的金属栅线对准贴合，在真空环境下通过一定的温度和压力，通过共熔或扩散的方式形成合金。键合温度150℃-400℃，键合时间20分钟至2小时。真空度为5Х10-3pa；所述压力的范围是500～3000mbar。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：至少包括如下步骤：
步骤101、分别制备多结砷化镓电池和钙钛矿电池；所述多结砷化镓电池至少包含三结子电池；其中，第一个子电池的带隙为0.6eV～0.8eV，第二个子电池的带隙为0.8eV～1.1eV，第三个子电池的带隙为1.3eV～1.5eV；
步骤102、在多结砷化镓电池和钙钛矿电池表面通过光刻和镀膜工艺制备金属栅线；
步骤103、通过金属键合工艺将多结砷化镓电池和钙钛矿电池键合集成在一起。
2.根据权利要求1所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述多结砷化镓电池的制备工艺为正向外延生长工艺。
3.根据权利要求1所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述钙钛矿太阳能电池由导电玻璃衬底、电子传输层、活性层、空穴传输层组成；其中，导电玻璃衬底为掺氟的SnO2导电玻璃，电子传输层为TiO2，活性层为CH3NH3PbI3，空穴传输层为Spiro-OMe Tad；钙钛矿太阳能电池的带隙为1.8eV～2.3eV。
4.根据权利要求3所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述电子传输层的制备工艺是利用水热法合成TiO2纳米颗粒，将TiO2溶液涂覆在FTO导电玻璃上；活性层CH3NH3PbI3采用热蒸镀法制备，将不同质量的PbI2与CH3NH3I放入到两个蒸发源里，达到真空要求后以不同的温度蒸发，控制真空速率及蒸镀时间。
5.根据权利要求1所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述金属栅线至少包括一层金属，所述金属选自Ti、Pd、Pt、In、Ge、Au、Ag、Cu中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求5所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述金属栅线的制备方法选自热阻蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射中的一种或多种组合。
7.根据权利要求6所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述金属栅线的厚度为1微米至100微米；金属栅线的宽度为10微米至100微米；相邻栅线间距为100微米至2000微米。
8.根据权利要求1所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法，其特征在于：所述金属键合工艺是将多结砷化镓电池和钙钛矿电池待键合表面的金属栅线对准贴合，在真空环境下通过一定的温度和压力，通过共熔或扩散的方式形成合金；所述温度范围是150℃-400℃，键合时间20分钟至2小时；真空度为5Х10-3pa；所述压力的范围是500～3000mbar。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述钙钛矿和砷化镓异质集成的太阳能电池制造方法制造的太阳能电池。
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