CN110289332B - 一种叠层电池的制备方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叠层电池的制备方法及结构，涉及太阳能电池制备技术领域，包括：提供一第一衬底和一第二衬底；于所述第一衬底上制备得到碲化镉子电池；于所述第二衬底上制备得到纯无机钙钛矿子电池；所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间采用透明胶膜并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池；对所述叠层电池进行封装以完成所述叠层电池的制备过程。本发明解决了单一电池开路电压低及吸收光不完全的现象，同时解决了电池稳定性的局限，本发明的叠层电池具有较高的开路电压，且能够充分利用太阳能进行双面发电；保证了稳定性；具有超过19％的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备技术领域，尤其涉及一种叠层电池的制备方法及结构。
背景技术
薄膜太阳电池是缓解能源危机的新型光伏器件，可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。其中，碲化镉薄膜太阳电池简称CdTe电池，它是以CdTe为光吸收层的一种化合物半导体薄膜太阳电池，禁带宽度为1.2～1.3eV，在可见光波长范围内(600nm～1000nm)吸收系数很高，有很高的转换效率和较低的成本。纯无机钙钛矿薄膜太阳能电池是以有机金属卤化物半导体为吸收层的一种薄膜太阳能电池，禁带宽度为1.6～1.7eV，在短波段(250～700nm)有很高的吸收系数。目前碲化镉和钙钛矿电池大面积组件效率已经分别达到了16％和15％，实验室电池的效率则更高。钙钛矿太阳能电池是当前研究以及产业化最热门的太阳能电池材料之一，其效率从短短的几年时间里由3％提升至当前的24.2％。钙钛矿系列材料包括有机无机杂化材料以及纯无机钙钛矿材料。由于其特殊的材料特性，其能隙可调，制备工艺简单，原材料价格便宜。
传统的太阳能薄膜电池一般都是单层的，在过去的几年里有很多厂商采用叠层技术制备了非晶硅薄膜电池，但是非晶硅薄膜电池存在严重的S-W效应，无法从根本上解决，而传统的单层薄膜电池如碲化镉、铜铟镓硒、砷化镓、钙钛矿等在大面积制备的过程中，效率提升比较缓慢，提升一个点可能需要几年甚至十年的时间，这对生产企业来说，通过提升效率降低成本有很大的困难，钙钛矿太阳能电池具有高效率和低材料成本的优势，但其也面临一些主要的问题：(1)该材料的稳定性(2)吸收层中含有可溶性重金属Pb(3)钙钛矿太阳电池的理论研究还有待增强。而CdTe中沉积CdTe层是碲化镉电池最为重要的生产工艺。目前CdTe层的沉积工艺主要分为低温沉积工艺和高温沉积工艺。较有代表性的低温沉积工艺如磁控溅射、电沉积等，其特点在于沉积时衬底所需要的温度在400度以下；高温沉积工艺主要为近空间升华法(CSS)、蒸汽输运法(VTD)等，其特点在于沉积时衬底温度高于400℃，多数在500℃以上。目前业界最为常见和成熟的技术主要是高温沉积工艺，如美国FirstSolar使用的是VTD，德国Antech使用的是CSS。目前CdTe面临的问题是：(1)开路电压的提升(2)窗口层的替代(3)背接触层的选择。目前做的比较主流的叠层电池一般都是同质结，界面处理相对容易，异质结电池在叠层时接触界面的处理问题，很难做到良好的接触及界面匹配，所以不但不会提升电池的电性能，反而有可能对电池的效率起到反作用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种叠层电池的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，提供一第一衬底和一第二衬底；
步骤S2，于所述第一衬底上制备得到碲化镉子电池；
步骤S3，于所述第二衬底上制备得到纯无机钙钛矿子电池；
步骤S4，所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间采用透明胶膜并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池；
步骤S5，对所述叠层电池进行封装以完成所述叠层电池的制备过程。
优选的，所述步骤S2具体包括：
步骤S21，于所述第一衬底上沉积TCO玻璃以形成第一透明导电层；
步骤S22，于所述第一透明导电层上采用磁控溅射工艺沉积氧化锌镁膜层以形成N型电子传输层；
步骤S23，于所述N型电子传输层上采用磁控溅射工艺沉积硫化铟膜层以形成缓冲膜层；
步骤S24，于所述缓冲膜层上沉积碲化镉膜层以形成第一光吸收层；
步骤S25，于所述第一光吸收层上采用磁控溅射工艺沉积碲化锌掺铜以形成背接触层；
步骤S26，进行激光划线以及湿化学制程以完成所述碲化镉子电池的内部电极处理过程；
步骤S27，于所述背接触层上采用磁控溅射工艺依次沉积氧化钼以及氧化铟锡形成第一背电极层，以得到所述碲化镉子电池。
优选的，所述步骤S24中，所述碲化镉膜层采用的薄膜制备工艺为近空间升华法或蒸汽输运法。
优选的，所述步骤S3具体包括：
步骤S31，于所述第二衬底上沉积TCO玻璃以形成第二透明导电层；
步骤S32，于所述第二透明导电层上采用磁控溅射工艺沉积氧化镍以形成空穴传输层；
步骤S33，于所述空穴传输层上采用等离子体增强化学气相沉积工艺制备纯无机钙钛矿膜层以形成第二光吸收层；
步骤S34，于所述第二光吸收层上采用磁控溅射工艺沉积n型二氧化钛薄膜以形成致密层；
步骤S35，于所述致密层上采用磁控溅射工艺沉积n型二氧化钛薄膜以形成介孔层；
步骤S36，进行激光划线以及湿化学制程以完成所述无机钙钛矿子电池的内部电极处理过程；
步骤S37，于所述介孔层上采用磁控溅射工艺依次沉积氧化钼以及氧化铟锡形成第二背电极层，以得到所述纯无机钙钛矿子电池。
优选的，所述步骤S33中，所述纯无机钙钛矿膜层的制备材料为(RuxCs1-x)(SnyPb1-y)Br3，且x的取值范围为[0.01，0.1]，y的取值范围为[0.01，0.1]。
优选的，所述透明胶膜为EVA，或PO，或POE，或有机硅胶材料。
优选的，所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间通过N、P极电极互联技术进行串联。
一种叠层电池结构，采用以上任意一项所述的叠层电池的制备方法制备形成，所述叠层电池结构包括：
一第一衬底和一第二衬底，于所述第一衬底上制备得到碲化镉子电池，于所述第二衬底上制备得到纯无机钙钛矿子电池，随后将所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间采用透明胶膜并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池。
优选的，所述碲化镉子电池的结构具体包括：
于所述第一衬底上形成第一透明导电层，于所述第一透明导电层上形成N型电子传输层，于所述N型电子传输层上形成所述缓冲膜层，于所述缓冲膜层上形成第一光吸收层，于所述第一光吸收层上形成背接触层，于所述背接触层上形成第一背电极层。
优选的，所述纯无机钙钛矿子电池的结构具体包括：
于所述第二衬底上依次沉积第二透明导电层、空穴传输层、纯无机钙钛矿膜层、致密层、介孔层以及第二背电极层。
于所述第二衬底上形成第二透明导电层，于所述第二透明导电层上形成空穴传输层，于所述空穴传输层上形成第二光吸收层，于所述第二光吸收层上形成致密层，于所述致密层上形成介孔层，于所述介孔层上形成第二背电极层。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1)解决了单一电池开路电压低及吸收光不完全的现象，同时解决了电池稳定性的局限，本发明的叠层电池具有较高的开路电压，且能够充分利用太阳能进行双面发电；
2)纯无机钙钛矿材料的应用保证了本发明的叠层电池的稳定性；
3)通过N，P电极互联技术实现碲化镉电池端子和纯无机钙钛矿电池端子的串联，使得本发明的叠层电池的具有超过19％的转换效率。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，一种叠层电池的制备方法的流程示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，碲化镉子电池的制备方法的流程示意图；
图3为本发明的较佳的实施例中，纯无机钙钛矿子电池的制备方法的流程示意图；
图4为本发明的较佳的实施例中，一种叠层电池的结构示意图；
图5为本发明的较佳的实施例中，一种叠层电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供本发明提供一种叠层电池的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S1，提供一第一衬底和一第二衬底；
步骤S2，于第一衬底上制备得到碲化镉子电池；
步骤S3，于第二衬底上制备得到纯无机钙钛矿子电池；
步骤S4，碲化镉子电池和纯无机钙钛矿子电池之间采用透明胶膜并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池；
步骤S5，对叠层电池进行封装以完成叠层电池的制备过程。
具体地，本实施例中，第一衬底和第二衬底均为玻璃，通过分别在第一衬底上进行碲化镉子电池的制备，以及在第二衬底上进行纯无机钙钛矿子电池的制备，并在制备完成后采用透明胶膜通过层压工艺进行叠层化，同时采用N、P电极互联技术完成碲化镉子电池和无机钙钛矿子电池的串联，以提高制备得到的纯无机钙钛矿及碲化镉叠层电池的开路电压，最后根据需要对该纯无机钙钛矿及碲化镉叠层电池进行相应的封装，以完成纯无机钙钛矿及碲化镉叠层电池的制备过程。进一步地，本实施例中，碲化镉子电池及机钙钛矿子电池分别通过激光刻划完成其内部子电池间的串联。
本发明的较佳的实施例中，如图2所示，步骤S2具体包括：
步骤S21，于第一衬底上沉积TCO玻璃以形成第一透明导电层；
步骤S22，于第一透明导电层上采用磁控溅射工艺沉积氧化锌镁膜层以形成N型电子传输层；
步骤S23，于N型电子传输层上采用磁控溅射工艺沉积硫化铟膜层以形成缓冲膜层；
步骤S24，于缓冲膜层上沉积碲化镉膜层以形成第一光吸收层；
步骤S25，于第一光吸收层上采用磁控溅射工艺沉积碲化锌掺铜以形成背接触层；
步骤S26，进行激光划线以及湿化学制程以完成碲化镉子电池的内部电极处理过程；
步骤S27，于背接触层上采用磁控溅射工艺依次沉积氧化钼以及氧化铟锡形成第一背电极层，以得到碲化镉子电池。
具体地，本实施例中，上述第一透明导电层为TCO玻璃，该TCO玻璃为氟掺杂的氧化锡材质。
本发明的较佳的实施例中，步骤S24中，碲化镉膜层采用的薄膜制备工艺为近空间升华法或蒸汽输运法。
本发明的较佳的实施例中，如图3所示，步骤S3具体包括：
步骤S31，于第二衬底上沉积TCO玻璃以形成第二透明导电层；
步骤S32，于第二透明导电层上采用磁控溅射工艺沉积氧化镍以形成空穴传输层；
步骤S33，于空穴传输层上采用等离子体增强化学气相沉积工艺制备纯无机钙钛矿膜层以形成第二光吸收层；
步骤S34，于第二光吸收层上采用磁控溅射工艺沉积n型二氧化钛薄膜以形成致密层；
步骤S35，于致密层上采用磁控溅射工艺沉积n型二氧化钛薄膜以形成介孔层；
步骤S36，进行激光划线以及湿化学制程以完成无机钙钛矿子电池的内部电极处理过程；
步骤S37，于介孔层上采用磁控溅射工艺依次沉积氧化钼以及氧化铟锡形成第二背电极层，以得到纯无机钙钛矿子电池。
具体地，本实施例中，上述第二透明导电层也可以为FTO玻璃，该FTO玻璃为氟掺杂的氧化锡等透明导电物。
本发明的较佳的实施例中，步骤S33中，纯无机钙钛矿膜层的制备材料为(RuxCs1-x)(SnyPb1-y)Br3，且x的取值范围为[0.01，0.1]，y的取值范围为[0.01，0.1]。
具体地，本实施例中，通过对x、y取值的控制能够实现最佳能隙和最高转化效率的优化。
本发明的较佳的实施例中，透明胶膜为EVA，或PO，或POE，或有机硅胶材料。
本发明的较佳的实施例中，碲化镉子电池和纯无机钙钛矿子电池之间通过N、P极电极互联技术进行串联。
具体地，本实施例中，通过通过N、P极电极互联技术实现碲化镉电池端子和纯无机钙钛矿电池端子的串联，有效提高本发明的叠层电池的开路电压。
一种叠层电池结构，采用以上任意一项的叠层电池的制备方法制备形成，如图4所示，叠层电池结构包括：
一第一衬底11和一第二衬底21，于第一衬底上11制备得到碲化镉子电池1，于第二衬底21上制备得到纯无机钙钛矿子电池2，随后将碲化镉子电池1和纯无机钙钛矿子电池2之间采用透明胶膜3并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池。
本发明的较佳的实施例中，如图4和图5所示，碲化镉子电池1的结构具体包括：
于第一衬底11上形成第一透明导电层12，于第一透明导电层12上形成N型电子传输层13，于N型电子传输层13上形成缓冲膜层14，于缓冲膜层14上形成第一光吸收层15，于第一光吸收层15上形成背接触层16，于背接触层16上形成第一背电极层17。
具体地，本实施例中，碲化镉子电池1中，第一透明导电层12为TCO玻璃膜层，膜层厚度为200-400nm；N型电子传输层13为MgZnO膜层，膜层厚度为100-500nm；缓冲膜层14为InS膜层，膜层厚度为20-400nm；第一光吸收层15为碲化镉膜层，膜层厚度为1500-3500nm；背接触层16为ZnTe:Cu膜层，膜层厚度为10-50nm；以及第一背电极层17为MoOx膜层和ITO膜层，其中MoOx膜层的膜层厚度为20-120nm，ITO膜层的膜层厚度为100-400nm。
本发明的较佳的实施例中，如图4和图5所示，纯无机钙钛矿子电池2的结构具体包括：
于第二衬底21上形成第二透明导电层22，于第二透明导电层22上形成空穴传输层23，于空穴传输层23上形成第二光吸收层24，于第二光吸收层24上形成致密层25，于致密层25上形成介孔层26，于介孔层26上形成第二背电极层27。
具体地，本实施例中，纯无机钙钛矿子电池2中，第二透明导电层22为FTO玻璃膜层，膜层厚度为200-450nm；空穴传输层23为NiO膜层，膜层厚度为20-580nm；第二光吸收层24为(RuxCs1-x)(SnyPb1-y)Br3)钙钛矿膜层，膜层厚度为200-800nm；致密层25为n型TiO2膜层，膜层厚度为20-100nm；介孔层26为n型TiO2膜层，膜层厚度为500-3000nm；以及第二背电极层27为MoOx膜层和ITO膜层，其中MoOx膜层的膜层厚度为20-120nm，ITO膜层的膜层厚度为100-400nm。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种叠层电池的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1，提供一第一衬底和一第二衬底；
步骤S2，于所述第一衬底上制备得到碲化镉子电池；
步骤S3，于所述第二衬底上制备得到纯无机钙钛矿子电池；
所述步骤S3具体包括：
步骤S31，于所述第二衬底上沉积TCO玻璃以形成第二透明导电层；
步骤S32，于所述第二透明导电层上采用磁控溅射工艺沉积氧化镍以形成空穴传输层；
步骤S33，于所述空穴传输层上采用等离子体增强化学气相沉积工艺制备纯无机钙钛矿膜层以形成第二光吸收层；
步骤S34，于所述第二光吸收层上采用磁控溅射工艺沉积n型二氧化钛薄膜以形成致密层；
步骤S35，于所述致密层上采用磁控溅射工艺沉积n型二氧化钛薄膜以形成介孔层；
步骤S36，进行激光划线以及湿化学制程以完成所述无机钙钛矿子电池的内部电极处理过程；
步骤S37，于所述介孔层上采用磁控溅射工艺依次沉积氧化钼以及氧化铟锡形成第二背电极层，以得到所述纯无机钙钛矿子电池；
所述步骤S33中，所述纯无机钙钛矿膜层的制备材料为(RuxCs1-x)(SnyPb1-y)Br3，且x的取值范围为[0.01，0.1]，y的取值范围为[0.01，0.1]；
步骤S4，所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间采用透明胶膜并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池；
步骤S5，对所述叠层电池进行封装以完成所述叠层电池的制备过程。
2.根据权利要求1所述的叠层电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21，于所述第一衬底上沉积TCO玻璃以形成第一透明导电层；
步骤S22，于所述第一透明导电层上采用磁控溅射工艺沉积氧化锌镁膜层以形成N型电子传输层；
步骤S23，于所述N型电子传输层上采用磁控溅射工艺沉积硫化铟膜层以形成缓冲膜层；
步骤S24，于所述缓冲膜层上沉积碲化镉膜层以形成第一光吸收层；
步骤S25，于所述第一光吸收层上采用磁控溅射工艺沉积碲化锌掺铜以形成背接触层；
步骤S26，进行激光划线以及湿化学制程以完成所述碲化镉子电池的内部电极处理过程；
步骤S27，于所述背接触层上采用磁控溅射工艺依次沉积氧化钼以及氧化铟锡形成第一背电极层，以得到所述碲化镉子电池。
3.根据权利要求2所述的叠层电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S24中，所述碲化镉膜层采用的薄膜制备工艺为近空间升华法或蒸汽输运法。
4.根据权利要求1所述的叠层电池的制备方法，其特征在于，所述透明胶膜为EVA，或PO，或POE，或有机硅胶材料。
5.根据权利要求1所述的叠层电池的制备方法，其特征在于，所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间通过N、P极电极互联技术进行串联。
6.一种叠层电池结构，其特征在于，采用如权利要求1-5中任意一项所述的叠层电池的制备方法制备形成，所述叠层电池结构包括：
一第一衬底和一第二衬底，于所述第一衬底上制备得到碲化镉子电池，于所述第二衬底上制备得到纯无机钙钛矿子电池，随后将所述碲化镉子电池和所述纯无机钙钛矿子电池之间采用透明胶膜并通过层压工艺进行叠层处理得到叠层电池；
所述纯无机钙钛矿子电池的结构具体包括：
于所述第二衬底上形成第二透明导电层，于所述第二透明导电层上形成空穴传输层，于所述空穴传输层上形成第二光吸收层，于所述第二光吸收层上形成致密层，于所述致密层上形成介孔层，于所述介孔层上形成第二背电极层。
7.根据权利要求6所述的叠层电池结构，其特征在于，所述碲化镉子电池的结构具体包括：
于所述第一衬底上形成第一透明导电层，于所述第一透明导电层上形成N型电子传输层，于所述N型电子传输层上形成缓冲膜层，于所述缓冲膜层上形成第一光吸收层，于所述第一光吸收层上形成背接触层，于所述背接触层上形成第一背电极层。
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