CN107546288A - 一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池及其制备方法，涉及一种太阳能领域中的新型太阳能电池及其制备方法。一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，包括一个镉锌碲太阳能电池，一个钙钛矿太阳能电池，以及单晶硅太阳能电池。镉锌碲太阳能电池制备方法包括以下步骤：a. 透明电极层制作，b. n型CdS覆盖，c. 退火操作，d. 透明导电层制作，e. 背电极制作；钙钛矿太阳能电池制备方法包括以下步骤：a. 二维层状结构生成，b. 超声混合，c.涂覆，d.渗透，e.清洗；单晶硅太阳能电池制备方法包括以下步骤：单晶硅层的制作。本发明最大程度地对太阳能高效利用，提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，具体是一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是将光能直接转化成电能的器件。近年来使用太阳能作为能源越来越频繁。对于普通太阳能电池，即便是用晶体材料制备，其光电转换效率的理论极值仅有25％左右。这是因为太阳光的能量分布较宽，并且谱线分布不均，现有任何一种半导体材料都仅能吸收其中能量比其能隙值高的光子，只有部分能够吸收，大部分光子不能被太阳能电池吸收并加以利用。为了最大程度地有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量，太阳光谱可以被分成连续的若干部分，用能量宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，这样就有可能最大限度地将太阳光能转换成电能，具有这种结构的太阳能电池称为叠层电池。
高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关成熟的加工处理工艺基础上的。 现在单晶硅电池的工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。
由于单晶硅的禁带宽度为 1.1eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的短波区域不敏感，这就限制了单晶硅太阳能电池的转换效率。而碲锌镉 (Cd1-xZnxTe) 的禁带宽度随 x值在1.45eV 到 2.26eV 间连续可调。对于一般的太阳能电池而言，大多数只能吸收可见光。而钙钛矿的禁带宽度在3.0 ~ 3.2 eV之间，并且可以吸收紫外光。若将碲锌镉太阳能电池与钙钛矿太阳能电池与单晶硅太阳能电池叠合起来，实现一种叠层结构的设计，就可以实现对太阳能的高效利用，提高太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的太阳能转换效率过低，无法吸收紫外光区域的能量问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，包括：
一个位于顶部的能吸收短波长可见光的镉锌碲太阳能电池，一个位于中部的可吸收紫外光的钙钛矿太阳能电池，以及一个位于底部的能吸收可见光长波长的单晶硅太阳能电池；
所述的镉锌碲太阳能电池，包括：透明电极层，n型CdS层，p型Cd1-xZnxTe层，透明导电层，背电极；
所述的钙钛矿太阳能电池，包括：钙钛矿透明导电膜，电子传输层；
所述的单晶硅太阳能电池，包括：单晶硅层，底层电极板，其中单晶硅层由气相沉积法沉积在底层电路板上；
所述的单晶硅太阳能电池安装在底部，钙钛矿太阳能电池紧密贴合并印刷在单晶硅太阳能电池上，镉锌碲太阳能电池紧密印刷在钙钛矿太阳能电池上；三个电池层依次印刷，互相紧密堆积。
一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池的制备方法，包括：
镉锌碲太阳能电池制备方法以及单晶硅太阳能电池的制备方法
其中所述的镉锌碲太阳能电池制备方法包括以下步骤：
a.透明电极层制作：在透明电极层上热蒸发厚度为 200 ～ 600 纳米的透明导电氧化物前电极，材料为 SnO2:F、 ITO、ZnO:Al 中的任一种；
b.n型CdS覆盖：在透明电极层上涂抹厚度为 50 ～ 800 纳米的 n 型 CdS；
c.退火操作：采用溅射方法在 n 型 CdS上沉积 p 型，厚度为 500 ～1500 纳米；在制备好p 型Cd1-xZnxTe后，将其放置在快速退火炉中进行退火；退火温度在200 ～ 400℃，退火时间40 ～ 120 分钟；
d.透明导电层制作：退火结束后，用化学喷涂方法在Cd1-xZnxTe（3）上沉积 50 ～ 300纳米的碳纳米管涂层作为透明导电层；
e.背电极制作：用热蒸发方法依次沉积3 ～ 4纳米的铜和 20 ～ 30 纳米的金背电极；
其中所述的钙钛矿太阳能电池制备方法包括以下步骤：
a.二维层状结构生成：在二氧化锡FTO导电玻璃上高压喷射石墨烯有机溶剂，形成二维层状结构；
b.超声混合：对p型硅粉末，n型硅粉末，碳纤维和导电胶超声混合，形成混合溶液
c.涂覆：将混合溶液涂覆在二维层状结构表面；
d.渗透：在微波震荡的条件下震荡2小时，使混合溶液渗透到二维层状结构的间隙中；
e.清洗：除去二维层状结构表面多余的混合溶液，得到所述钙钛矿太阳能电池；
其中所述的单晶硅太阳能电池制备方法包括以下步骤：
单晶硅层的制作：使用气相扩散的方法，在单晶硅薄片上制造出pn结，然后使用来回印刷的方法在正面和背面印刷金属电极，并与下层电极板（9）连接。
作为本发明进一步的方案：所述的镉锌碲太阳能电池背电极与钙钛矿太阳能电池的钙钛矿透明导电膜和单晶硅太阳能的单晶硅层的形状和尺寸大小完全一致。
作为本发明再进一步的方案：所述的钙钛矿层为多孔结构，并且为p型硅包覆型n型硅纳米微球，嵌套在多孔结构表面。
作为本发明再进一步的方案：所述的镉锌碲太阳能电池背电极与钙钛矿太阳能电池的钙钛矿透明导电膜要完全重合；所述的钙钛矿太阳能电池的电子传输层与单晶硅太阳能的单晶硅层要完全重合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：大大扩展了对太阳光谱的吸收范围，使其可以吸收可见光以外的紫外光区域，最大程度地对太阳能高效利用，提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明的钙钛矿太阳能电池纳米微球多孔结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面给出本发明的较佳实施例，并结合附图做详细说明。
如图1，一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，一个位于顶部的能吸收短波长可见光的镉锌碲太阳能电池，一个位于中部的可吸收紫外光的钙钛矿太阳能电池，以及一个位于底部的能吸收可见光长波长的单晶硅太阳能电池；如图2为钙钛矿太阳能电池纳米微球多孔结构示意图，其中纳米微球为多孔结构，内层为n型硅，外层为p型硅，并紧密堆积。
其中镉锌碲太阳能电池，包括：透明电极层，n型CdS层，p型Cd1-xZnxTe层，透明导电层，背电极；
其制备过程如下：
a.透明电极层制作：在透明电极层上热蒸发厚度为 200 ～ 600 纳米的透明导电氧化物前电极，材料为 SnO2:F、 ITO、ZnO:Al 中的任一种；
b.n型CdS覆盖：在透明电极层上涂抹厚度为 50 ～ 800 纳米的 n 型 CdS；
c.退火操作：采用溅射方法在 n 型 CdS上沉积 p 型，厚度为 500 ～1500 纳米；在制备好p 型Cd1-xZnxTe后，将其放置在快速退火炉中进行退火；退火温度在200 ～ 400℃，退火时间40 ～ 120 分钟；
d.透明导电层制作：退火结束后，用化学喷涂方法在Cd1-xZnxTe上沉积 50 ～ 300 纳米的碳纳米管涂层作为透明导电层；
e.背电极制作：用热蒸发方法依次沉积3 ～ 4纳米的铜和 20 ～ 30 纳米的金背电极；
其中钙钛矿太阳能电池，包括：钙钛矿透明导电膜，电子传输层；
其制备过程如下：
其中所述的钙钛矿太阳能电池制备方法包括以下步骤：
a.二维层状结构生成：在二氧化锡FTO导电玻璃上高压喷射石墨烯有机溶剂，形成二维层状结构；
b.超声混合：对p型硅粉末，n型硅粉末，碳纤维和导电胶超声混合，形成混合溶液；
c.涂覆：将混合溶液涂覆在二维层状结构表面；
d.渗透：在微波震荡的条件下震荡2小时，使混合溶液渗透到二维层状结构的间隙中；
e.清洗：除去二维层状结构表面多余的混合溶液，得到所述钙钛矿太阳能电池；
其中单晶硅太阳能电池，包括：单晶硅层，底层电极板，其中单晶硅层由气相沉积法沉积在底层电路板上。
其制备过程如下：
单晶硅层的制作：使用气相扩散的方法，在单晶硅薄片上制造出pn结，然后使用来回印刷的方法在正面和背面印刷金属电极，并与下层电极板连接。
将制备好的镉锌碲太阳能电池背电极与钙钛矿太阳能电池的钙钛矿透明导电膜要完全重合；所述的钙钛矿太阳能电池的电子传输层与单晶硅太阳能的单晶硅层要完全重合，以避免背电极遮盖单晶硅太阳能电池的受光面，将叠合好的太阳能电池封装即可得到高光电转换效率的新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，其特征在于：一个位于顶部的能吸收短波长可见光的镉锌碲太阳能电池，一个位于中部的可吸收紫外光的钙钛矿太阳能电池，以及一个位于底部的能吸收可见光长波长的单晶硅太阳能电池；
所述的镉锌碲太阳能电池，包括：透明电极层（1），n型CdS层（2），p型Cd1-xZnxTe层（3），透明导电层（4），背电极（5）；
所述的钙钛矿太阳能电池，包括：钙钛矿透明导电膜（6），电子传输层（7）；
所述的单晶硅太阳能电池，包括：单晶硅层（8），底层电极板（9），其中单晶硅层（8）由气相沉积法沉积在底层电路板（9）上；
所述的钙钛矿太阳能电池纳米微球多孔结构，其中纳米微球为多孔结构，内层为n型硅（10），外层为p型硅（11），并紧密堆积；
所述的单晶硅太阳能电池安装在底部，钙钛矿太阳能电池紧密贴合并印刷在单晶硅太阳能电池上，镉锌碲太阳能电池紧密印刷在钙钛矿太阳能电池上；三个电池层依次印刷，互相紧密堆积。
2.根据权利要求1所述的一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，其特征在于：所述的镉锌碲太阳能电池背电极（5）与钙钛矿太阳能电池的钙钛矿透明导电膜（6）和单晶硅太阳能的单晶硅层（8）的形状和尺寸大小完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，其特征在于：所述的镉锌碲太阳能电池背电极（5）与钙钛矿太阳能电池的钙钛矿透明导电膜（6）要完全重合；所述的钙钛矿太阳能电池的电子传输层（7）与单晶硅太阳能的单晶硅层（8）要完全重合。
4.根据权利要求1所述的一种新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池，其特征在于：所述的钙钛矿层为多孔结构，嵌套在多孔结构表面。
5.一种如权利要求1所述的新型镉锌碲/钙钛矿/单晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的合成方法分为镉锌碲太阳能电池制备方法、钙钛矿太阳能电池制备方法以及单晶硅太阳能电池的制备方法；
其中所述的镉锌碲太阳能电池制备方法包括以下步骤：
透明电极层制作：在透明电极层（1）上热蒸发厚度为 200 ～ 600 纳米的透明导电氧化物前电极，材料为 SnO2:F、 ITO、ZnO:Al 中的任一种；
n型CdS覆盖：在透明电极层（1）上涂抹厚度为 50 ～ 800 纳米的 n 型 CdS （2）；
退火操作：采用溅射方法在 n 型 CdS （2）上沉积 p 型（3），厚度为 500 ～1500 纳米；在制备好p 型Cd1-xZnxTe（3）后，将其放置在快速退火炉中进行退火；退火温度在200 ～400℃，退火时间40 ～ 120 分钟；
透明导电层制作：退火结束后，用化学喷涂方法在Cd1-xZnxTe（3）上沉积 50 ～ 300 纳米的碳纳米管涂层作为透明导电层（4）；
背电极制作：用热蒸发方法依次沉积3 ～ 4纳米的铜和 20 ～ 30 纳米的金背电极（5）；
其中所述的钙钛矿太阳能电池制备方法包括以下步骤：
二维层状结构生成：在二氧化锡FTO导电玻璃上高压喷射石墨烯有机溶剂，形成二维层状结构；
超声混合：对p型硅粉末，n型硅粉末，碳纤维和导电胶超声混合，形成混合溶液
涂覆：将混合溶液涂覆在二维层状结构表面；
渗透：在微波震荡的条件下震荡2小时，使混合溶液渗透到二维层状结构的间隙中；
清洗：除去二维层状结构表面多余的混合溶液，得到所述钙钛矿太阳能电池；
其中所述的单晶硅太阳能电池制备方法包括以下步骤：
单晶硅层的制作：使用气相扩散的方法，在单晶硅薄片上制造出pn结，然后使用来回印刷的方法在正面和背面印刷金属电极，并与下层电极板（9）连接。
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