CN109742243A - 一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池，包括n型单晶硅衬底，n型单晶硅衬底的第一面设置n型硅纳米柱周期阵列结构，n型单晶硅衬底的第二面设置金属背电极，n型硅纳米柱周期阵列结构表面设置钙钛矿纳米柱周期阵列结构，n型硅纳米柱和钙钛矿纳米柱上下对齐构成轴向异质结柱体，n型单晶硅衬底的第一面及轴向异质结柱体的表面设置透明导电薄膜，透明导电薄膜引出导电电极与金属背电极对外供电。本发明还公开了一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池的制备方法。本发明利用光子在纳米柱阵列中的多次折射散射提高器件太阳能波段的光子吸收效率，同时结合轴向异质结载流子收集效率高的特点，提高器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，尤其是涉及一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源与环境问题一直是影响人类生存和发展的热点问题。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其开发利用受到了最广泛的关注。硅异质结电池由于其高效低价、低温制备、开压高、稳定性好等优点，发展迅速，吸收光谱广(300-1200nm)，但因为其对短波段、高能量光吸收利用率低而限制效率。而钙钛矿太阳电池由于其低成本、高效率、低耗能等优点在近几年发展迅速，尤其对短波段、高能量光吸收利用率相当高，但由于仅对300-800nm的光进行吸收利用，限制了其电流，影响效率。专利号为201510283480.1的中国专利公开了将钙钛矿/硅结合作为太阳能电池的发射极的技术方案，实现了对太阳光谱的分段高吸收，钙钛矿吸收可见光部分，硅吸收红外光部分，使得太阳光的利用更加充分。
近几年来，钙钛矿硅基异质结太阳能电池既提高了光谱响应范围，又降低了制备成本，引起了各国研究人员的关注。目前香港理工大学研发的钙钛矿/单晶硅叠层太阳能电池，不仅在成本上比硅基太阳能低，而且效率可达到25.5％。但目前器件主要是平面异质结结构，对于光子的效率仍然不高，如何进一步提高钙钛矿硅基异质结太阳能电池的效率是需要解决的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池，解决钙钛矿硅基异质结太阳能电池对光子吸收效率不高的问题，将现有的二维结构变为三维结构，利用光子在纳米柱阵列中的多次折射散射提高器件太阳能波段(300-1100nm)的光子吸收效率，同时结合轴向异质结载流子收集效率高的特点，提高器件性能。本发明的另一个目的是提供一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池的制备方法。
本发明技术方案如下：一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池，包括n型单晶硅衬底，所述n型单晶硅衬底的第一面设置n型硅纳米柱周期阵列结构，所述n型单晶硅衬底的第二面设置金属背电极，所述n型硅纳米柱周期阵列结构表面设置钙钛矿纳米柱周期阵列结构，所述n型硅纳米柱和所述钙钛矿纳米柱上下对齐构成轴向异质结柱体，所述n型单晶硅衬底的第一面及所述轴向异质结柱体的表面设置透明导电薄膜，所述透明导电薄膜引出导电电极与所述金属背电极对外供电。
优选的，所述n型单晶硅衬底的厚度为20～2000μm，掺杂浓度为1×1012～1×1018cm-3。
优选的，所述n型硅纳米柱周期阵列结构的n型硅纳米柱直径为100～800nm，高度为50～5000nm，占空比为0.1～0.8。
优选的，所述钙钛矿纳米柱周期阵列结构的钙钛矿纳米柱直径为100～800nm，高度为50～5000nm，占空比为0.1～0.8，所述钙钛矿为CH3NH3PbI3。
优选的，所述透明导电薄膜为氧化钼、氧化铟锡、掺铝氧化锌和聚乙撑二氧噻吩中的一种，厚度为200～800nm。
优选的，所述导电电极为金属铝，厚度为20～1000nm。
优选的，所述金属背电极为金属铝薄膜，厚度为20～1000nm。
一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池的制备方法，包括步骤：在n型单晶硅衬底的第一面上需要制备n型硅纳米柱周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，然后放置烤胶机上进行固胶处理得到异质结基板；采用激光刻蚀在所述异质结基板制备上下对齐的n型硅纳米柱周期阵列和钙钛矿纳米柱周期阵列，所述n型硅纳米柱和所述钙钛矿纳米柱上下对齐构成轴向异质结柱体；将激光刻蚀后的所述异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺制备在所述n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面制备透明导电薄膜；在位于所述n型单晶硅衬底的第一面的透明导电薄膜表面制备导电电极；在所述n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备金属背电极。
优选的，所述利用旋涂法制备钙钛矿薄膜时利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在所述n型单晶硅衬底上，匀液后放置在烤胶机上固胶30～200分钟，固胶温度范围50～200℃。
本发明所提供的技术方案的优点在于：将现有的二维结构钙钛矿硅基异质结太阳能电池变为三维结构，形成了钙钛矿纳米柱和硅纳米柱叠加的轴向异质结柱体，一方面利用光子在轴向异质结柱体阵列中的多次折射散射提高器件太阳能波段(300-1100nm)的光子吸收效率，另一方面获得了轴向异质结载流子收集效率高的特点，提高器件性能。本发明结构新颖，易于实现，降低载流子复合率，提高有效载流子浓度，缩短载流子输运路径，从而大幅提高光电转化效率。
附图说明
图1为实施例1钙钛矿硅基轴向异质结太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例1钙钛矿硅基轴向异质结太阳能电池的能带示意图；
图3为对比例2的异质结太阳能电池的结构示意图；
图4为实施例1、2、3钙钛矿硅基轴向异质结太阳能电池与对比例1平面结构钙钛矿硅基太阳能电池的光谱吸收率对比图；
图5为实施例1、2、3钙钛矿硅基轴向异质结太阳能电池与对比例1平面结构钙钛矿硅基太阳能电池的电流电压曲线测试结果对比图；
图6为实施例1与对比例2的光谱吸收率对比图；
图7为实施例1与对比例2的电流电压曲线测试结果对比图。
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。
请结合图1所示，实施例1的钙钛矿硅基异质结太阳能电池通过以下过程制得：首先在厚度为50μm，掺杂浓度为1×1017cm-3的n型单晶硅衬底1的第一面上需要制备n型硅纳米柱2周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，将0.318g(0.002mol)CH3NH3I(纯度99.5％)和0.924g(0.002mol)PbI2(纯度为99％)加入装有1mlN-二甲基甲酰胺溶液的小烧杯。经过搅拌后得到CH3NH3PbI3旋涂液，利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在基板上，匀液后放置在烤胶机上固胶100分钟，固胶温度范围85℃，得到带有1000nm厚度的钙钛矿薄膜的异质结基板。然后利用激光刻蚀工艺在异质结基板上完成纳米柱阵列制备，激光器采用波长1064nm，脉宽12ns的ND:YAG激光器进行刻蚀，激光入射角为0度，脉冲辐照次数为1。轴向异质结柱体阵列高2μm，直径500nm，占空比0.5。然后将具有轴向异质结柱体的异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺在n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面蒸镀一层厚度为200nm的ITO透明导电薄膜，在透明导电薄膜周边利用电子束蒸发工艺制备一层50nm的金属铝栅线电极引出导线作为光伏电池的正极；最后在n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备30nm的金属铝薄膜一端引出导线作为光伏电池的负极。钙钛矿硅基异质结太阳能电池的具体结构为n型单晶硅衬底1，n型单晶硅衬底1的第一面设置n型硅纳米柱2周期阵列结构，n型单晶硅衬底1的第二面设置金属铝薄膜作为金属背电极3，n型硅纳米柱2周期阵列结构2表面设置钙钛矿纳米柱4周期阵列结构，n型硅纳米柱2和钙钛矿纳米柱4上下对齐构成轴向异质结柱体，n型单晶硅衬底1的第一面及轴向异质结柱体的表面设置透明导电薄膜5，透明导电薄膜5引出金属铝栅线电极为导电电极6与金属背电极3对外供电。各结构能带如图2所示。
实施例2的钙钛矿硅基异质结太阳能电池通过以下过程制得：首先在厚度为50μm，掺杂浓度为1×1017cm-3的n型单晶硅衬底的第一面上需要制备n型硅纳米柱周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，将0.318g(0.002mol)CH3NH3I(纯度99.5％)和0.924g(0.002mol)PbI2(纯度为99％)加入装有1mlN-二甲基甲酰胺溶液的小烧杯。经过搅拌后得到CH3NH3PbI3旋涂液，利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在基板上，匀液后放置在烤胶机上固胶100分钟，固胶温度范围85℃，得到带有500nm厚度的钙钛矿薄膜的异质结基板。然后利用激光刻蚀工艺在异质结基板上完成纳米柱阵列制备，激光器采用波长1064nm，脉宽12ns的ND:YAG激光器进行刻蚀，激光入射角为0度，脉冲辐照次数为1。轴向异质结柱体阵列高2μm，直径500nm，占空比0.5。然后将具有轴向异质结柱体的异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺在n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面蒸镀一层厚度为200nm的ITO透明导电薄膜，在透明导电薄膜周边利用电子束蒸发工艺制备一层50nm的金属铝栅线电极引出导线作为光伏电池的正极；最后在n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备30nm的金属铝薄膜一端引出导线作为光伏电池的负极。
实施例3的钙钛矿硅基异质结太阳能电池通过以下过程制得：首先在厚度为150μm，掺杂浓度为1×1017cm-3的n型单晶硅衬底的第一面上需要制备n型硅纳米柱周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，将0.318g(0.002mol)CH3NH3I(纯度99.5％)和0.924g(0.002mol)PbI2(纯度为99％)加入装有1mlN-二甲基甲酰胺溶液的小烧杯。经过搅拌后得到CH3NH3PbI3旋涂液，利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在基板上，匀液后放置在烤胶机上固胶100分钟，固胶温度范围85℃，得到带有2000nm厚度的钙钛矿薄膜的异质结基板。然后利用激光刻蚀工艺在异质结基板上完成纳米柱阵列制备，激光器采用波长1064nm，脉宽12ns的ND:YAG激光器进行刻蚀，激光入射角为0度，脉冲辐照次数为1。轴向异质结柱体阵列高5μm，直径500nm，占空比0.5。然后将具有轴向异质结柱体的异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺在n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面蒸镀一层厚度为200nm的ITO透明导电薄膜，在透明导电薄膜周边利用电子束蒸发工艺制备一层50nm的金属铝栅线电极引出导线作为光伏电池的正极；最后在n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备30nm的金属铝薄膜一端引出导线作为光伏电池的负极。
实施例4的钙钛矿硅基异质结太阳能电池通过以下过程制得：首先在厚度为150μm，掺杂浓度为1×1017cm-3的n型单晶硅衬底的第一面上需要制备n型硅纳米柱周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，将0.318g(0.002mol)CH3NH3I(纯度99.5％)和0.924g(0.002mol)PbI2(纯度为99％)加入装有1mlN-二甲基甲酰胺溶液的小烧杯。经过搅拌后得到CH3NH3PbI3旋涂液，利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在基板上，匀液后放置在烤胶机上固胶100分钟，固胶温度范围85℃，得到带有50nm厚度的钙钛矿薄膜的异质结基板。然后利用激光刻蚀工艺在异质结基板上完成纳米柱阵列制备，激光器采用波长1064nm，脉宽12ns的ND:YAG激光器进行刻蚀，激光入射角为0度，脉冲辐照次数为1。轴向异质结柱体阵列高0.1μm，直径800nm，占空比0.1。然后将具有轴向异质结柱体的异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺在n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面蒸镀一层厚度为200nm的ITO透明导电薄膜，在透明导电薄膜周边利用电子束蒸发工艺制备一层50nm的金属铝栅线电极引出导线作为光伏电池的正极；最后在n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备30nm的金属铝薄膜一端引出导线作为光伏电池的负极。
实施例5的钙钛矿硅基异质结太阳能电池通过以下过程制得：首先在厚度为150μm，掺杂浓度为1×1017cm-3的n型单晶硅衬底的第一面上需要制备n型硅纳米柱周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，将0.318g(0.002mol)CH3NH3I(纯度99.5％)和0.924g(0.002mol)PbI2(纯度为99％)加入装有1mlN-二甲基甲酰胺溶液的小烧杯。经过搅拌后得到CH3NH3PbI3旋涂液，利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在基板上，匀液后放置在烤胶机上固胶100分钟，固胶温度范围85℃，得到带有5000nm厚度的钙钛矿薄膜的异质结基板。然后利用激光刻蚀工艺在异质结基板上完成纳米柱阵列制备，激光器采用波长1064nm，脉宽12ns的ND:YAG激光器进行刻蚀，激光入射角为0度，脉冲辐照次数为1。轴向异质结柱体阵列高10μm，直径100nm，占空比0.8。然后将具有轴向异质结柱体的异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺在n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面蒸镀一层厚度为200nm的ITO透明导电薄膜，在透明导电薄膜周边利用电子束蒸发工艺制备一层50nm的金属铝栅线电极引出导线作为光伏电池的正极；最后在n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备30nm的金属铝薄膜一端引出导线作为光伏电池的负极。
应当指出上述各实施例中各层结构参数为优选参数，其中n型单晶硅衬底的厚度可以为20～2000μm，掺杂浓度可以为1×1012～1×1018cm-3，透明导电薄膜为氧化钼、氧化铟锡、掺铝氧化锌和聚乙撑二氧噻吩中的一种，厚度可以为200～800nm，导电电极及金属背电极厚度可以为20～1000nm，制备钙钛矿薄膜时固胶时间可以是30～200分钟，固胶温度范围50～200℃。
对比例1为现有平面结构钙钛矿硅基异质结太阳能电池，即电池结构为背电极、n型单晶硅衬底、钙钛矿薄膜、透明导电薄膜和导电电极。
对比例2结构如图3所示，电池结构为背电极3’、带纳米柱2’周期阵列的n型单晶硅衬底1’、覆盖在n型单晶硅衬底1’及纳米柱2’阵列表面的钙钛矿薄膜4’、透明导电薄膜5’和导电电极6’。
从图4可以看出，实施例1，2，3与对比例1相比，整个太阳能波段(300-1100nm)的光子吸收效率均增加，尤其800-1100nm区间范围内的长波长光子的吸收率显著提高。
从图5可以看出，从实施例1，2，3与对比例1相比，短路电流密度由9.83mA/cm2提高12.67mA/cm2、18.45mA/cm2和20.56mA/cm2，表明纳米柱阵列三维结构的引入对光子的吸收效率显著提高；开路电压由0.305V变化为0.332V、0.365V和0.445V，轴向异质结的引入对光生载流子的分离和收集效率显著提高，使器件的光电转换效率均得到提高。
从图6可以看出，实施例1与对比例2相比，800-1100nm区间范围内的长波长光子的吸收率增加的更为显著，使得器件的光生电流密度增加；实施例1与对比例2相比，图7的开路电压的增加也说明实施例1轴向异质结的构筑，也使得光生电荷的分离效率增加分离和收集效率加强，进而提升了器件的光电转化效率。
Claims (9)
1.一种钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，包括n型单晶硅衬底，所述n型单晶硅衬底的第一面设置n型硅纳米柱周期阵列结构，所述n型单晶硅衬底的第二面设置金属背电极，所述n型硅纳米柱周期阵列结构表面设置钙钛矿纳米柱周期阵列结构，所述n型硅纳米柱和所述钙钛矿纳米柱上下对齐构成轴向异质结柱体，所述n型单晶硅衬底的第一面及所述轴向异质结柱体的表面设置透明导电薄膜，所述透明导电薄膜引出导电电极与所述金属背电极对外供电。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅衬底的厚度为20～2000μm，掺杂浓度为1×1012～1×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述n型硅纳米柱周期阵列结构的n型硅纳米柱直径为100～800nm，高度为50～5000nm，占空比为0.1～0.8。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿纳米柱周期阵列结构的钙钛矿纳米柱直径为100～800nm，高度为50～5000nm，占空比为0.1～0.8，所述钙钛矿为CH3NH3PbI3。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述透明导电薄膜为氧化钼、氧化铟锡、掺铝氧化锌和聚乙撑二氧噻吩中的一种，厚度为200～800nm。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述导电电极为金属铝，厚度为20～1000nm。
7.根据权利要求1所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述金属背电极为金属铝薄膜，厚度为20～1000nm。
8.一种根据权利要求1至7中任意一项所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：在n型单晶硅衬底的第一面上需要制备n型硅纳米柱周期阵列结构的区域利用旋涂法制备钙钛矿薄膜，然后放置烤胶机上进行固胶处理得到异质结基板；采用激光刻蚀在所述异质结基板制备上下对齐的n型硅纳米柱周期阵列和钙钛矿纳米柱周期阵列，所述n型硅纳米柱和所述钙钛矿纳米柱上下对齐构成轴向异质结柱体；将激光刻蚀后的所述异质结基板置于真空室内，利用溅射工艺制备在所述n型单晶硅衬底的第一面以及轴向异质结柱体表面制备透明导电薄膜；在位于所述n型单晶硅衬底的第一面的透明导电薄膜表面制备导电电极；在所述n型单晶硅衬底的第二面采用电子束蒸发工艺制备金属背电极。
9.根据权利要求8所述的钙钛矿硅基异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述利用旋涂法制备钙钛矿薄膜时利用匀胶机将钙钛矿溶液滴在所述n型单晶硅衬底上，匀液后放置在烤胶机上固胶30～200分钟，固胶温度范围50～200℃。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114335348A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-12 | 华能新能源股份有限公司 | 一种pn异质结硒化锑/钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
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2019
- 2019-03-01 CN CN201910156062.4A patent/CN109742243A/zh not_active Withdrawn
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