CN116600583A - 太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池技术领域，可以至少部分地解决现有技术中太阳能电池组件中离子迁移导致的金属电极界面电阻变大的问题，有利于改善电池效率退化的问题。本申请提供的太阳能电池，包括：吸光层和用于将吸光层的光生电流导出的金属电极，在金属电极与吸光层之间还设置有：用于阻隔金属电极中的金属与太阳能电池的其他膜层中逃逸离子反应的导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜至少分布在与金属电极相对应的区域。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种太阳能电池及其制备方法。
背景技术
有机-无机杂化钙钛矿具有吸收系数大、激子结合能小、载流子扩散长度长、载流子迁移率高等优异特性，其作为理想的光伏吸收材料受到了人们的广泛关注。自2009年钙钛矿太阳能电池第一次被报道至今，钙钛矿太阳能电池功率转换效率从最初的3.8%飞速提升到25.7%，与商业化的单晶硅太阳能电池相当。
目前，现有技术中普遍采用银浆印刷的方式为钙钛矿电池制备电极，但是钙钛矿薄膜中的离子（尤其是卤素离子）会迁移至金属电极处，并和电极发生反应，形成例如碘化银的界面层，这种界面层相对绝缘，会大幅提升界面电阻，并降低器件的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能电池及其制备方法，可以至少部分地解决现有技术中太阳能电池组件中离子迁移的问题，有利于改善电池效率退化的问题。
本发明的实施例采用如下技术方案：
一种太阳能电池，包括：吸光层，和，用于将吸光层的光生电流导出的金属电极；在金属电极与吸光层之间还设置有：用于阻隔金属电极中的金属与太阳能电池吸光层中逃逸离子反应的导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜至少分布在与金属电极相对应的区域。
可选地，导电陶瓷薄膜分布在金属电极的靠近吸光层的表面。
可选地，导电陶瓷薄膜的分布区域与金属电极一一对应，且金属电极的分布区域均不超出对应的导电陶瓷薄膜的分布区域。
可选地，导电陶瓷薄膜为TiN薄膜、TiC薄膜、TiCN薄膜、TiSiN薄膜、AlTiN薄膜、ZrN薄膜、TaN薄膜、HfN薄膜中的至少一项，或者为其中的多项组成的复合层。
可选地，导电陶瓷薄膜的晶体取向为（111）。
可选地，导电陶瓷薄膜的厚度为0.1~5μm。优选地，导电陶瓷薄膜的厚度为100~200纳米。
可选地，太阳能电池还包括载流子传输层；所述导电陶瓷薄膜设置在载流子传输层与金属电极之间。
可选地，太阳能电池为钙钛矿太阳能电池，或者钙钛矿/晶硅叠层电池。
一种太阳能电池制备方法，在形成金属电极的工序与形成吸光层的工序之间，还包括：与金属电极相对应的区域形成导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜用于阻隔金属与吸光层中逃逸离子的反应。
可选地，在电池的透明导电薄膜制备完成后，使用图形化的掩膜，使用反应磁控溅射或者阴极电弧沉积法制备导电陶瓷材料的薄膜栅线，薄膜栅线的厚度为0.1-5μm。
反应磁控溅射导电陶瓷材料的薄膜栅线时，还同步在电池表面形成有对位标记；采用丝印机，通过上一步预留的对位标记，将金属电极印刷在薄膜栅线之上，不超出对应的薄膜栅线的分布区域。
本申请实施例提供一种太阳能电池及其制备方法，在金属电极与电池的吸光层之间还设置有导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜致密，可以阻隔金属电极中的金属与太阳能电池中逃逸离子反应。
例如，对于钙钛矿电池，钙钛矿薄膜中的离子（尤其是卤素离子）会迁移至金属电极处，并和电极发生反应，形成例如碘化银的界面层，这种界面层相对绝缘，会大幅提升界面电阻，并降低器件的效率。本申请方案，采用导电陶瓷薄膜可以阻隔钙钛矿薄膜的迁移离子与金属电极中的金属反应，有利于改善电池效率退化的问题。
附图说明
图1为本申请一些实施例提供的太阳能电池的局部示意图；
图2为本申请一些实施例提供的另一种太阳能电池的局部示意图。
其中，
110-金属电极；111-导电陶瓷薄膜；112-透明导电层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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。
本申请实施例提供一种太阳能电池，包括：吸光层，和，用于将吸光层的光生电流导出的金属电极；所述太阳能电池在金属电极与吸光层之间还设置有：用于阻隔金属电极中的金属与太阳能电池中逃逸离子反应的导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜至少分布在与金属电极相对应的区域。
本实施例的导电陶瓷薄膜，能够阻挡太阳能电池的吸光层及相邻的其他功能膜层中的逃逸离子向金属电极迁移，避免太阳能电池中的逃逸离子与金属电极中的金属离子与发生反应，影响金属电极的导电性；也能阻挡金属电极中的离子向太阳能电池的吸光层及相邻的其他功能膜层迁移，避免金属电极中的离子进入吸光层或其他功能层，影响电池性能。本实施例导电陶瓷薄膜的具体设置位置可以根据实际需要确定，本实施例不做限定。
在一些实施例，所述导电陶瓷薄膜分布在金属电极的靠近吸光层的表面，可以避免因太阳能电池材料中包括吸光层在内的功能层因发生离子迁移，导致金属电极的界面接触电阻变大的问题。
在一些实施例，所述导电陶瓷薄膜可以分布在吸光层的靠近金属电极的表面，可以避免吸光层的离子逃逸导致电池效率和性能不稳定，同时也避免金属电极及其他膜层的逃逸离子进入吸光层，影响吸光层稳定性和光电转化效率。
为了提高电池效率，需要太阳能电池材料具有足够高的可见光吸收率以及优良的缺陷与掺杂性质来保证较好的电流和输出电压。所以，作为电池核心材料的吸收层，需要有合适的直接带隙吸收可见光、高质量的p型和n型掺杂，以及越少越好的载流子陷阱和复合中心。因此，吸收层材料的缺陷与掺杂性质十分重要，直接决定了薄膜太阳能电池的效率。一些太阳能电池如PERC、TOPCon等，以及CIGS、CdTe等无机薄膜太阳电池，对缺陷和杂质都是相当敏感，通常要高纯度的半导体材料，严格抑制缺陷和杂相的形成。采用本申请的在太阳能电池吸光层外侧设置导电陶瓷薄膜的技术方案可以解决上述问题。
对于钙钛矿太阳能电池或包含钙钛矿吸光层的多结电池，此类电池目前采用有机无机钙钛矿材料，在光照下的稳定性衰减更为迅速，并且随光强增强稳定性衰减更快。离子迁移在光照下得到了显著增强，而离子迁移的增强会导致更多的缺陷态产生，从而导致电池效率的下降。特别是，钙钛矿薄膜中的离子（尤其是卤素离子）会迁移至金属电极处，并和电极发生反应，在电极的下表面形成一层金属卤化物，导致电极界面处电阻变大，影响组件的长期稳定性。对于钙钛矿太阳能电池或者包含钙钛矿吸光层的多结电池，在金属电极与吸光层之间设置导电陶瓷薄膜，可以有效抑制离子迁移，提高电池稳定性。
导电陶瓷薄膜的材料、膜厚不做限定，只要能形成足以阻隔（或者至少部分地阻挡）离子迁移，使太阳能电池满足电池稳定性要求即可。导电陶瓷薄膜中的“陶瓷”仅强调膜层的致密性，实际上，导电陶瓷薄膜的材料并不限于陶瓷材料。
在一些实施例，所述导电陶瓷薄膜可以为TiN薄膜、TiC薄膜、TiCN薄膜、TiSiN薄膜、AlTiN薄膜、ZrN薄膜、TaN薄膜、HfN薄膜中的至少一项，或者为其中的多项组成的复合层。
在一些实施例，导电陶瓷薄膜的晶体取向为（111），这种晶体取向薄膜结构较为致密。
在一些实施例，导电陶瓷薄膜采用磁控溅射的方式制成。并采用下述增强薄膜致密性方式中的一项或多项的组合：选择高能脉冲磁控溅射或反应溅射；和，给所述金属芯线通负偏压。
在一些实施例，上述导电陶瓷薄膜111至少分布在与金属电极110相对应的区域，可以阻隔金属电极110中的金属与太阳能电池中逃逸离子反应的同时，尽量降低因设置导电陶瓷薄膜111导致的电池进光量下降。
进一步优选地，如图1所示，在一些实施例，导电陶瓷薄膜111的分布区域与金属电极110一一对应，且金属电极110的分布区域均不超出对应的导电陶瓷薄膜111的分布区域。
可选地，上述导电陶瓷薄膜111的厚度为0.1~5μm。优选地，导电陶瓷薄膜111的厚度为100~200纳米。太薄不足以阻隔离子迁移，太厚影响金属电极的接触电阻，导致金属电极的电流收集能力减弱。
在一些实施例，太阳能电池还包括透明导电层112；导电陶瓷薄膜111设置在透明导电层112与金属电极110之间。顶电极一般包括透明导电层加比较窄的条状金属电极，导电陶瓷薄膜设置在透明导电层与条状金属电极之间。
上述的透明导电层112一般指透明导电氧化物(transparent conductive oxide，简称TCO)薄膜主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。具有电阻率低、可见光区光透射率高的优良光电特性，长期以来被广泛应用于太阳能电池、平板显示器、有机发光二极管、低辐射玻璃、特殊功能窗涂层、透明薄膜晶体管及柔性电子器件等领域。
在另一些实施例，如图2所示，所述导电陶瓷薄膜111替代上述的透明导电层112，所述导电陶瓷111覆盖整个电极区域。所述导电陶瓷薄膜111设置在载流子传输层与金属电极之间。
在一些实施例，上述太阳能电池为钙钛矿太阳能电池，或者钙钛矿/晶硅叠层电池。
在一些实施例，本申请还提供另一太阳能电池，该太阳能电池的电极包括金属电极，以及设置在所述金属电极的靠近吸光层一侧的导电陶瓷薄膜，所述导电陶瓷薄膜用于阻隔金属电极中的金属与太阳能电池吸光层中逃逸离子反应的，导电陶瓷薄膜的分布区域大于所述金属电极的区域。
本发明采用在金属电极之下预埋一层致密的导电陶瓷薄膜，可以实现完全阻隔金属与钙钛矿薄膜中逃逸离子的反应，提高电池的长期可靠性。
本申请还提供一种太阳能电池制备方法，在形成金属电极的工序与形成吸光层的工序之间，还包括：与金属电极相对应的区域形成导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜用于阻隔金属与吸光层中逃逸离子的反应。
可选地，在电池的透明导电薄膜制备完成后，使用图形化的掩膜，反应磁控溅射导电陶瓷材料的薄膜栅线，薄膜栅线的厚度为0.1-5μm。
可选地，反应磁控溅射导电陶瓷材料的薄膜栅线时，还同步在电池表面形成有对位标记；采用丝印机，通过上一步预留的对位标记，将金属电极印刷在薄膜栅线之上，宽度不超过对应的薄膜栅线的分布区域。
在一些实施例中，在电池的TCO薄膜制备完成后，使用图形化的掩膜，使用反应磁控溅射或者阴极电弧沉积法制备TiN、TiCN、TiSiN、AlTiN、ZrN、TaN、HfN等导电陶瓷材料的薄膜栅线，薄膜厚度约为0.1-5μm.
丝印机通过上一步在电池表面预留的对未标记，将金属电极印刷在薄膜栅线之上，宽度可以等于或略小于导电陶瓷材料的薄膜栅线，从而达到较好的保护效果。
本发明的制备方法，增加了制备致密导电陶瓷薄膜的工艺，可以实现完全阻隔金属与钙钛矿薄膜中逃逸离子的反应，提高电池的长期可靠性。
本申请针对钙钛矿太阳能电池提出的方案，但实际应用并不限于此，所有存在类似因离子迁移导致金属电极接触电极下降的太阳能电池都可应用。
本领域技术人员应该明了，实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本申请的具体限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的常规技术或条件或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种太阳能电池，包括：吸光层，和，用于将吸光层的光生电流导出的金属电极，其特征在于，
在金属电极与吸光层之间还设置有：用于阻隔金属电极中的金属与太阳能电池吸光层中逃逸离子反应的导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜至少分布在与金属电极相对应的区域。
2.根据权利要求1的太阳能电池，其特征在于，导电陶瓷薄膜分布在金属电极的靠近吸光层的表面。
3.根据权利要求1的太阳能电池，其特征在于，导电陶瓷薄膜的分布区域与金属电极一一对应，且金属电极的分布区域均不超出对应的导电陶瓷薄膜的分布区域。
4.根据权利要求1的太阳能电池，其特征在于，导电陶瓷薄膜为TiN薄膜、TiC薄膜、TiCN薄膜、TiSiN薄膜、AlTiN薄膜、ZrN薄膜、TaN薄膜、HfN薄膜中的至少一项，或者为其中的多项组成的复合层。
5.根据权利要求1的太阳能电池，其特征在于，导电陶瓷薄膜的晶体取向为（111）。
6.根据权利要求1的太阳能电池，其特征在于，导电陶瓷薄膜的厚度为0.1~5μm。
7.根据权利要求1的太阳能电池，其特征在于，太阳能电池还包括载流子传输层；所述导电陶瓷薄膜设置在载流子传输层与金属电极之间。
8.根据权利要求1-7任一项的太阳能电池，其特征在于，太阳能电池为钙钛矿太阳能电池，或者钙钛矿/晶硅叠层电池。
9.一种太阳能电池制备方法，其特征在于，在形成金属电极的工序与形成吸光层的工序之间，还包括：与金属电极相对应的区域形成导电陶瓷薄膜，导电陶瓷薄膜用于阻隔金属与吸光层中逃逸离子的反应。
10.根据权利要求9的制备方法，其特征在于，在电池的透明导电薄膜制备完成后，使用图形化的掩膜，使用反应磁控溅射或者阴极电弧沉积法制备导电陶瓷材料的薄膜栅线，薄膜栅线的厚度为0.1-5μm。
11.根据权利要求9的制备方法，其特征在于，制备导电陶瓷材料的薄膜栅线时，还同步在电池表面形成有对位标记；采用丝印机，通过上一步预留的对位标记，将金属电极印刷在薄膜栅线之上，不超出对应的薄膜栅线的分布区域。
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2023
- 2023-07-13 CN CN202310862358.4A patent/CN116600583B/zh active Active
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