CN113013340A - 一种异质结太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异质结太阳能电池及其制造方法。异质结太阳能电池包括：由上至下依次为：透明前电极、电子传输层、钙钛矿层、铜铟镓硒层、钼电极层和电池衬底。制造方法包括：采用直流磁控溅射方法在电池衬底上制备钼电极层；采用三步共蒸发法在钼电极层上沉积铜铟镓硒层；利用旋涂的方式将混合溶剂旋涂在铜铟镓硒层后，在80℃～150℃条件下加热10min～60min，获得钙钛矿层；采用直流磁控溅射方法在钙钛矿层上制备氧化锌层；其中，氧化锌层为电子传输层；采用直流磁控溅射方法在电子传输层上制备的AZO层；其中，AZO层为透明前电极。本发明能够提升电子的收集效率，进而提升太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种异质结太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种异质结太阳能电池及其制造方法。
背景技术
太阳能电池是直接将光能转换成电能的元件，由于太阳辐射光谱的范围(0～4eV)非常宽，根据光伏效应原理，由单一半导体材料构成的单结太阳能电池，仅能将太阳能辐射光谱中的一部分光能转换成电能，太阳能的有效利用率低，且输出电压低。目前，将不同带隙的太阳能电池材料与太阳光的能量宽度匹配，形成光学串联结构，构建多结太阳能电池，利用电池中各结充分吸收与其禁带宽度匹配的太阳光谱波段的光子，从而实现太阳光的最大化有效利用。
现有技术中采用叠层电池来实现太阳能电池响应波长的响应。近年来采用叠层结构的钙钛矿太阳能电池引起光伏界的广泛关注。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高非常迅速，2009年初始转换效率仅为3.8％，2012年便迅速提高到10.9％，如今钙钛矿太阳能电池的转换效率已达到25.5％。钙钛矿层作为吸收层，具有高载流子迁移率、高光吸收系数等优势，并且带隙可通过卤素种类及掺杂比例进行调节，在电池中起着至关重要的作用。铜铟镓硒(CIGS)是四元化合物半导体材料，随着镓组分X从0到1变化，其禁带宽度从1.04eV到1.69eV变化，除吸收太阳光中可见光谱范围，还可吸收700～1200nm的太阳光谱。钙钛矿和铜铟镓硒叠层电池结构中，顶层钙钛矿用于吸收短波长太阳光，底层窄带隙铜铟镓硒材料用于吸收长波长光，从而可以实现对太阳光的宽波长范围的高效利用。
但是，叠层电池的劣势在于成本较高，而且还存在光电转换效率低的问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种异质结太阳能电池及其制造方法，能够提高太阳能电池的光电转换效率。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种异质结太阳能电池，包括：
由上至下依次为：透明前电极、电子传输层、钙钛矿层、铜铟镓硒层、钼电极层和电池衬底。
其中，所述电池衬底的材质为玻璃、不锈钢或者聚酰亚胺中的任意一种。
其中，所述钼电极层的厚度为200-1000纳米。
其中，所述铜铟镓硒层为电池的p型层，用于光吸收。
其中，所述铜铟镓硒层的厚度为1-3微米。
其中，所述钙钛矿层的材料为铅卤素钙钛矿；
铅卤素钙钛矿的化学式为APbX3；
其中，A为有机离子或无机碱金属离子，X为卤素。
其中，所述电子传输层的材质为：二氧化钛、氧化锌或有机电子传输材料中任意一种。
其中，所述透明前电极的材质为氧化铟锡或AZO。
其中，所述透明前电极的厚度为150-1000纳米。
第二方面，本发明提供一种异质结太阳能电池的制造方法，包括：
采用直流磁控溅射方法在电池衬底上制备厚度为500纳米的钼电极层；
采用三步共蒸发法在所述钼电极层上沉积厚度为2微米的铜铟镓硒层；
利用旋涂的方式将混合溶剂旋涂在所述铜铟镓硒层后，在80℃～150℃条件下加热10min～60min，获得钙钛矿层；其中，混合溶剂是将甲基溴化胺、溴化铅按预设比例溶于二甲基甲酰胺和二甲基亚砜溶剂中得到的；
采用直流磁控溅射方法在钙钛矿层上制备厚度为70纳米的氧化锌层；其中，氧化锌层为电子传输层；
采用直流磁控溅射方法在电子传输层上制备厚度为500纳米的AZO层；其中，AZO层为透明前电极。
本发明提供的一种异质结太阳能电池及其制造方法，利用吸收性能优异的钙钛矿薄膜可与铜铟镓硒薄膜补充吸收，这样可以在铜铟镓硒厚度较薄情况下实现比较充分的光吸收；钙钛矿具有优异的双极载流子传输特性，可以有效传输电子和空穴，从而提升电子的收集效率。而且由于钙钛矿/铜铟镓硒异质结使光吸收集中在结区，将减少体内载流子复合，从而减少开路电压损失，有利于提升电池填充因子、短路电流和开路电压，进而提升太阳能电池的光电转换效率。相对传统的铜铟镓硒电池来说，无镉，降低生产过程中的污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种异质结太阳能电池的结构示意图；
图2为本实施例提供的一种异质结太阳能电池的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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。
本发明提供一种异质结太阳能电池，参见图1，所述异质结太阳能电池具体包括：
由上至下依次为：透明前电极、电子传输层、钙钛矿层、铜铟镓硒层、钼电极层和电池衬底。
在本实施例中，电池衬底为玻璃、不锈钢或者聚酰亚胺中任意一种，电子传输层的材质为二氧化钛、氧化锌或有机电子传输材料中任意一种。
在电池衬底上制备厚度200nm-1000nm的钼电极层，然后生长铜铟镓硒(CIGS)层作为异质结太阳能电池的p型层，即光吸收层，铜铟镓硒层厚度为1um-3um。在铜铟镓硒层上制备钙钛矿层，钙钛矿层的材料为铅卤素钙钛矿，化学式为APbX3；其中，A为有机离子或无机碱金属离子，X为卤素。
需要说明的是，钙钛矿层作为电池的n型层，即光吸收层，钙钛矿层与铜铟镓硒层形成异质结。
在本实施例中，透明前电极的材质为氧化铟锡或AZO。透明前电极的厚度为150-1000纳米。
可以理解的是，AZO为掺铝氧化锌，是铝掺杂的氧化锌(ZnO)透明导电玻璃的简称。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种异质结太阳能电池，利用吸收性能优异的钙钛矿薄膜可与铜铟镓硒薄膜补充吸收，这样可以在铜铟镓硒厚度较薄情况下实现比较充分的光吸收；钙钛矿具有优异的双极载流子传输特性，可以有效传输电子和空穴，从而提升电子的收集效率。而且由于钙钛矿/铜铟镓硒异质结使光吸收集中在结区，将减少体内载流子复合，从而减少开路电压损失，有利于提升电池填充因子、短路电流和开路电压，进而提升太阳能电池的光电转换效率。相对传统的铜铟镓硒电池来说，无镉，降低生产过程中的污染。
本发明提供一种异质结太阳能电池的制造方法，参见图2，所述异质结太阳能电池的制造方法具体包括：
S101：采用直流磁控溅射方法在电池衬底上制备厚度为500纳米的钼电极层；
在本步骤中，电池衬底为3mm的玻璃。
S102：采用三步共蒸发法在所述钼电极层上沉积厚度为2微米的铜铟镓硒层；
在本步骤中，将电池衬底温度升至300℃后共蒸In-Ga-Se以制得(In,Ga)2Se3层。然后，关闭In源、Ga源，将温度升高至550℃，开启Cu源，制得富铜CIGS层；最后，再在富铜CIGS层的表面制备In-Ga-Se，使CIGS贫铜，以得到p型的铜铟镓硒薄膜，厚度为2微米。
S103：利用旋涂的方式将混合溶剂旋涂在所述铜铟镓硒层后，在80℃～150℃条件下加热10min～60min，获得钙钛矿层；其中，混合溶剂是将甲基溴化胺、溴化铅按预设比例溶于二甲基甲酰胺和二甲基亚砜溶剂中得到的；
本步骤为钙钛矿层的制备，采用MAPbBr3钙钛矿材料，先将甲基溴化胺(MABr)、溴化铅(PbBr2)按1:(0.95-1.1)的比例溶于溶于N-N二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)混合溶剂中，利用旋涂的方法将其旋涂在CIGS层上，在80～150℃加热10min～60min后，获得钙钛矿层。
S104：采用直流磁控溅射方法在钙钛矿层上制备厚度为70纳米的氧化锌层；其中，氧化锌层为电子传输层；
在本步骤中，电子传输层采用氧化锌，采用磁控溅射法在钙钛矿层上制备厚度为70纳米的氧化锌层。
S105：采用直流磁控溅射方法在电子传输层上制备厚度为500纳米的AZO层；其中，AZO层为透明前电极。
在本步骤中，透明前电极采用AZO(掺铝氧化锌)，采用磁控溅射法在电子传输层上制备厚度为500纳米的AZO层。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种异质结太阳能电池的制造方法，利用吸收性能优异的钙钛矿薄膜可与铜铟镓硒薄膜补充吸收，这样可以在铜铟镓硒厚度较薄情况下实现比较充分的光吸收；钙钛矿具有优异的双极载流子传输特性，可以有效传输电子和空穴，从而提升电子的收集效率。而且由于钙钛矿/铜铟镓硒异质结使光吸收集中在结区，将减少体内载流子复合，从而减少开路电压损失，有利于提升电池填充因子、短路电流和开路电压，进而提升太阳能电池的光电转换效率。相对传统的铜铟镓硒电池来说，无镉，降低生产过程中的污染。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种异质结太阳能电池，其特征在于，包括：
由上至下依次为：透明前电极、电子传输层、钙钛矿层、铜铟镓硒层、钼电极层和电池衬底。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述电池衬底的材质为玻璃、不锈钢或者聚酰亚胺中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述钼电极层的厚度为200-1000纳米。
4.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述铜铟镓硒层为电池的p型层，用于光吸收。
5.根据权利要求4所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述铜铟镓硒层的厚度为1-3微米。
6.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层的材料为铅卤素钙钛矿；
铅卤素钙钛矿的化学式为APbX3；
其中，A为有机离子或无机碱金属离子，X为卤素。
7.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的材质为：二氧化钛、氧化锌或有机电子传输材料中任意一种。
8.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述透明前电极的材质为氧化铟锡或AZO。
9.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述透明前电极的厚度为150-1000纳米。
10.一种异质结太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括：
采用直流磁控溅射方法在电池衬底上制备厚度为500纳米的钼电极层；
采用三步共蒸发法在所述钼电极层上沉积厚度为2微米的铜铟镓硒层；
利用旋涂的方式将混合溶剂旋涂在所述铜铟镓硒层后，在80℃～150℃条件下加热10min～60min，获得钙钛矿层；其中，混合溶剂是将甲基溴化胺、溴化铅按预设比例溶于二甲基甲酰胺和二甲基亚砜溶剂中得到的；
采用直流磁控溅射方法在钙钛矿层上制备厚度为70纳米的氧化锌层；其中，氧化锌层为电子传输层；
采用直流磁控溅射方法在电子传输层上制备厚度为500纳米的AZO层；其中，AZO层为透明前电极。
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