CN115274767A - 叠层太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叠层太阳能电池，包括第一电极层、第二电极层和透明电池，所述第一电极层和所述第二电极层为可透光材质，所述第一电极层和所述第二电极层平行间隔布置；所述透明电池连接在所述第一电极层和所述第二电极层之间且可透光，所述透明电池包括多个子电池和至少一个隧穿层，多个所述子电池和至少一个隧穿层一一交替布置，相邻两个所述子电池之间通过对应的所述隧穿层相连，所述子电池适于吸收阳光并将阳光中的部分太阳能转化为电能，多个所述子电池的带隙不同以适于吸收不同波长的阳光。本发明实施例的叠层太阳能电池具有透光性好、发电效率高的优点。

Description

叠层太阳能电池
技术领域
本发明涉及叠层太阳能电池技术领域，具体地，涉及一种叠层太阳能电池。
背景技术
太阳能电池将部分阳光转化为电能，半透明太阳能电池在光电能转换的同时允许部分阳光通过，具有一定的透光率，可用作光伏一体化建筑的窗户，相关技术中的半透明太阳能电池的透光率低、光电能转换效率低。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
相关技术中的半透明太阳能电池多采用单节薄膜太阳能电池，常用的太阳能电池主要有铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)，其中铜铟镓硒电池效率虽高但是成本较高，碲化镉电池成本较低但是发电效率偏低。其中部分采用激光打孔技术以具有透光率，但是激光打孔形成的透光结构对透光性的提升有限且会进一步降低发电效率。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种叠层太阳能电池，该叠层太阳能电池具有透光性好、发电效率高、生产成本较低的优点。
本发明实施例的叠层太阳能电池包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层为可透光材质，所述第一电极层和所述第二电极层平行间隔布置；透明电池，所述透明电池连接在所述第一电极层和所述第二电极层之间且可透光，所述透明电池包括多个子电池和至少一个隧穿层，多个所述子电池和至少一个隧穿层一一交替布置，相邻两个所述子电池之间通过对应的所述隧穿层相连，所述子电池适于吸收阳光并将阳光中的部分太阳能转化为电能，多个所述子电池的带隙不同以适于吸收不同波长的阳光。
本发明实施例的叠层太阳能电池具有透光性好、发电效率高、生产成本较低的优点。
在一些实施例中，所述子电池有两个，所述子电池包括第一子电池和第二子电池，所述第一子电池包括吸光层和电子传输层，所述吸光层为钙钛矿MAPbI3材质，所述电子传输层的材质为富勒烯、PCBM、BCP和PEIE中的一种或多种。
在一些实施例中，所述第二子电池包括N型层和P型层，所述N型层和所述P型层的材料不同以适于形成半导体异质结。
在一些实施例中，所述P型层为氧化亚铜材质，所述N型层为氧化锌和/或氧化锆材质。
在一些实施例中，所述N型层位于所述P型层的一侧适于电子从N型层移动至P型层中，所述电子传输层位于所述吸光层在电子移动方向的上游。
在一些实施例中，所述第一子电池包括空穴传输层，所述空穴传输层为HTM材质，所述空穴传输层位于所述吸光层在电子移动方向的下游。
在一些实施例中，所述吸光层中添加有P型添加剂以适于增加所述吸光层的空穴浓度，所述添加剂为F4TCNQ、碘化亚铜和BDPSO中的至少一种。
在一些实施例中，所述第二电极层为TCO材质，所述第一电极层为银或金材质。
在一些实施例中，所述叠层太阳能电池包括基底，所述基底为透明材质，所述基底位于所述第二电极层背离所述透明电池的一侧，且所述基底与所述第二电极层相连。
在一些实施例中，所述第二电极层的宽度尺寸大于所述透明电池的宽度尺寸，所述第一电极层的宽度尺寸与所述透明电池的宽度尺寸相同。
附图说明
图1是本发明实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。
图2是本发明另一实施例的叠层太阳能电池的结构示意图。
附图标记：
第一电极层1；
第二电极层2；
透明电池3；第一子电池31；吸光层311；电子传输层312；空穴传输层313；第二子电池32；N型层321；P型层322；隧穿层33；
基底4。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的叠层太阳能电池。
如图1和图2所示，本发明实施例的叠层太阳能电池包括第一电极层1、第二电极层2和透明电池3。
第一电极层1和第二电极层2为可透光材质，第一电极层1和第二电极层2平行间隔布置。具体地，第一电极层1和第二电极层2平行间隔布置，第一电极层1和第二电极层2之间具有设定间隔，第一电极层1和第二电极层2是透明的导电材料，第一电极层1和第二电极层2的厚度小于10纳米以提高第一电极层1和第二电极层2的透光率。
透明电池3，透明电池3连接在第一电极层1和第二电极层2之间且可透光，透明电池3包括多个子电池和至少一个隧穿层33，多个子电池和至少一个隧穿层33一一交替布置，相邻两个子电池之间通过对应的隧穿层33相连，子电池适于吸收阳光并将阳光中的部分太阳能转化为电能，多个子电池的带隙不同以适于吸收不同波长的阳光。
具体地，透明电池3位于第一电极层1和第二电极层2之间的设定间隔内，透明电池3的一端与第一电极层1相连，透明电池3的另一端与第二电极层2相连，子电池和隧穿层33都是透光结构，阳光穿过子电池时，阳光中的部分太阳能被子电池吸收并转化为定向移动的电子，设于多个子电池之间的隧穿层33供电子沿着叠层太阳能电池的厚度方向移动，且隧穿层33将多个子电池串联，供电子沿着设定方向移动形成电流并具有开路电压。
多个子电池具有宽度不同的带隙，从而不同波长的阳光能够被多个子电池分别吸收，且多个子电池串联提高了本发明实施例的叠层太阳能电池在工作时第一电极层1和第二电极层2之间的开路电压，从而提高了本发明实施例的叠层太阳能电池的发电效率。
本发明实施例的叠层太阳能通过设置透明的子电池具有较好的透光性，便于光线透过太阳能电池从而使本发明实施例的叠层太阳能电池可应用于光伏一体化建筑中，通过连接在多个子电池中的隧穿层33将多个子电池串联，从而提高了本发明实施例的叠层太阳能电池的发电效率，从而本发明实施例的叠层太阳能电池具有透光性好、发电效率高的优点。
在一些实施例中，子电池有两个，子电池包括第一子电池31和第二子电池32，第一子电池31包括吸光层311和电子传输层312，吸光层311为MAPbI3(钙钛矿，CH3NH3PbI3)材质，电子传输层312的材质为富勒烯、PCBM(富勒烯衍生物，[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯)、BCP(空穴阻挡材料，2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉)和PEIE(聚乙氧基乙烯亚胺)中的一种或多种。
具体地，子电池有两个，包括并行间隔布置的第一子电池31和第二子电池32，隧穿层33有一个，隧穿层33位于第一子电池31和第二子电池32之间，一方面降低了本发明实施例的叠层太阳能电池的厚度，另一方面提高了本发明实施例的叠层太阳能电池透光率。
第一子电池31包括含有MAPbI3的吸光层311和电子传输层312，电子传输层312为导电材料且电子传输层312中具有大量的自由电子，吸光层311在阳光照射下能够将部分太阳能转化为电能供电子传输层312中的电子产生定向移动并穿过吸光层311。
由此，一方面透明电池3由两个子电池串联组成，提高了透明电池3两端的开路电压，提高了单位辐射面积的发电效率，从而提高了本发明实施例的叠层太阳能电池的发电效率，另一方面第一子电池31中的吸光层311为钙钛矿材质，钙钛矿是直接带隙材料，吸光层311对全光谱的太阳光的吸收效果都较好，从而提高了第一子电池在清晨、傍晚等弱光条件下的发电效果。
在一些实施例中，电子传输层312的材质为有机化合物，具体地，电子传输层312为富勒烯、PCBM、BCP和PEIE中的一种或多种的组合，电子传输层312的厚度为10nm-20nm。
在一些实施例中，第二子电池32包括N型层321和P型层322，N型层321和P型层322的材料不同以适于形成半导体异质结。具体地，第二子电池32为半导体PN结结构，在光照条件下，N型层321中产生自由电子，P型层322中产生空穴，从而在P型层322和N型层321的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。
由此，由于P型层322和N型层321的交界处具有自由电子和空穴浓度差，有一些电子从N型层321向P型层322扩散，电子扩散的结果就使N型层321和P型层322中产生电子的定向移动，从而将部分阳光中的太阳能转化为电能。
在一些实施例中，P型层322为氧化亚铜材质，N型层321为氧化锌和/或氧化锆材质。具体地，P型层322为氧化亚铜(Cu2O)材质，氧化亚铜是直接禁带半导体，其禁带宽度为2.1eV，因此在可见光区域有较高的吸收系数和光电转换效率，采用本征N型的氧化锌和/或氧化锆材质的N型层321与氧化亚铜材质的P型层322组成异质结，形成TypeⅡ型能带结构，可实现光生载流子的产生和分离。
第二子电池32的带隙为2.1eV，第一子电池31的带隙为1.51eV，从而第一子电池31和第二子电池32能够吸收不同波长的光
由此，一方面氧化锌和氧化锆更容易获得，从而降低了N型层321的制造成本，另一方面氧化亚铜材质的P型层322的透光性高，从而提高了第二子电池32的透光性。
本发明实施例的第一子电池的主要材料为钙钛矿钙钛矿MAPbI3，第二子电池的主要材料为氧化亚铜。由此，本发明实施例的叠层太阳能电池的两个子电池主要材料易获得且加工难度低，从而本发明实例的叠层太阳能电池具有生产成本较低的优点。
在一些实施例中，吸光层311的厚度尺寸小于100纳米，在该实施例中，吸光层311的厚度尺寸为90纳米，在设定辐射强度的阳光照射条件下，第一子电池31的两端产生11mA/cm2的电流，且第一子电池31的透光率为30％，该实施例中，第二子电池的N型层321选用氧化锆材质，第二子电池32产生约10mA/cm2的电流。
由此，一方面吸光层311的厚度尺寸小于100纳米，提高了吸光层311的透光率，另一方面该厚度的吸光层311产生的电流值与第二子电池32产生的电流值较为接近，从而减少了第一子电池31或第二子电池32串联时的电流损耗，提高了本发明实施例的叠层太阳能电池的发电效率。
在一些实施例中，N型层321位于P型层322的一侧适于电子从N型层321移动至P型层322中，电子传输层312位于吸光层311在电子移动方向的上游。
具体地，如图1所示，N型层321与P型层322相接，从而在光照条件下，第二子电池32中产生的定向移动的电子沿着图1中A方向移动，电子传输层312位于吸光层311在电子移动方向的上游即电子传输层312位于吸光层311在A方向的上游。
由此，第一子电池31产生的电子移动方向与第二子电池32产生的电子移动方向相同，从而第一子电池31和第二子电池32串联连接，增大了第一电极层1和第二电极层2之间的开路电压，从而提高了本发明实施例的叠层太阳能的发电效率。
在一些实施例中，第一子电池31包括空穴传输层313，空穴传输层313为HTM材质，空穴传输层313位于吸光层311在电子移动方向的下游。
具体地，如图2所示，空穴传输层313位于吸光层311在电子移动方向的下游，空穴传输层313、吸光层311和电子传输层312组成PIN结的结构，吸光层311在光照条件下能够产生大量的电子-空穴对，电子从电子传输层312移动至吸光层311中，空穴从空穴传输层313移动至吸光层311中，从而在第一子电池31中形成电流。
在一些实施例中，空穴传输层313为钙钛矿HTM(Hole Transport Materials，空穴传输材料)材质。具体地，空穴传输层313的材质为PTAA、NiOx、MoOx、PEDOT：PSS、Sprio-OMeTAD、PolyTPD、Spiro-TTB中的至少一种。
第一子电池31在光照条件下产生的电流包括漂移分量和扩散分量，漂移分量即为电子从电子传输层312移动至吸光层311中、空穴从空穴传输层313移动至吸光层311中形成的电流，扩散分量即为即为电子从吸光层311移动至电子传输层312中、空穴从吸光层311移动至空穴传输层313中形成的电流，由于空穴传输层313和电子传输层312吸收入射光的比例很小，因而光产生电流中漂移分量占了主导地位。
由此，空穴传输层313、吸光层311和电子传输层312组成PIN结的结构，加快了第一子电池31的响应速度，且提高了第一子电池31的发电效率。
在一些实施例中，吸光层311中添加有P型添加剂以适于增加吸光层311的空穴浓度，添加剂为F4TCNQ(2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌)、碘化亚铜和BDPSO(苯并二吡咯磺酸二钠)中的至少一种。
具体地，如图1所示，吸光层311中具有钙钛矿作为本征半导体，当吸光层311在光照条件下产生大量的电子-空穴对，向吸光层311中加入F4TCNQ、碘化亚铜和BDPSO中的至少一种作为P型添加剂，在无光照情况下使吸光层311中的空穴数量增加，与电子传输层312形成类似于PN结的结构。
由此，向吸光层311中添加添加剂，一方面吸光层311与电子传输层312形成类似PN结的结构，另一方面降低了钙钛矿晶界势垒，减小钙钛矿晶体，从而吸光层311具有较小的厚度尺寸，进一步地增加了第一子电池31的透光性，从而提高了本发明实施例的叠层太阳能电池的透光性。
在一些实施例中，第二电极层2为TCO(Transparent Conductive Oxide，透明导电氧化物)材质，第一电极层1为银或金材质。具体地，第二电极层2为透明导电的TCO材质，采用磁控溅射方式加工在基底4上，便于第二电极层2附着在基底4上、且加工成本较低。
第一电极层1采用热蒸发方式加工在透明电池3背离第二电极层2的一侧，从而减少第一电极层1加工过程对透明电池3的影响，第一电极层1的厚度尺寸小于10nm，从而一方面第一电极层1具有较高的透光性，另一方面第一电极层1具有较好的导电性能。
在一些实施例中，第一电极层1为TCO材质，在该实施例中，第一电极层1采用快速等离子沉积方式加工在透明电池3背离第二电极层2的一侧，一方面减少第一电极层1加工过程对透明电池3的影响，另一方面该实施例中的第一电极层1具有较高的透光性，从而提高了叠层太阳能电池的透光性。
在一些实施例中，叠层太阳能电池包括基底4，基底4为透明材质，基底4位于第二电极层2背离透明电池3的一侧，且基底4与第二电极层2相连。具体地，基底4为透明玻璃，第一电极层1、透明电池3和第二电极层2位于基底4的同侧。
由此，一方面便于采用层叠法加工工艺将第一电极层1、透明电池3和第二电极层2加工在基底4的端面，另一方面在本发明实施例的叠层太阳能电池在工作时，基底4位于第一电极层1、透明电池3和第二电极层2的外侧，从而便于基底4保护第一电极层1、透明电池3和第二电极层2。
在一些实施例中，基底4为PET或PEN等透明的柔性材料，由此，该实施例中的叠层太阳能电池为具有柔性的薄膜太阳能电池，提高了叠层太阳能电池的外形适应性。
在一些实施例中，第二电极层2的宽度尺寸大于透明电池3的宽度尺寸，第一电极层1的宽度尺寸与透明电池3的宽度尺寸相同。
具体地，如图1所示，第二电极层2的宽度尺寸与基底4的宽度尺寸相同，第一电极层1的宽度尺寸小于第二电极层2的宽度尺寸。由此，便于本发明实施例的叠层太阳能电池的正极接线与第二电极层2相连，从而便于本发明实施例的叠层太阳能电池接线。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种叠层太阳能电池，其特征在于，包括：
第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层为可透光材质，所述第一电极层和所述第二电极层平行间隔布置；
透明电池，所述透明电池连接在所述第一电极层和所述第二电极层之间且可透光，所述透明电池包括多个子电池和至少一个隧穿层，多个所述子电池和至少一个隧穿层一一交替布置，相邻两个所述子电池之间通过对应的所述隧穿层相连，所述子电池适于吸收阳光并将阳光中的部分太阳能转化为电能，多个所述子电池的带隙不同以适于吸收不同波长的阳光。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述子电池有两个，所述子电池包括第一子电池和第二子电池，所述第一子电池包括吸光层和电子传输层，所述吸光层为钙钛矿MAPbI3材质，所述电子传输层的材质为富勒烯、PCBM、BCP和PEIE中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第二子电池包括N型层和P型层，所述N型层和所述P型层的材料不同以适于形成半导体异质结。
4.根据权利要求3所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述P型层为氧化亚铜材质，所述N型层为氧化锌和/或氧化锆材质。
5.根据权利要求4所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述N型层位于所述P型层的一侧适于电子从N型层移动至P型层中，所述电子传输层位于所述吸光层在电子移动方向的上游。
6.根据权利要求5所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第一子电池包括空穴传输层，所述空穴传输层为HTM材质，所述空穴传输层位于所述吸光层在电子移动方向的下游。
7.根据权利要求2所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述吸光层中添加有P型添加剂以适于增加所述吸光层的空穴浓度，所述添加剂为F4TCNQ、碘化亚铜和BDPSO中的至少一种。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第二电极层为TCO材质，所述第一电极层为银或金材质。
9.根据权利要求8所述的叠层太阳能电池，其特征在于，包括基底，所述基底为透明材质，所述基底位于所述第二电极层背离所述透明电池的一侧，且所述基底与所述第二电极层相连。
10.根据权利要求9所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述第二电极层的宽度尺寸大于所述透明电池的宽度尺寸，所述第一电极层的宽度尺寸与所述透明电池的宽度尺寸相同。
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