CN114005942A - 一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池。其特征是：它由前电极层2、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5、背电极层6依次沉积在制备好的纹理结构玻璃1的底部组成。本发明的钙钛矿太阳能电池，其顶部的纹理结构表面形成高效的抗反射，入射太阳光7发生散射后进入电池内部，然后底部的纹理结构将进一步“捕获”入射光于钙钛矿层4中，增强电池对入射光的吸收能力，减少光能逃逸，延长光程，最终提升电池的短路电流和光电转换效率。

Description

一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池
(一)技术领域
本发明涉及一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池，属于太阳能电池领域，具体涉及光伏器件、微纳加工。
(二)背景技术
近年来，光伏产业发展迅猛，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率不断提高，2020年已经提高到29％，成为当今市场最具有竞争力的太阳能电池之一，这主要归功于钙钛矿材料在可见光范围内较高的吸收、高载流子迁移率、带隙可调的等优势。但是目前市场上大多为平面钙钛矿太阳能电池，阳光入射到电池表面，会有大量的光能被反射出去，钙钛矿层没有充分吸收入射光，会引起额外的光能损失，导致电池性能的降低。而陷光结构的引入，可以在不改变吸收层厚度的前提下，减少电池表面光能反射，增强吸收，同时减少电池内部光能逃逸，在一定程度上延长光程，从而提高电池的转换效率。
目前，在钙钛矿太阳能电池中，陷光结构的设计以及在电池中的应用主要有三种方案：表面抗反射陷光结构、内部陷光结构，表面等离激元。表面等离子激元主要是在电池吸收层附近嵌入金属纳米粒子来实现等离子激元共振，进一步增强吸收，但是这种方案一般制备困难而且价格昂贵，所以并不多见。使用较多的是前面两种方案。向勇与兰洵于2018年公开的一种混合陷光结构的钙钛矿太阳能电池及其制备方法(中国专利：201710725231.2)主要在钙钛矿太阳能电池中增加微纳颗粒陷光层，增加了入射光的散射和延长其光程来增强太阳能电池对光的吸收；郑将辉等人于2019年公开的一种光谱下转换减反膜、制作方法及叠层太阳能电池(中国专利：201910649987.2)主要采用陷光性能优异，具有高能光子下转换功能并有很好柔性的光谱下转换减反膜，用于提升钙钛矿硅叠层太阳能电池的紫外稳定性以及紫外响应性能。解俊杰等人于2021年公开的一种钙钛矿太阳能电池及其制作方法(中国专利：202011305748.4)主要以陷光结构为衬底制备钙钛矿太阳能电池。上述陷光技术都提升了钙钛矿太阳能电池的转化效率，但目前仍没有探讨将钙钛矿太阳能电池材料依次沉积在双面纹理玻璃底面，将表面抗反射结构和内部纹理陷光结构特性结合起来的在先技术，这就限制了陷光技术提升钙钛矿太阳能电池转化效率的更多可能性。
本发明公开了一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池。该发明以纹理玻璃为衬底，将钙钛矿太阳能电池材料依次沉积在所述纹理玻璃底面构筑出一种双面纹理结构钙钛矿太阳能电池。与在先技术相比，顶部纹理结构能够使入射光在其纹理结构上表面形成减反射，底部的纹理结构将进一步“捕获”入射光于钙钛矿层中，增强电池对入射光的吸收能力，减少光能逃逸，延长光程，最终提升电池的短路电流和光电转换效率。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池。
本发明的目的是这样实现的：
一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池，它由前电极层2、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5、背电极层6依次沉积在制备好的纹理结构玻璃1的下表面组成。在受到太阳光7照射时，钙钛矿层4首先吸收光子产生电子-空穴对。然后，这些未复合的电子从钙钛矿层4传输到等电子传输层3，最后被前电极层2收集；未复合的空穴从钙钛矿层4传输到空穴传输层5，最后被背电极层6收集。在此过程中，入射太阳光7先通过顶部的陷光结构发生散射，不再沿着原来与平面垂直的方向传播，光程被延长。然后接触到底部的纹理陷光层，光线再次发生散射，光能通过折射被汇集到钙钛矿层中，增强电池对入射光的光能吸收，从而提高短路电路，进一步提升钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。
所述的纹理结构玻璃的具体制备流程为：其一，采用标准清洗法步骤对实验玻璃基片进行彻底的清洗，去除玻璃表面的杂质，保证玻璃的高清洁度，放进干燥箱中备用；其二，由于铜或金与玻璃衬底间的结合力较差，先采用磁控溅射方法在清洁玻璃表面先溅射一层铬，再溅射一层铜或金，形成复合金属种子层结构；其三，旋涂光刻胶，涂胶完成后进行烘干处理，使胶膜硬化；其四，采用紫外光照射光刻胶，然后在显影液中显影，将掩模板上的图案转到衬底表面的光刻胶上，然后在烘箱中进行烘烤；其五，采用离子束刻蚀方法刻蚀种子层，接着将样品浸泡在丙酮中进行去胶处理；其六，采用氢氟酸溶液刻蚀带结构金属种子层掩膜的玻璃衬底；其七，将刻蚀后的玻璃基片浸没在硝酸铈铵和高氯刻蚀液中，直至将残留的金属种子层去除干净，得到一面有纹理结构的玻璃；最后，用上述同样的方法在在纹理玻璃的另一面上制备纹理结构，得到上下面都有纹理结构的玻璃。所述纹理结构玻璃凹坑阵列尺寸为微纳米级别。
所述钙钛矿太阳能电池沉积在纹理玻璃的表面的具体步骤为：其一，采用磁控溅射法，在纹理玻璃的下表面溅射前电极层；其二，采用电子束蒸发法，在电池前电极层上沉积电子传输层；其三，采用旋涂工艺，在高纵横比的基底上热蒸发PbI2层，然后旋涂Pb基有机溶液，通过离子交换生成钙钛矿薄膜；其四，采用电子束蒸发法，在钙钛矿层上沉积空穴传输层；最后采用磁控溅射法，在空穴传输层上溅射背电极层。
(四)附图说明
图1是双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池三维示意图。
图2是凹坑阵列纵横比约为0.4，低纵横比类型的双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池剖面图。
图3是凹坑阵列纵横比约为0.8，高纵横比类型的双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池剖面图。
图4是双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池与平面钙钛矿太阳能电池的吸收对比图。
图中，1为纹理结构玻璃；2为前电极层；3为电子传输层；4为钙钛矿层；5为空穴传输层；6为背电极层；7为入射太阳光。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了凹坑阵列纵横比约为0.4，双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池的实施例。其具体实施步骤为：先制备双面纹理结构玻璃。首先对玻璃基片进行彻底的清洗、干燥待用。然后在玻璃表面溅射50nm的铬金属层，接着再溅射150nm的铜金属层。旋涂3-5μm光刻胶，正胶。采用415nm紫外线，在双面对准接触式光刻中光刻60s，然后显影60s，最后在70-90度的烘箱中进行烘烤，时间约为10分钟。采用离子束和氢氟酸相结合的方法依次刻蚀种子层，刻蚀时间分别为10分钟，最后去除种子层。同理，在玻璃的另一面上也制备纹理结构。最后，得到半径约为1μm，凹坑纵横比约为0.4的双面纹理陷光结构玻璃。
接着将钙钛矿电池材料依次沉积在纹理玻璃上。采用磁控溅射法，在纹理结构玻璃1的底部溅射厚度为50nm的ITO层作为电池前电极层2；采用电子束蒸发法，在电池前电极层2上沉积厚度为100nm的ZnO层作为电子传输层3；采用旋涂工艺，在高纵横比的基底上热蒸发PbI2层，然后旋涂Pb基有机溶液，通过离子交换生成500nm厚的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜；采用电子束蒸发法，在钙钛矿层4上沉积厚度为10nm的NiOx层作为空穴传输层5；最后采用磁控溅射法，在空穴传输层5上溅射厚度为100nm的金层作为电池背电极层6。
图3给出了凹坑阵列纵横比约为0.8，高纵横比类型的双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池的实施例。其具体实施步骤为：通过光刻、显影及刻蚀等工艺在石英玻璃上制备纹理陷光结构，延长对玻璃的刻蚀时间以加深凹坑纵横比，实现更好的陷光效果。制备出的纵横比大约为0.8的凹坑。然后采用磁控溅射法，在纹理结构玻璃1的表面溅射厚度为50nm的ITO层作为电池前电极层2；采用电子束蒸发法，在电池背电极层2上沉积厚度为100nm的ZnO作为电子传输层3；采用旋涂工艺，在电子传输层3上旋涂厚度为500nm的CH3NH3PbI3作为钙钛矿层4；采用电子束蒸发法，在钙钛矿层4上沉积厚度为10nm的NiOx作为空穴传输层5；最后采用磁控溅射法，在空穴传输层5上溅射厚度为100nm的金层作为电池前电极层6。
图4给出了双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池与对应的平面钙钛矿太阳能电池的吸收对比图。光谱的振荡是因为顶部玻璃-空气界面和底部玻璃-ITO界面之间的干涉。在300-800nm波长范围内，双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池的吸收都高于平面结构电池，经计算，平均吸收提高了8.32％。这主要得益于双面纹理陷光结构优秀的减反射和陷光特性，实现了光的多次吸收。
以上对本发明的具体实施做了详细描述，但必须再次重申的是，本发明的核心内容是以纹理玻璃为衬底，将钙钛矿太阳能电池材料依次沉积在所述纹理玻璃底面构筑出一种双面纹理结构钙钛矿太阳能电池。这种双面纹理结构还可以应用于硅基或者其他太阳能电池中。本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域的技术人员可以在权利范围内做出各种变形和改进，这不影响本发明设计的实质内容。

Claims (4)

1.一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池。其特征是：包括纹理结构玻璃1，所述纹理结构玻璃1的上下表面均设有陷光结构，上下结构的参数相同，所述陷光结构的下表面依次沉积有前电极层2、电子传输层3、钙钛矿层4、空穴传输层5、背电极层6。
2.根据权利要求1所述的一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池，其特征是：所述纹理结构玻璃1采用熔融石英玻璃基板制备，所述陷光结构为周期排列的准半球凹坑阵列。
3.根据权利要求1所述的一种双面纹理陷光结构钙钛矿太阳能电池，其特征是：所述前电极层2的材料为氧化铟锡(ITO)，是一种透明导电玻璃，厚度为50-150nm；所述电子传输层3的材料为氧化锌(ZnO)，厚度为50-100nm；所述钙钛矿层4的材料为CH3NH3PbI3，厚度为300-500nm；所述空穴传输层5的材料为氧化镍(NiOx)，厚度为10-30nm，所述背电极层6的材料可以是金、银、铝中的一种，厚度为100-300nm。
4.根据权利要求2所述的准半球凹坑阵列，其特征是：半径为1μm-10μm，其深度和直径的比值为0.1-0.8。
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