CN116096113A - 一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，包括叠层电池本体，叠层电池本体包括依次设置的CIGS电池、复合连接层和钙钛矿电池；CIGS电池包括依次设置的基底层、背电极层、光电转换层和缓冲层，钙钛矿电池包括依次设置的空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和透明导电层，电子传输层与透明导电层之间还设置有保护层；透明导电层两端的边缘设置有金属电极；叠层电池本体中设置有多组刻槽结构，刻槽结构将叠层电池本体分割为多个子电池并通过透明导电层串联连接。本发明在电子传输层和透明导电层设置PL保护层，阻挡离子扩散；在透明导电层两端的边缘设置金属电极，汇流条焊接在金属电极上，减少界面热损失，提高电池效率。

Description

一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是一种清洁、可持续能源。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池以及塑料太阳能电池。
由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种材料都只能吸收其中能量比其能隙值高的光子。而且单节太阳能电池都无法突破肖克利-奎以瑟(Shockley-Queisser)极限效率29.4％。为了突破这个极限效率，叠层太阳能电池结构被提出，叠层太阳能电池能够突破SQ极限，得到更高的效率。
钙钛矿铜铟镓硒叠层电池包括铜铟镓硒底电池和钙钛矿顶电池，顶电池和底电池通过连接层连接；现有的钙钛矿顶电池通常包括空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和透明导电层；现有的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池存在以下问题：1、电子传输层和透明导电层之间直接接触，会出现离子扩散，导致电池性能下降；2、在透明导电层焊接汇流条实现电池之间的连接，焊接界面处较大的肖特基势垒导致较大的热损失，影响电池效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池及其制备方法，解决现有的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池存在离子扩散，导致电池性能下降的问题。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，包括叠层电池本体，所述叠层电池本体包括依次设置的CIGS电池、复合连接层和钙钛矿电池；所述CIGS电池包括依次设置的基底层、背电极层、光电转换层和缓冲层，所述钙钛矿电池包括依次设置的空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和透明导电层，所述电子传输层与透明导电层之间还设置有保护层；所述透明导电层两端的边缘设置有金属电极；所述叠层电池本体中设置有多组刻槽结构，所述刻槽结构将叠层电池本体分割为多个子电池并通过透明导电层串联连接。
进一步地，所述基底层为玻璃基板，所述背电极层为Mo层；所述光电转换层为CIGS膜层；所述缓冲层为CdS膜层；所述空穴传输层为氧化镍层；所述电子传输层为C60-SnO2复合层；所述保护层为PL膜层；所述透明导电层为TCO膜层。
进一步地，所述刻槽结构包括依次设置的第一刻槽、第二刻槽和第三刻槽；所述第一刻槽分割所述背电极层，所述第一刻槽中填充所述光电转换层；所述第二刻槽分割所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层和所述电子传输层，所述保护层和所述透明导电层延伸铺设到所述第二刻槽的槽壁和槽底，使得所述透明导电层与所述背电极层连通；所述第三刻槽分割所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层；所述透明导电层将所述第一刻槽和所述第三刻槽分割形成的多个子电池串联连接。
进一步地，所述第二刻槽同时分割所述背电极层，使得所述第二刻槽所在区域形成透光区域。
进一步地，多组所述刻槽结构平行且间隔设置；所述第一刻槽、所述第二刻槽和所述第三刻槽平行且间隔设置。
进一步地，所述叠层电池本体四周边缘设置有第四刻槽，所述第四刻槽通过去除所述背电极层、所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层得到。
本发明为解决上述技术问题而采用的另一技术方案是提供一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法，包括如下步骤：S1：采用玻璃基板作为基底层，在所述基底层上镀Mo层作为背电极层；S2：对所述背电极层进行刻划形成第一刻槽，所述第一刻槽实现背电极层各分割区域之间的绝缘；S3：在所述背电极层上沉积形成CIGS膜层作为光电转换层，同时，在所述第一刻槽中沉积填充所述CIGS膜层；S4：在所述光电转换层上依次沉积形成缓冲层、复合连接层、空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层；所述缓冲层为CdS层，所述空穴传输层为氧化镍层，所述电子传输层为C60-SnO2复合层；S5：在平行于所述第一刻槽的方向对所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层和所述电子传输层进行刻划形成第二刻槽；S6：在所述电子传输层上依次沉积PL膜层作为保护层和TCO膜层作为透明导电层，在所述第二刻槽的槽壁和槽底沉积所述PL膜层和所述TCO膜层，使得所述透明导电层与所述背电极层连通；S7：对所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层进行刻划形成第三刻槽；S8：对所述叠层电池本体四周边缘的所述背电极层、所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和透明导电层进行刻划形成绝缘的第四刻槽。
进一步地，所述步骤S8之后还包括在所述透明导电层两端的边缘镀一层金属电极。
进一步地，所述步骤S5中对所述背电极层、所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层和所述电子传输层进行刻划形成所述第二刻槽，使得所述第二刻槽所在区域形成透光区域。
进一步地，所述步骤S2中采用绿光纳秒或绿光皮秒激光器刻划形成所述第一刻槽；所述步骤S5中采用划刻设备或红外纳秒激光器刻划形成所述第二刻槽；所述步骤S7中采用采用划刻设备或红外纳秒激光器刻划形成所述第三刻槽；所述步骤S8中采用激光器刻划形成所述第四刻槽。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池及其制备方法，在电子传输层和透明导电层设置PL保护层，阻挡离子扩散；在透明导电层两端的边缘设置金属电极，汇流条焊接在金属电极上，减少界面热损失，提高电池效率；通过第一刻槽和第三刻槽将叠层电池本体分割为多个子电池，通过第二刻槽以及延伸到第二刻槽壁的透明导电层连通背电极层将各个子电池串联连接，无需设置电极进行子电池的串联；第二刻槽可设置为分割基底层以上的所有膜层，使得第二刻槽呈现透明的可透光状态，可应用于需要透光的场合；透光区域不占用发电区域，保证透光性及输出电性能。
附图说明
图1为本发明实施例中的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池结构示意图；
图2为本发明实施例中的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法流程图。
图中：
1、基底层；2、背电极层；3、光电转换层；4、缓冲层；5、复合连接层；6、空穴传输层；7、钙钛矿层；8、电子传输层；9、保护层；10、透明导电层；11、金属电极；12、第一刻槽；13、第二刻槽；14、第三刻槽；15、第四刻槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明实施例中的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池结构示意图。
请参见图1，本发明实施例的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，包括叠层电池本体，叠层电池本体包括依次设置的CIGS电池、复合连接层5和钙钛矿电池；CIGS电池包括依次设置的基底层1、背电极层2、光电转换层3和缓冲层4，钙钛矿电池包括依次设置的空穴传输层6、钙钛矿层7、电子传输层8和透明导电层10，电子传输层8与透明导电层10之间还设置有保护层9；透明导电层10两端的边缘设置有金属电极11；叠层电池本体中设置有多组刻槽结构，刻槽结构将叠层电池本体分割为多个子电池并通过透明导电层10串联连接。
具体地，基底层1为玻璃基板，背电极层2为Mo(钼)层；光电转换层3为CIGS(铜铟镓硒)膜层；缓冲层4为CdS(硫化镉)膜层；空穴传输层6为氧化镍(NiOx)层；电子传输层8为C60-SnO2复合层；保护层9为PL(高阻金属氧化物)膜层；透明导电层10为TCO(透明导电氧化物)膜层。
具体地，刻槽结构包括依次设置的第一刻槽12、第二刻槽13和第三刻槽14；第一刻槽12分割背电极层2，第一刻槽12中填充光电转换层3；第二刻槽13分割光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7和电子传输层8，保护层9和透明导电层10延伸铺设到第二刻槽13的槽壁和槽底，使得透明导电层10与背电极层2连通，由于保护层9为PL高阻金属氧化物材质，其厚度在20nm以下，通过隧穿导电连通透明导电层10与背电极层2；第三刻槽14分割光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7、电子传输层8、保护层9和透明导电层10；透明导电层10将第一刻槽12和第三刻槽14分割形成的多个子电池串联连接。
优选地，第二刻槽13同时分割背电极层2，使得第二刻槽13呈现透明的可透光状态，第二刻槽13所在区域形成透光区域。使得叠层电池本体可应用于需要透光的场合，如阳光房等。
具体地，多组刻槽结构平行且间隔设置；第一刻槽12、第二刻槽13和第三刻槽14平行且间隔设置。
具体地，叠层电池本体四周边缘设置有第四刻槽15，第四刻槽15通过去除背电极层2、光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7、电子传输层8、保护层9和透明导电层10得到。第四刻槽15实现叠层电池本体四周的绝缘。
请参见图2，本发明实施例的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法，包括如下步骤：
S1：采用玻璃基板作为基底层1，在基底层1上镀Mo层作为背电极层2；
S2：采用绿光纳秒或绿光皮秒激光器对背电极层2进行刻划形成第一刻槽12，第一刻槽12实现背电极层2各分割区域之间的绝缘；
S3：在背电极层2上沉积形成CIGS膜层作为光电转换层3，同时，在第一刻槽12中沉积填充CIGS膜层；
S4：在光电转换层3上依次沉积形成缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7和电子传输层8；缓冲层4为CdS层，空穴传输层6为氧化镍层，电子传输层8为C60-SnO2复合层；
S5：在平行于第一刻槽12的方向采用划刻设备或红外纳秒激光器对光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7和电子传输层8进行刻划形成第二刻槽13；
S6：在电子传输层8上依次沉积PL膜层作为保护层9和TCO膜层作为透明导电层10，在第二刻槽13的槽壁和槽底沉积PL膜层和TCO膜层，使得透明导电层10与背电极层2连通；
S7：采用划刻设备或红外纳秒激光器对光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7、电子传输层8、保护层9和透明导电层10进行刻划形成第三刻槽14；
S8：采用激光器对叠层电池本体四周边缘的背电极层2、光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7、电子传输层8、保护层9和透明导电层10进行刻划形成绝缘的第四刻槽15。
具体地，还包括在透明导电层10两端的边缘镀一层金属电极11。金属电极11的材质通常为铜。
优选地，步骤S5中对背电极层2、光电转换层3、缓冲层4、复合连接层5、空穴传输层6、钙钛矿层7和电子传输层8进行刻划形成第二刻槽13，使得第二刻槽13所在区域形成透光区域。
综上所述，本发明实施例的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池及其制备方法，在电子传输层8和透明导电层10设置PL保护层9，阻挡离子扩散；在透明导电层10两端的边缘设置金属电极11，汇流条焊接在金属电极11上，减少界面热损失，提高电池效率；通过第一刻槽12和第三刻槽14将叠层电池本体分割为多个子电池，通过第二刻槽13以及延伸到第二刻槽13壁的透明导电层10连通背电极2层将各个子电池串联连接，无需设置电极进行子电池的串联；第二刻槽13可设置为分割基底层1以上的所有膜层，使得第二刻槽13呈现透明的可透光状态，可应用于需要透光的场合；透光区域不占用发电区域，保证透光性及输出电性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，其特征在于，包括叠层电池本体，所述叠层电池本体包括依次设置的CIGS电池、复合连接层和钙钛矿电池；所述CIGS电池包括依次设置的基底层、背电极层、光电转换层和缓冲层，所述钙钛矿电池包括依次设置的空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和透明导电层，所述电子传输层与透明导电层之间还设置有保护层；所述透明导电层两端的边缘设置有金属电极；所述叠层电池本体中设置有多组刻槽结构，所述刻槽结构将叠层电池本体分割为多个子电池并通过透明导电层串联连接。
2.如权利要求1所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，其特征在于，所述基底层为玻璃基板，所述背电极层为Mo层；所述光电转换层为CIGS膜层；所述缓冲层为CdS膜层；所述空穴传输层为氧化镍层；所述电子传输层为C60-SnO2复合层；所述保护层为PL膜层；所述透明导电层为TCO膜层。
3.如权利要求1所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，其特征在于，所述刻槽结构包括依次设置的第一刻槽、第二刻槽和第三刻槽；所述第一刻槽分割所述背电极层，所述第一刻槽中填充所述光电转换层；所述第二刻槽分割所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层和所述电子传输层，所述保护层和所述透明导电层延伸铺设到所述第二刻槽的槽壁和槽底，使得所述透明导电层与所述背电极层连通；所述第三刻槽分割所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层；所述透明导电层将所述第一刻槽和所述第三刻槽分割形成的多个子电池串联连接。
4.如权利要求3所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，其特征在于，所述第二刻槽同时分割所述背电极层，使得所述第二刻槽所在区域形成透光区域。
5.如权利要求3所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，其特征在于，多组所述刻槽结构平行且间隔设置；所述第一刻槽、所述第二刻槽和所述第三刻槽平行且间隔设置。
6.如权利要求1所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池，其特征在于，所述叠层电池本体四周边缘设置有第四刻槽，所述第四刻槽通过去除所述背电极层、所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层得到。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：采用玻璃基板作为基底层，在所述基底层上镀Mo层作为背电极层；
S2：对所述背电极层进行刻划形成第一刻槽，所述第一刻槽实现背电极层各分割区域之间的绝缘；
S3：在所述背电极层上沉积形成CIGS膜层作为光电转换层，同时，在所述第一刻槽中沉积填充所述CIGS膜层；
S4：在所述光电转换层上依次沉积形成缓冲层、复合连接层、空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层；所述缓冲层为CdS层，所述空穴传输层为氧化镍层，所述电子传输层为C60-SnO2复合层；
S5：在平行于所述第一刻槽的方向对所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层和所述电子传输层进行刻划形成第二刻槽；
S6：在所述电子传输层上依次沉积PL膜层作为保护层和TCO膜层作为透明导电层，在所述第二刻槽的槽壁和槽底沉积所述PL膜层和所述TCO膜层，使得所述透明导电层与所述背电极层连通；
S7：对所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层进行刻划形成第三刻槽；
S8：对所述叠层电池本体四周边缘的所述背电极层、所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层、所述电子传输层、所述保护层和所述透明导电层进行刻划形成绝缘的第四刻槽。
8.如权利要求7所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S8之后还包括在所述透明导电层两端的边缘镀一层金属电极。
9.如权利要求7所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中对所述背电极层、所述光电转换层、所述缓冲层、所述复合连接层、所述空穴传输层、所述钙钛矿层和所述电子传输层进行刻划形成所述第二刻槽，使得所述第二刻槽所在区域形成透光区域。
10.如权利要求7所述的钙钛矿铜铟镓硒叠层电池的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中采用绿光纳秒或绿光皮秒激光器刻划形成所述第一刻槽；所述步骤S5中采用划刻设备或红外纳秒激光器刻划形成所述第二刻槽；所述步骤S7中采用采用划刻设备或红外纳秒激光器刻划形成所述第三刻槽；所述步骤S8中采用激光器刻划形成所述第四刻槽。
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