CN114765200A - 一种单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种利用半导体材料的光生伏打效应，直接将光能转换为电能的光电器件，属于太阳电池新型结构设计及器件制备之技术领域。由于碲化镉太阳电池及钙钛矿太阳电池吸光体对太阳光谱的吸收范围有限，器件效率均小于26%。可通过在同一个基底的两侧分别制备钙钛矿和碲化镉电池来进一步提高器件效率。本发明全面考虑四端级联叠层太阳电池中的光电损耗，提出了单基底四端级联碲化镉‑钙钛矿叠层太阳电池的结构。本发明旨在于单个基底的两侧按照工艺温度的高低顺序分别制备完整结构的碲化镉和钙钛矿太阳电池，通过这种简便高效的方式得到具有更高光电转换效率的四端级联叠层太阳电池。

Description

一种单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池
技术领域
本发明属于一种利用半导体材料的光生伏打效应，直接将光能转换为电能的光电器件，亦即太阳电池，属于太阳电池新型结构设计及器件制备之技术领域。
背景技术
碲化镉太阳电池和有机-无机杂化钙钛矿太阳电池均取得了较大进展，实验室小面积电池的最高效率分别为22.1%及25.6%。这两种电池在各自可利用的波长范围内对光的吸收利用均已达到相当高的水平，因此在没有新的材料或者技术突破的情况下这两种电池的短路电流密度乃至光电转换效率很难有较大提升。
因此，我们设计宽带隙钙钛矿顶电池与窄带隙碲化镉底电池构成的四端级联叠层电池。在合适的基底上分别制备两种电池，从而实现器件对全波段范围太阳光的充分吸收利用，进一步提高电池的光电转换效率。
一个可行的新结构是用使用预先沉积好高质量掺氟二氧化锡或氧化铟锡透明导电氧化物的玻璃板作为基底，在基底的两面分别制备碲化镉电池和钙钛矿电池。钙钛矿的优点是：钙钛矿是具有较高吸收系数的直接能隙半导体，其能隙宽度可随构成钙钛矿材料的元素含量连续可调，薄膜和器件制备温度低，成本低，适合于多结太阳电池的制备。
传统的四端级联叠层太阳电池是分别在不同基底上制备子电池，制备完成之后用透明粘合剂对两个子电池的玻璃面进行物理粘接。本发明公布的制备方法将两个子电池分别按照工艺顺次制备在同一片基底的两侧上，两个子电池共用基底可使得穿透钙钛矿顶电池到达两个子电池界面的光线直接进入碲化镉底电池，不仅可以最大程度地减小光线在两个子电池之间的传输损失，而且可以极大降低四端级联叠层薄膜电池制备的技术难度、设备复杂程度并减小对基底的使用量，从而大幅缩减叠层太阳电池的制备成本。
本发明全面考虑了两个子电池吸光体的光吸收范围，以及制备成器件之后可能的光谱响应曲线，提出了单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池的结构。
发明内容
我们提出了一种在透明导电玻璃基片两侧分别制备碲化镉太阳电池和钙钛矿太阳电池的单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池器件结构。使用化学水浴法或真空蒸发法在涂覆有透明薄膜的一侧制备缓冲层，然后在缓冲层上依次制备硒化镉、碲化镉、掺铜碲化锌或氯化亚铜层及金属电极层从而完成完整结构碲化镉底电池的制备。然后将基底翻转，在玻璃基片的另一侧用磁控溅射法或反应等离子体沉积制备氧化铟锡或氧化铟钨、然后用溶液旋涂法或真空蒸发法分别沉积电子传输层二氧化锡或空穴传输层PTAA、PEDOT:PSS、Poly-TPD、TAPC、NiOx，钙钛矿薄膜，空穴传输层spiroOMeTAD、PTAA、Poly-TPD、TAPC、NiOx或电子传输层PCBM、BCP、C60等，最后用反应等离子体沉积制备氧化铟锡透明电极，从而完成半透明钙钛矿顶电池的制备，可以在不增加透明导电玻璃基底的前提下获得具有更宽吸光范围的单基底四端子钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池。
附图说明
图1：氧化铟锡或氧化铟钨透明导电膜/电荷传输层/钙钛矿/电荷传输层/氧化铟锡或氧化铟钨/玻璃/掺氟二氧化锡或氧化铟锡/缓冲层/碲化镉/碲化锌或氯化亚铜/金属电极结构的四端级联叠层太阳电池的器件结构及阳光入射方向示意图。
具体实施方式
结构为玻璃/掺氟二氧化锡或氧化铟锡/缓冲层/碲化镉/碲化锌或氯化亚铜/金属电极的碲化镉子电池的制备工艺流程如下：
1、使用化学水浴或磁控溅射的方法，在干净的透明导电玻璃涂覆有掺氟二氧化锡或氧化铟锡的一侧沉积缓冲层，如SnO2, ZnMgO，CdSnO4, ZnSnO4等简并半导体，其厚度为30-150纳米；
2、使用磁控溅射法或近空间升华法在缓冲层上沉积一层硒化镉层，厚度为：0.5-2微米；或者使用磁控溅射法在缓冲层上制备硫化镉/硒化镉复合层，其中硫化镉厚度为30-55纳米，硒化镉厚度为0.5-2微米；
3、使用磁控溅射法或近空间升华法在硒化镉层上沉积一层碲化镉层，厚度为1-5微米。然后在氯化镉气氛下，380℃—405℃温度下，退火30—40分钟；
4、对退火后碲化镉薄膜进行化学腐蚀后，使用真空蒸发或者溅射镀膜方式在其上制备碲化锌薄膜，其厚度为：30-150纳米；或在碲化镉薄膜上用真空蒸镀法制备氯化亚铜薄膜，其厚度为5-30纳米；然后在240℃—310℃条件下进行退火处理；
5、在碲化锌或氯化亚铜薄膜的上方，采用真空蒸发的方式，制备电阻率为1-10Ω·cm的金薄膜作为电池电极。即可获得碲化镉子电池。
结构为氧化铟锡或氧化铟钨/电荷传输层/钙钛矿/电荷传输层/氧化铟锡或氧化铟钨/玻璃/掺氟二氧化锡/缓冲层/碲化镉/碲化锌或氯化亚铜/金电极结构的四端级联叠层太阳电池的制备工艺流程如下：
1、在制备好碲化镉子电池的透明玻璃基底的玻璃侧（外侧），使用磁控溅射法或反应等离子体沉积制备氧化铟锡或氧化铟钨，厚度为120-300纳米；
2、使用旋涂法在制备好的氧化铟锡或氧化铟钨上沉积二氧化锡电子传输层并在120-180摄氏度条件下进行退火处理，其厚度为10-150纳米；或者使用旋涂法或真空蒸发法在制备好的氧化铟锡或氧化铟钨上沉积PTAA或PEDOT:PSS或Poly-TPD或TAPC或NiOx等空穴传输层，其厚度为5-40纳米；
3、使用旋涂法在如2所述的电荷传输层上制备钙钛矿层Cs0.15FA0.85Pb(BrxI1-x)3并在110-180摄氏度条件下退火，调控其卤族元素含量x为0.7-0.9、对应光学禁带宽度为1.9-2.3 电子伏特，其厚度为350-500纳米；
4、使用溶液旋涂法在充分冷却的钙钛矿表面沉积PTAA、Poly-TPD、TAPC、NiOx等空穴传输层，厚度为10-200纳米；或者使用溶液法或真空蒸发法在充分冷却的钙钛矿表面沉积厚度为5-40纳米的电子传输层PCBM、C60、BCP等；
5、使用反应等离子体沉积法在如4所述的电荷传输层上制备氧化铟锡或氧化铟钨薄膜，其厚度为200-300纳米。即可获得单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池。

Claims (10)

1.一种单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池，其特征是在一片可以自支撑的、沉积有透明导电薄膜的透明玻璃基底透明导电膜一侧（基底内侧）先分别沉积缓冲层、硒化镉过渡层、碲化镉吸光层、复合背电极层，再在透明基底的另一侧顺次沉积透明导电氧化物膜、电荷传输层、钙钛矿吸光层、电荷传输层、透明背电极等薄膜，透明基底两侧的多层膜各自构成完整太阳电池结构。
2.根据权利要求1所述的单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池，其特征是使用透明导电玻璃作为基底，上述特征中的玻璃的厚度为0.7-3.2毫米，已沉积的透明导电氧化物为掺氟氧化锡或掺铟氧化锡（FTO或ITO），厚度为300-400纳米或者120-180纳米，电阻率为7-15 欧姆/方块。
3.根据权利要求1所述的单基底四端级联叠层太阳电池，其特征是先在透明基底内侧的FTO上顺次沉积缓冲层、硫化镉、硒化镉、碲化镉、碲化锌、金以形成窄带隙碲化镉异质结子电池。
4.根据权利要求1所述的单基底四端级联钙钛矿-碲化镉叠层太阳电池，其特征是在透明导电玻璃的玻璃一侧（基底外侧）顺次沉积透明导电氧化物、电子传输层或空穴传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层或电子传输层、透明背电极，形成平面钙钛矿异质结太阳电池。
5.根据权利要求3所述的异质结碲化镉子电池，其特征是沉积在透明导电氧化物膜上的硫化镉厚度为30-55纳米。
6.根据权利要求3所述的异质结碲化镉子电池，其特征是在透明导电氧化物膜上，可在沉积半导体层硫化镉之前先沉积一层缓冲层（BL），缓冲层可以是SnO2, ZnMgO，CdSnO4,ZnSnO4等简并半导体，其厚度为30-150纳米。
7.根据权利要求3所述的异质结碲化镉子电池，其特征是沉积在硫化镉上的硒化镉和碲化镉厚度分别为0.5-2微米及1-5微米。
8.根据权利要求3所述的异质结碲化镉子电池，其特征是在基底内侧的碲化镉薄膜上沉积碲化锌薄膜、其厚度为：30-150纳米，上述特征中的碲化锌薄膜可用氯化亚铜代替、其厚度为5-30纳米。
9.根据权利要求3所述的异质结碲化镉子电池，其特征是在碲化锌或氯化亚铜上沉积金薄膜，其厚度为80-150纳米，上述特征中的金薄膜可用镍薄膜代替，其厚度为200-250纳米。
10.根据权利要求4所述的钙钛矿太阳电池，其特征是在透明基底的玻璃侧先后沉积氧化铟锡（ITO）透明底电极、厚度200-300纳米，厚度为10-50纳米的电子传输层二氧化锡或厚度为5-40纳米的空穴传输层PTAA、PEDOT:PSS、Poly-TPD、TAPC、NiOx等，有机-无机杂化钙钛矿Cs0.15FA0.85Pb(BrxI1-x)3(x介于0.7-0.9之间)、厚度350-650纳米、光学禁带宽度1.9-2.3电子伏特，厚度为10-200纳米的空穴传输层PTAA、Poly-TPD、TAPC、NiOx等或厚度为5-40纳米的电子传输层PCBM、C60、BCP等，氧化铟锡透明顶电极、厚度200-300纳米，上述特征中最靠近玻璃基底的氧化铟锡透明底电极可被氧化铟钨（IWO）代替，最远离玻璃基底的透明顶电极可被氧化铟钨（IWO）代替。
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