CN108447936A - 一种锑基双结叠层太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锑基双结叠层太阳电池及其制备方法，包括硫化锑顶电池和硒化锑底电池两部分构成，根据两个锑化物子电池沉积顺序的不同，电池分为正结构和倒结构两种，其特点是，锑基双结叠层太阳电池结构新颖，硫化锑和硒化锑材料的带隙接近双结叠层太阳电池顶电池和底电池的最佳带隙组合，可以分别实现太阳光谱短波光和长波光的吸收，这两种锑基化合物原材料丰富无毒、薄膜制备简单、材料特性相似、工艺可以相互兼容，使得叠层电池在获得高效率的同时，生产成本可以有效的降低，产业化前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，特别是涉及一种锑基双结叠层太阳电池及其制备方法。
背景技术
太阳电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体器件。太阳电池发电属于可再生能源利用的重要组成部分，随着我国光伏产业的发展和对绿色能源的迫切需求，太阳电池正沿着高效、低成本的技术路线快速发展着。碲化镉和铜铟镓硒等薄膜太阳电池具有转换效率高、价格低廉、轻便可柔性的优点得到了较为广泛的应用，但碲化镉含有有毒元素镉和稀有元素碲，铜铟镓硒含有稀有且昂贵元素铟、镓，这些都很大程度上限制了它们的大面积使用和长期发展。锑基化合物(硫化锑，硒化锑)薄膜具有带隙适中，吸光系数高，原材料价格低，绿色无毒，制备方法简单等特点，使得硒化锑太阳电池和硫化锑太阳电池受到了越来越多的关注。
硒化锑太阳电池及硫化锑太阳电池分别存在以下问题，限制了锑基太阳电池光电转换效率的提高。
1、硫化锑薄膜的带隙较宽，使得硫化锑太阳电池具有较高的开路电压，但宽带隙同时限制的长波光的吸收，硫化锑太阳电池的只能对小于850nm波长的光子产生响应,限制了电池的短路电流；
2、硒化锑薄膜的带隙较窄，使得硒化锑太阳电池的光谱吸收限可以扩宽到1100nm，但硒化锑太阳电池确具有开路电压低的问题。
发明内容
本发明针对锑基太阳电池的现有问题和改进需求，创造性地提出了一种锑基双结叠层太阳电池，实现了硫化锑太阳电池和硒化锑太阳电池的串联叠加，能够有效利用两种电池优点，扩宽太阳光谱响应，最大限度的利用光谱能量，提高电池的光电转换效率，并且顶电池和底电池的制备工艺兼容，可以进一步降低成本，有利于产业化生产。
为实现本发明目的采用的技术方案之一是：一种锑基双结叠层太阳电池，包括硫化锑太阳电池和硒化锑太阳电池，所述的硫化锑太阳电池核心PN结为：依次具有电子传输层、硫化锑吸光层、空穴传输层结构，所述的硒化锑太阳电池核心PN结为：依次具有电子传输层、硒化锑吸光层、空穴传输层结构，其特征是，所述的一种锑基双结叠层太阳电池，根据两个锑化物电池沉积顺序不同，其分为正结构和倒结构，正结构电池依次由玻璃衬底、透明导电薄膜、电子传输层、硫化锑吸光层、空穴传输层、电子传输层、硒化锑吸光层、空穴传输层和金属电极层构成，倒结构电池依次由不锈钢衬底、金属电极层、空穴传输层、硒化锑吸光层、电子传输层、空穴传输层、硫化锑吸光层、电子传输层、透明导电薄膜和金属栅线电极构成，所述的硫化锑太阳电池设置为顶电池，所述的硒化锑太阳电池设置为底电池。
所述的电子传输层为氧化锌薄膜、二氧化钛薄膜或硫化镉薄膜，其厚度为100～800nm。
所述的硫化锑吸光层为非晶态、微晶态、多晶态或单晶态，带隙为1.7～1.9eV，其厚度为200～800nm。
所述的空穴传输层为氧化镍薄膜或氧化钼薄膜，其厚度为50～800nm。
所述的硒化锑吸光层为非晶态、微晶态、多晶态或单晶态，带隙为1.0～1.4eV，其厚度为300～3000nm。
所述的金属电极层和金属栅线为金、银、铜或铝，其厚度为50～500nm。
所述的透明导电薄膜为透明导电氧化物，对正结构电池，采用氧化锌薄膜或二氧化锡薄膜，对倒结构电池，采用氧化铟锡薄膜。
为实现本发明目的采用的技术方案之二是：一种锑基双结叠层太阳电池的制备方法，其特征是，它包括如下步骤：
1)以玻璃为衬底；
2)采用磁控溅射法或者电子束蒸发法制备透明导电膜；
3)采用超声喷雾或者旋涂方法制备电子传输层；
4)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硫化锑吸光层；
5)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
6)采用超声喷雾或者旋涂方法制备电子传输层；
7)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硒化锑吸光层；
8)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
9)采用磁控溅射或者高真空热蒸发方法制备金属电极层。
为实现本发明目的采用的技术方案之三是：一种锑基双结叠层太阳电池的制备方法，其特征是，它包括如下步骤：
1)以不锈钢为衬底；
2)采用磁控溅射或者高真空热蒸发方法制备金属电极层；
3)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
4)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硒化锑吸光层；
5)采用超声喷雾或者旋涂方法制备电子传输层；
6)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
7)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硫化锑吸光层；
8)采用超声喷雾或者旋涂方法制备电子传输层；
9)采用磁控溅射法或者电子束蒸发法制备透明导电膜；
10)用丝网印刷的方法制备金属栅线电极。
本发明一种锑基双结叠层太阳电池及其制备方法的有益效果体现在：
1、硫化锑和硒化锑材料的带隙接近双结叠层太阳电池顶电池和底电池的最佳带隙组合，并且可以通过底电池电子传输层厚度的控制，进一步调控入射光在顶底电池中的分配，因此锑基双结叠层太阳电池可以很容易达到电流匹配，使得锑基叠层电池的光电转换效率可以显著、有效的提高；
2、硫化锑和硒化锑材料同属于锑基化合物，原材料无毒且储量丰富，薄膜制备简单、材料特性相似、工艺可以相互兼容，使得叠层电池在获得高效率的同时，生产成本可以有效的降低，产业化前景广阔。
附图说明
图1是衬底为玻璃的正结构锑基叠层太阳电池结构示意图；
图2是衬底为不锈钢的倒结构锑基叠层太阳电池结构示意图；
图中：1.玻璃衬底；2.透明导电膜；3.电子传输层；4.硫化锑吸光层；5.空穴传输层；6.硒化锑吸光层；7.金属电极层；8.不锈钢衬底；9.金属栅线电极。
具体实施方式
以下结合图1和图2和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
参照图1，为衬底为玻璃的正结构锑基叠层太阳电池，其制备顺序为，先制备硫化锑顶电池，然后制备硒化锑底电池，具体操作步骤如下：
1、将二氧化锡透明导电玻璃，使用电子清洗液清洗后，放入酒精超声10分钟，再放入丙酮超声10分钟，然后放入烘箱烘干；
2、将二氧化锡透明导电玻璃放在350℃的热台上静置15分钟，采用超声喷雾设备，压缩空气作为载气，将的硝酸锌溶液以2ml/min的速度喷涂到透明导电玻璃上，喷涂时间持续8分钟，再将样品在400℃的温度下退火20分钟以形成厚度为200nm的氧化锌薄膜作为电子传输层；
3、将样品放入快速热蒸发设备中，真空度保持在5Pa以下，温度保持在300℃，以硫化锑粉末为蒸发源，稳定15分钟后，开启快速热蒸发程序，沉积时间为30s，平均蒸发速度为10nm/s，形成厚度为300nm的硫化锑吸光层；
4、将样品放入高真空蒸发设备，当真空度小于1×10-3Pa时开始蒸发，采用氧化钼蒸发源，沉积速度为1nm/s，形成厚度为50nm的氧化钼薄膜作为空穴传输层；
5、将样品放置在匀胶机上，滴入100μL二氧化锡前驱液，转速为1000转，时间保持30s，然后在空气中150℃退火30分钟，形成厚度为100nm的二氧化锡薄膜作为电子传输层；
6、将样品放入快速热蒸发设备中，真空度保持在5Pa以下，温度保持在300℃，以硒化锑粉末作为蒸发源，稳定15分钟后，开启快速热蒸发程序，平均蒸发速度为12.5nm/s，沉积时间为80s，形成厚度为1000nm的硒化锑吸光层；
7、将样品放入蒸发设备中，当真空度小于1×10-3Pa时开始蒸发，首先采用氧化钼蒸发源，沉积速度为1nm/s，形成厚度为50nm的氧化钼薄膜作为空穴传输层。然后采用金蒸发源，沉积速度为1nm/s，蒸发沉积80nm厚的金电极作为金属电极层。
检测结果显示，将两种锑基电池串联组合形成叠层电池，可使电池响应扩充到1100nm，光电转换效率可达7.7％(开路电压为1.13V，短路电流为10.2mA/cm2，填充因子为0.63)，比单结正结构硫化锑太阳电池效率提高了75％；比单结正结构硒化锑太阳电池，效率提高了28％。
实施例二：
参照图2，为衬底为不锈钢的倒结构锑基叠层太阳电池，其制备顺序为，先制备硒化锑底电池，然后制备硫化锑顶电池，具体操作步骤如下：
1、不锈钢衬底进行抛光，使用电子清洗液清洗后，放入酒精超声10分钟，再放入丙酮超声10分钟，然后放入烘箱烘干；
2、将样品放入磁控溅射设备，首先采用银靶，溅射功率为100W，气压保持在0.1Pa，制备厚度为100nm的银电极层。然后采用氧化镍靶，溅射功率为150W，气压保持在5Pa，制备厚度为200nm的氧化镍薄膜作为空穴传输层；
3、将样品放入高真空热蒸发设备中，以硒化锑粉末作为蒸发源，当真空度小于1×10-3Pa时开始蒸发，沉积速度为1nm/s，沉积时间为1200s，然后将样品在真空中，300℃温度下退火20分钟，形成厚度为1200nm的硒化锑吸光层；
4、将样品放置在匀胶机上，滴入100μL二氧化锡前驱液，转速为1000转，时间保持30s，然后在空气中150℃退火30分钟，形成厚度为100nm的二氧化锡薄膜作为电子传输层；
5、将样品放入高真空热蒸发设备中将样品放入蒸发设备中，当真空度小于1×10- 3Pa时开始蒸发，首先采用氧化钼蒸发源，沉积速度为1nm/s，形成厚度为50nm的氧化钼薄膜作为空穴传输层。然后以硫化锑粉末作为蒸发源，沉积速度为1nm/s，沉积时间为400s，然后将样品在真空中，300℃温度下退火20分钟，形成厚度为400nm的硫化锑吸光层；
6、将样品放置在匀胶机上，滴入60μL二氧化锡前驱液，转速为3000转，时间保持30s，然后在空气中150℃退火30分钟，形成厚度为40nm的二氧化锡薄膜作为电子传输层；
7、将样品放入磁控溅射设备中，采用氧化铟锡靶，溅射功率为40W，气压保持在0.1Pa，溅射100nm厚的氧化铟锡透明导电薄膜；
8、使用丝网印刷设备，制备银栅线电极。
检测结果显示，将两种锑化物子电池串联组合形成倒结构锑基叠层太阳电池，可使电池响应扩充到1100nm，光电转换效率可达8.4％(开路电压为1.16V，短路电流为11.9mA/cm2，填充因子为0.61)，比单结正结构硫化锑太阳电池效率提高了77％；比单结正结构硒化锑太阳电池，效率提高了26％。
本发明的工作原理是，硫化锑太阳电池作为顶电池，主要负责吸收短波光光谱能量。另一方面，硒化锑太阳电池作为底电池主要负责吸收长波光光谱能量。叠层电池的开路电压约为两子电池开路电压之和，叠层电池的短路电流为电流较小的那个子电池的电流。因此，叠层电池可以进一步提高太阳光谱利用率，提高太阳电池的光电转换效率。
以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种锑基双结叠层太阳电池，包括硫化锑太阳电池和硒化锑太阳电池，所述的硫化锑太阳电池核心PN结为：依次具有电子传输层、硫化锑吸光层、空穴传输层结构，所述的硒化锑太阳电池核心PN结为：依次具有电子传输层、硒化锑吸光层、空穴传输层结构，其特征是，所述的一种锑基双结叠层太阳电池，根据两个锑化物电池沉积顺序不同，其分为正结构和倒结构，正结构电池依次由玻璃衬底、透明导电薄膜、电子传输层、硫化锑吸光层、空穴传输层、电子传输层、硒化锑吸光层、空穴传输层和金属电极层构成，倒结构电池依次由不锈钢衬底、金属电极层、空穴传输层、硒化锑吸光层、电子传输层、空穴传输层、硫化锑吸光层、电子传输层、透明导电薄膜和金属栅线电极构成，所述的硫化锑太阳电池设置为顶电池，所述的硒化锑太阳电池设置为底电池。
2.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，其特征是，所述的电子传输层为氧化锌薄膜、二氧化钛薄膜或硫化镉薄膜，其厚度为100～800nm。
3.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，其特征是，所述的硫化锑吸光层为非晶态、微晶态、多晶态或单晶态，带隙为1.7～1.9eV，其厚度为200～800nm。
4.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，其特征是，所述的空穴传输层为氧化镍薄膜或氧化钼薄膜，其厚度为50～800nm。
5.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，其特征是，所述的硒化锑吸光层为非晶态、微晶态、多晶态或单晶态，带隙为1.0～1.4eV，其厚度为300～3000nm。
6.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，其特征是，所述的金属电极层和金属栅线为金、银、铜或铝，其厚度为50～500nm。
7.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，其特征是，所述的透明导电薄膜为透明导电氧化物，对正结构电池，采用氧化锌薄膜或二氧化锡薄膜，对倒结构电池，采用氧化铟锡薄膜。
8.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，特征是，当衬底为玻璃时为正结构，其制备方法如下步骤：
1)以玻璃为衬底；
2)采用磁控溅射法或者电子束蒸发法制备透明导电膜；
3)采用超声喷雾法或者旋涂方法制备电子传输层；
4)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硫化锑吸光层；
5)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
6)采用超声喷雾法或者旋涂方法制备电子传输层；
7)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硒化锑吸光层；
8)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
9)采用磁控溅射或者高真空热蒸发方法制备金属电极层。
9.根据权利要求1所述的一种锑基双结叠层太阳电池，特征是，当衬底为不锈钢时，为倒结构，其制备方法如下步骤：
1)以不锈钢为衬底；
2)采用磁控溅射或者高真空热蒸发方法制备金属电极层；
3)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
4)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硒化锑吸光层；
5)采用超声喷雾法或者旋涂方法制备电子传输层；
6)采用旋涂方法或者高真空热蒸发法制备空穴传输层；
7)采用低真空快速热蒸发法、高真空热蒸发法、磁控溅射法、电沉积、水浴或者旋涂方法制备硫化锑吸光层；
8)采用超声喷雾法或者旋涂方法制备电子传输层；
9)采用磁控溅射法或者电子束蒸发法制备透明导电膜；
10)用丝网印刷的方法制备金属栅线电极。
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