CN114582987A - 一种psc和hit的叠层太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种PSC和HIT的叠层太阳能电池，其制作过程不需要在惰性气氛的保护下完成，并且直接在钙钛矿光敏活性膜层上制作碳对电极膜层，即在本申请中采用C作为背电极，其功函数与Au的功函数十分接近，并没有使用昂贵的有机空穴材料，并且PSC太阳能电池和HIT太阳能电池的叠加可以部分共用透明导电氧化物膜层，以大幅度降低PSC和HIT的叠层太阳能电池的制作成本，采用二端串联的方式可以充分利用太阳辐射光照能量，使太阳能电池有望突破单节太阳能电池的理论极限效率。

Description

一种PSC和HIT的叠层太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，更具体地说，涉及一种PSC和HIT的叠层太阳能电池，尤其涉及一种低成本且可以在空气中制备全无机钙钛矿与本征薄膜异质结太阳能电池叠层器件。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源取之不尽用之不竭，太阳能电池装置是实现光能转换为电能的核心部件；基于传统的单节单晶硅基光伏电池而言，其能量转换效率已达到26.7％，已接近其理论极限效率上升空间十分有限，且制备过程中需要高温(温度大约在1400℃左右)处理，并且较厚的硅片也使其制作成本增大。
近年来研究的热门是本征非晶硅薄膜异质结(Heterojunction with IntrinsicThin-layer，简称HIT)太阳能电池，其可以在低温(温度大约在250℃以下)制备且加工工艺流程较少，成本较低，并且商业化产品的光电转换效率已突破25％。
进一步的，钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cell，简称PSC)也是目前光伏领域的研究热点，基于实验室报道的单节钙钛矿太阳能电池的光电转换认证效率已达到25.5％，其可以兼容低温溶液方式的制备。
但是，目前基于PSC和HIT的叠层太阳能电池而言，其制作成本较高；那么如何提供一种低成本且光电转换性能较优的PSC和HIT的叠层太阳能电池，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种PSC和HIT的叠层太阳能电池，技术方案如下：
一种PSC和HIT的叠层太阳能电池，所述PSC和HIT的叠层太阳能电池包括：
在第一方向上依次层叠设置的碳对电极膜层、钙钛矿光敏活性膜层、电子传输膜层、第一透明导电氧化物膜层、N型非晶硅膜层、第一i型本征富氢非晶硅膜层、N型单晶硅片基底、第二i型本征富氢非晶硅膜层、P型非晶硅膜层、第二透明导电氧化物膜层以及背电极膜层；
其中，所述第一方向垂直于所述碳对电极膜层，且由所述碳对电极膜层指向所述钙钛矿光敏活性膜层。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述第一透明导电氧化物膜层的材料为ITO、FTO中的一种材料。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述第一透明导电氧化物膜层的厚度为30nm-150nm。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述电子传输膜层的材料为TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5、Cr2O3、WO3中的一种材料。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述电子传输膜层的厚度为30nm-90nm。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述介孔支架膜层的材料为TiO2、Al2O3、ZrO2中的一种材料。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述介孔支架膜层的厚度为200nm-400nm。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述钙钛矿光敏活性膜层的材料为CsPbIxBr3-x、CsSnIxBr3-x、CsPbIxCl3-x、CsSnIxCl3-x中的一种材料。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述钙钛矿光敏活性膜层的厚度为300nm-500nm。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述碳对电极膜层的材料为导电炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维中的一种或多种混合组成的导电碳浆料。
优选的，在上述PSC和HIT的叠层太阳能电池中，所述PSC和HIT的叠层太阳能电池还包括：
位于所述钙钛矿光敏活性膜层和所述电子传输层之间的介孔支架膜层。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种PSC和HIT的叠层太阳能电池，其制作过程不需要在惰性气氛的保护下完成，并且直接在钙钛矿光敏活性膜层上制作碳对电极膜层，即在本申请中采用C作为背电极，其功函数与Au的功函数十分接近，并没有使用昂贵的有机空穴材料，并且PSC太阳能电池和HIT太阳能电池的叠加可以部分共用透明导电氧化物膜层，以大幅度降低PSC和HIT的叠层太阳能电池的制作成本，采用二端串联的方式可以充分利用太阳辐射光照能量，使太阳能电池有望突破单节太阳能电池的理论极限效率。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种PSC和HIT的叠层太阳能电池的原理结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种PSC和HIT的叠层太阳能电池的原理结构示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的发明创造过程中，发明人发现虽然HIT太阳能电池的商业化产品的光电转换效率已突破25％，但是硅材料是一种间接带隙半导体材料，其对太阳辐射光照的吸收能力有限且光敏活性层材料单一，无法吸收能量比其能隙值(大约为1.12eV)高的光子，使得太阳光中能量较低的光子透过电极最终被背电极吸收造成能量损失。
进一步的，发明人发现传统的PSC太阳能电池使用Au作为背电极材料，虽然稳定性得到了一定的改善，但却使用了成本较高的贵金属材料；使用Ag或Al等作为背电极材料，虽然一定程度上降低了PSC太阳能电池的制作成本，但是Ag容易渗透到PSC太阳能电池的光敏活性层材料中并与卤素离子发生反应造成短路现象；而Al又容易被氧化。
其中，专利号为CN104979474A的专利公开了一种基于PSC和HIT的叠层太阳能电池器件的制作方法，发明人发现该器件使用成本较高的金属栅线作为背电极，且采用了价格堪比黄金的Spiro-OMeTAD材料作为空穴传输层，导致叠层太阳能电池器件整体加工过程的成本很高；并且其采用的溶液旋涂法制备的相关功能膜层仅适用于小面积器件，不利于获得较大面积且致密均匀的功能膜层。
专利号为CN108365105A的专利公开了一种钙钛矿太阳能电池器件的制备方法，发明人发现其器件用的是有机材料PEDOT：PSS以及PCBM等分别作为空穴和电子传输层的材料，且采用旋涂方式制备，并且制作过程需在惰性气氛(如氮气、氩气等)的保护下进行，不利于实际的工业化应用。
基于此，本发明提供了一种新型的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其制作过程可以直接在空气环境(RH大概在30％-60％)下完成，并且直接在钙钛矿光敏活性层上制作碳对电极，即在本申请中采用C作为背电极，其功函数约为5.0eV与Au的功函数(约5.1eV)十分接近，并没有使用昂贵的有机空穴材料，如Spiro-OMeTAD材料、PTAA材料等，并且PSC太阳能电池和HIT太阳能电池的叠加可以部分共用透明导电氧化物膜层，以大幅度降低PSC和HIT的叠层太阳能电池的制作成本，并且采用二端串联的方式可以充分利用太阳辐射光照能量，使太阳能电池有望突破单节太阳能电池的理论极限效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种PSC和HIT的叠层太阳能电池的原理结构示意图。
所述PSC和HIT的叠层太阳能电池包括：
在第一方向X上依次层叠设置的碳对电极膜层11、钙钛矿光敏活性膜层12、电子传输膜层14、第一透明导电氧化物膜层15、N型非晶硅膜层16、第一i型本征富氢非晶硅膜层17、N型单晶硅片基底18、第二i型本征富氢非晶硅膜层19、P型非晶硅膜层20、第二透明导电氧化物膜层21以及背电极膜层22；
其中，所述第一方向X垂直于所述碳对电极膜层11，且由所述碳对电极膜层11指向所述钙钛矿光敏活性膜层12。
可选的，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种PSC和HIT的叠层太阳能电池的原理结构示意图，所述PSC和HIT的叠层太阳能电池还可以包括：
位于所述钙钛矿光敏活性膜层12和所述电子传输层14之间的介孔支架膜层13。
通过设置该介孔支架膜层13可以进一步改善载流子的传输，有助于增大钙钛矿晶体尺寸，增强薄膜光捕获等以提高PSC和HIT的叠层太阳能电池的光电转换性能。
若不设置介孔支架膜层13时则可以进一步降低PSC和HIT的叠层太阳能电池的制作成本。
在该实施例中，在PSC和HIT的叠层太阳能电池的制作过程中，首先对N型单晶硅片基底18进行制绒清洗工序，以形成表面金字塔结构可以增强光线在PSC和HIT的叠层太阳能电池内部的反射次数，从而减少光学损失。
该N型单晶硅片基底18包括在第一方向X上相对的第一表面和第二表面，包括但不限定于通过PECVD的方式在第一表面上形成第一i型本征富氢非晶硅膜层17，在第二表面上形成第二i型本征富氢非晶硅膜层19。
可选的，第一i型本征富氢非晶硅膜层17的厚度为5nm-10nm，例如第一i型本征富氢非晶硅膜层17的厚度为5.4nm或7.6nm或8nm或9.7nm等。
可选的，第二i型本征富氢非晶硅膜层19的厚度为5nm-10nm，例如第二i型本征富氢非晶硅膜层19的厚度为5.5nm或7.4nm或8nm或9.8nm等。
进一步的，包括但不限定于通过PECVD的方式在第二i型本征富氢非晶硅膜层19背离N型单晶硅片基底18的一侧形成P型非晶硅膜层20；包括但不限定于通过PECVD的方式在第一i型本征富氢非晶硅膜层17背离N型单晶硅片基底18的一侧形成N型非晶硅膜层16。
可选的，P型非晶硅膜层20的厚度为7nm-12nm，例如P型非晶硅膜层20的厚度为7.2nm或8.4nm或10nm或11.9nm等。
可选的，N型非晶硅膜层16的厚度为7nm-12nm，例如N型非晶硅膜层16的厚度为7.6nm或8.2nm或10nm或11.5nm等。
进一步的，包括但不限定于通过PVD的方式在P型非晶硅膜层20背离N型单晶硅片基底18的一侧形成第二透明导电氧化物膜层21。
可选的，第二透明导电氧化物膜层21的材料为ITO、IWO、AZO、FTO中的一种。
可选的，第二透明导电氧化物膜层21的厚度为50nm-90nm，例如第二透明导电氧化物膜层21的厚度为53nm或64nm或78nm或82nm等。
进一步的，包括但不限定于通过PVD的方式在N型非晶硅膜层16背离N型单晶硅片基底18的一侧形成第一透明导电氧化物膜层15。
可选的，所述第一透明导电氧化物膜层15的材料为ITO、FTO中的一种材料。
可选的，所述第一透明导电氧化物膜层15的厚度为30nm-150nm，例如第一透明导电氧化物膜层15的厚度为48nm或88nm或120nm或134nm等。
进一步的，采用丝网印刷的加工方式在第二透明导电氧化物膜层21背离N型单晶硅片基底18的一侧制备背电极膜层22。
可选的，所述背电极膜层22的材料为银等金属材料。
可选的，所述背电极膜层22的厚度为0.5um-4um，例如背电极膜层22的厚度为0.8um或1.2um或3.4um等。
进一步的，包括但不限定于采用溶液旋涂法、溶液喷涂法、刮刀涂布法、磁控溅射法中的一种加工方式在第一透明导电氧化物膜层15背离N型单晶硅片基底18的一侧制备电子传输膜层14。
可选的，所述电子传输膜层14的材料为TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5、Cr2O3、WO3中的一种材料。
可选的，所述电子传输膜层14的厚度为30nm-90nm，例如所述电子传输膜层14的厚度为32nm或43nm或51nm或76nm等。
可选的，所述电子传输膜层14制备过程中热退火处理温度为150℃-300℃。
进一步的，若需要设置介孔支架膜层13时，包括但不限定于采用溶液旋涂法、溶液喷涂法、刮刀涂布法中的一种加工方式在电子传输膜层14背离N型单晶硅片基底18的一侧制备介孔支架膜层13。
可选的，所述介孔支架膜层13的材料为TiO2、Al2O3、ZrO2中的一种材料。
可选的，所述介孔支架膜层13的厚度为200nm-400nm，例如所述介孔支架膜层13的厚度为213nm或346nm或378nm等。
可选的，所述介孔支架膜层13的制备过程中热烧结处理温度为150℃-550℃。
进一步的，包括但不限于采用一步法、二步法、双源气相共蒸法、磁控溅射镀膜法中的一种加工方式在介孔支架膜层13背离N型单晶硅片基底18的一侧制备钙钛矿光敏活性膜层12。
需要说明的是，若不需要设置介孔支架膜层13时，则包括但不限于采用一步法、二步法、双源气相共蒸法、磁控溅射镀膜法中的一种加工方式在电子传输膜层14背离N型单晶硅片基底18的一侧制备钙钛矿光敏活性膜层12。
可选的，所述钙钛矿光敏活性膜层12的材料为CsPbIxBr3-x、CsSnIxBr3-x、CsPbIxCl3-x、CsSnIxCl3-x中的一种材料。
可选的，所述钙钛矿光敏活性膜层12的厚度为300nm-500nm，例如所述钙钛矿光敏活性膜层12的厚度为356nm或415nm或478nm等。
可选的，所述钙钛矿光敏活性膜层12制备过程中热退火处理温度为80℃-150℃。
进一步的，采用丝网印刷的方式在钙钛矿光敏活性膜层12背离N型单晶硅片基底18的一侧制备碳对电极膜层11。
可选的，所述碳对电极膜层11的材料为导电炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维中的一种或多种混合组成的导电碳浆料。
可选的，所述碳对电极膜层11的厚度为15um-40um，例如所述碳对电极膜层11的厚度为16um或23um或36um等。
可选的，所述碳对电极膜层11制备过程中热烘烤处理温度为80℃-150℃。
基于此完成PSC和HIT的叠层太阳能电池的制备。
需要说明的是，在制作电子传输层14时，在本发明的一个具体实施例中该电子传输层14的材料为SnO2，所采用的加工方式为磁控溅射镀膜工艺，靶材料为锡靶，工作气体为氩气、氧气，制备完成后电子传输层14的厚度为50nm。
在制作钙钛矿光敏活性膜层12时，在本发明的一个具体实施例中该钙钛矿光敏活性膜层12的材料为CsSnI3，所采用的加工方式为磁控溅射镀膜工艺，靶材料为铯锡合金靶，工作气体为氩气、碘蒸气，制备完成后钙钛矿光敏活性膜层12的厚度为400nm。
在制作碳对电极膜层11时，在本发明的一个具体实施例中该碳对电极膜层11的原材料为碳浆料，所采用的的加工方式为丝网印刷工艺，热烘烤处理温度为100℃，持续烧结30min，制备完成后碳对电极膜层11的厚度为20um。
本发明提供了一种新型的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其制作过程可以直接在空气环境(RH大概在30％-60％)下完成，不必在惰性气氛的保护下进行，通过各个功能膜层材料的选择满足能级的匹配保证太阳能电池可以正常工作，并且直接在钙钛矿光敏活性层上制作碳对电极，即在本申请中采用C作为背电极，其功函数约为5.0eV与Au的功函数(约5.1eV)十分接近，并没有使用昂贵的有机空穴材料，如Spiro-OMeTAD材料、PTAA材料等，并且PSC太阳能电池和HIT太阳能电池的叠加可以部分共用透明导电氧化物膜层，以大幅度降低PSC和HIT的叠层太阳能电池的制作成本，并且采用二端串联的方式可以充分利用太阳辐射光照能量，使太阳能电池有望突破单节太阳能电池的理论极限效率。
以上对本发明所提供的一种PSC和HIT的叠层太阳能电池进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述PSC和HIT的叠层太阳能电池包括：
在第一方向上依次层叠设置的碳对电极膜层、钙钛矿光敏活性膜层、电子传输膜层、第一透明导电氧化物膜层、N型非晶硅膜层、第一i型本征富氢非晶硅膜层、N型单晶硅片基底、第二i型本征富氢非晶硅膜层、P型非晶硅膜层、第二透明导电氧化物膜层以及背电极膜层；
其中，所述第一方向垂直于所述碳对电极膜层，且由所述碳对电极膜层指向所述钙钛矿光敏活性膜层。
2.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第一透明导电氧化物膜层的材料为ITO、FTO中的一种材料。
3.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第一透明导电氧化物膜层的厚度为30nm-150nm。
4.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述电子传输膜层的材料为TiO2、SnO2、ZnO、Nb2O5、Cr2O3、WO3中的一种材料。
5.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述电子传输膜层的厚度为30nm-90nm。
6.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述介孔支架膜层的材料为TiO2、Al2O3、ZrO2中的一种材料。
7.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述介孔支架膜层的厚度为200nm-400nm。
8.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿光敏活性膜层的材料为CsPbIxBr3-x、CsSnIxBr3-x、CsPbIxCl3-x、CsSnIxCl3-x中的一种材料。
9.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿光敏活性膜层的厚度为300nm-500nm。
10.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述碳对电极膜层的材料为导电炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维中的一种或多种混合组成的导电碳浆料。
11.根据权利要求1所述的PSC和HIT的叠层太阳能电池，其特征在于，所述PSC和HIT的叠层太阳能电池还包括：
位于所述钙钛矿光敏活性膜层和所述电子传输层之间的介孔支架膜层。
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