CN117936598A - 一种叠层太阳能电池及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叠层太阳能电池及其制备方法和应用，属于新能源技术领域。本发明提供的叠层太阳能电池包括叠加设置的底电池、中间结构和顶电池；所述中间结构包括CdO或者掺杂CdO膜层。本发明提供的叠层太阳能电池，能够有效降低窗口光损失，并提升其光电转换效率。本发明还提供了上述叠层太阳能电池的制备方法和应用。

Description

一种叠层太阳能电池及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种叠层太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，当太阳光照到太阳能电池上时，通过其光伏效应就会把太阳的光能变成电能，产生电流。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型太阳电池阵列，小到只供一户用的太阳能电池组件，这是其它电源无法比拟的。
为了提升太阳电池的光电转换效率，研究学者们提出了由具有不同带隙的半导体器件构成的串联电池。将两种带隙宽度不同的电池进行叠加形成叠层太阳电池，可以获得更高的光电转化效率。
叠层太阳能电池包括叠加设置的底电池、中间结构、顶电池和透明电极；根据中间结构是否引出端子，叠层太阳能电池还分为两端叠层太阳电池和四端叠层太阳电池；叠层太阳能电池为两端结构时，中间结构为复合结，又称遂穿结；当叠层太阳能电池为四端结构时，中间结构由设于底电池表面的传输电极和设于顶电池底部的透明电极组成。传统技术中，由于透明导电氧化物(TCO)薄膜同时具有良好的导电性和光透过率的特性，常被用于上述复合结或传输电极。常用的TCO包括ITO(掺Sn的In2O3)、FTO(掺F的SnO2)、AZO(掺Al的ZnO)等；其中ITO的导电性较好，应用也最广泛，电阻率可以达到1×10-4Ω·cm左右，而FTO和AZO相对较差些，电阻率约10-4～10-3Ω·cm。
虽然传统的TCO具有较高的电导率，但是其具有较低的红外透过率，作为上述中间结构的一部分时，叠层太阳电池的窗口光损失严重，光电转化效率较低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种叠层太阳能电池，能够有效降低叠层太阳能电池的窗口光损失，并提升其光电转换效率。
本发明还提供了上述叠层太阳能电池的制备方法。
本发明还提供了上述叠层太阳能电池的应用。
根据本发明第一方面的实施例，提供了一种叠层太阳能电池，所述叠层太阳能电池包括叠加设置的底电池、中间结构和顶电池；所述中间结构包括CdO膜层或者掺杂CdO膜层。
根据本发明实施例的叠层太阳能电池，至少具有如下有益效果：
本发明提供的叠层太阳能电池中，使用了全新的、实用的，同时具有良好的导电性和光透过率特性TCO材料作为顶电池和底电池之间中间结构的部分，减少了叠层太阳能电池窗口层光损失，提高叠层太阳能电池的光电转化效率。具体的：
相较于传统的TCO材料，CdO具有高迁移率、低吸收率等特点，虽然本征带隙较小(～2.2eV)，但是CdO容易实现掺杂，实际生产中可根据需要选择无掺杂，或者掺杂的CdO层；通过掺杂后可以达到大于3eV，甚至达到3.2eV，通过掺杂可以具有比ITO更高的导电性(电阻率约10-5～Ω·cm，电导率>104S·cm-1，导电性比ITO高2～5倍)，400～>1500nm范围内的近红外透过率也更高，同时它具有更低的沉积温度和更好的热稳定性，这使得CdO具有成为叠层太阳能电池(特别是含有钙钛矿子电池的叠层太阳能电池)用TCO材料的巨大潜能。
由于CdO的特殊光电性能，其并不适合于作为光伏电池的所有透明电极使用，例如，顶电池直接接受光照一侧的透明电极，可采用的最佳TCO透明电极应该采用带隙较宽的TCO材料，这样可以使得更宽的太阳能光谱进入太阳能电池的吸收层，适合作为顶电池的透明电池材料通常为ITO、IZO、AZO、IWO等。本发明中，采用CdO膜层作为中间结构，即只要可以透过顶电池未完全利用的光即可，而这恰好与CdO膜层的光电性能相契合。
根据本发明的一些实施例，所述掺杂CdO膜层中掺杂有金属元素。
不同类型的掺杂会对掺杂CdO膜层的光电性能带来不同的变化，但均会具有比ITO更高的导电性和红外透过率，同时具有更低的沉积温度和更好的热稳定性，作为透明导电电极，减少叠层太阳能电池窗口层光损失，提高叠层太阳能电池的光电转化效率。
根据本发明的一些实施例，所述金属元素包括V、In、Cu和Mg中的至少一种。进一步具体的可以是V和In中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述掺杂CdO膜层中的掺杂原子占Cd的摩尔百分数为2％到15％。例如具体可以是约8％、10％或约12％。
根据本发明的一些实施例，所述底电池包括晶硅电池、钙钛矿电池、CIGS电池、CdTe电池和OPV电池中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述底电池的带隙范围为0.9～1.5eV。
根据本发明的一些实施例，所述顶电池包括非晶硅电池、钙钛矿电池、CIGS电池和OPV电池中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述顶电池的带隙为1.6～1.1.85eV。例如具体可以是约1.65eV或约1.7eV。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池中，所述底电池/顶电池的搭配为以下搭配中的一种：
钙钛矿/晶硅叠层、钙钛矿/CIGS叠层、钙钛矿/钙钛矿叠层。
根据本发明的一些实施例，所述钙钛矿电池包括叠加设置的空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层。
根据本发明的一些实施例，所述空穴传输层的材质包括SAM、PTAA、氧化镍中的至少一种。其中，所述SAM包括Meo-2pacz。
根据本发明的一些实施例，所述钙钛矿层的材质包括CsFAMA三元体系、CsFA两元体系、Cs一元体系，或上述体系在A位引入DMA离子的钙钛矿。
根据本发明的一些实施例，所述电子传输层包括C60层和PCBM层中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述电子传输层的厚度为10～350nm；例如具体可以是约20nm或约30nm。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池还包括设于所述电子传输层远离所述钙钛矿层一侧表面的损伤阻挡层。所述损伤阻挡层可阻挡后续溅射带来的损伤，还兼具空穴阻挡层的作用。
根据本发明的一些实施例，所述损伤阻挡层的材质包括SnO2。
根据本发明的一些实施例，所述损伤阻挡层(SnO2层)的厚度为10～20nm。例如具体可以是约15nm。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池，还包括设于所述顶电池远离所述底电池一侧表面的顶电池透明电极。所述顶电池透明电极包括ITO、IZO、AZO、IO:H和IWO等中的至少一种。所述顶电池透明电极的厚度为40～250nm。例如具体可以是约110nm、120nm或约130nm。所述顶电池透明电极的方阻≤100Ω，例如具体可以是约50Ω或约60Ω。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池，还包括设于所述底电池远离所述顶电池一侧的背反射层。所述背反射层包括银栅层。所述背反射层的厚度为50～200nm。例如具体可以是约80nm或约100nm。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池，还包括设于所述背反射层和所述底电池之间的底电极。
根据本发明的一些实施例，所述底电极包括ITO、IZO、AZO、IO:H和IWO中的至少一种。所述底电极的厚度为40～250nm。例如具体可以是约130nm、150nm或约180nm。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池为两端太阳能电池或四端太阳能电池。
根据本发明的一些实施例，当所述叠层太阳能电池为所述两端太阳能电池时，所述中间结构为设置在所述底电池和顶电池之间的复合结；所述复合结为所述CdO膜层。
根据本发明的一些实施例，当所述叠层太阳能电池为所述两端太阳能电池时，所述中间结构为设置在所述底电池和顶电池之间的复合结；所述复合结为自所述底电池而始叠加设置的CdO膜层和保护膜层。
根据本发明的一些实施例，所述复合结的厚度为10～200nm。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池为两端太阳能电池，所述两端太阳能电池包括叠加设置的：背反射层、底电极、底电池、中间结构、顶电池和顶电池透明电极；
所述中间结构为复合结，所述复合结包括所述CdO膜层；所述复合结的厚度为10～200nm；
所述背反射层和所述顶电池透明电极引出端子。
根据本发明的一些实施例，当所述叠层太阳能电池为所述四端太阳能电池时，所述中间结构由传输电极和顶电池底电极组成；所述传输电极为CdO膜层。
根据本发明的一些实施例，当所述叠层太阳能电池为所述四端太阳能电池时，所述中间结构由传输电极和顶电池底电极组成；所述传输电极为所述底电池而始叠加设置的CdO膜层和保护膜层。
根据本发明的一些实施例，所述两端太阳能电池和四端太阳能电池中，所述保护膜层分别独立选自SnO2膜层和ZnO膜层中的至少一种。由于所述保护膜层的设置，所述CdO膜层可避免环境湿度的干扰，提升其使用过程中的环境稳定性。
根据本发明的一些实施例，所述传输电极的厚度为10～200nm。
根据本发明的一些实施例，所述顶电池底电极包括IZO、AZO、ITO、IWO和IO:H中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述顶电池底电极的厚度为40～400nm。
根据本发明的一些实施例，所述叠层太阳能电池为四端太阳能电池，所述四端太阳能电池包括叠加设置的：背反射层、底电极、底电池、中间结构、顶电池、顶电池透明电极；
所述中间结构包括设于所述底电池靠近顶电池一侧表面的传输电极，和设于所述顶电池靠近所述底电池一侧表面的顶电池底电极；
所述传输电极包括所述CdO膜层；所述传输电极的厚度为10～200nm；
所述背反射层、传输电极、顶电池底电极和顶电池透明电极分别引出端子。
进一步的，所述传输电极和所述顶电池底电极之间可以间隔空气，也可以直接贴合，后者结构的中间层可以进行折射匹配，由此降低光的损失。
根据本发明第二方面的实施例，提供了一种所述叠层太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括在所述底电池表面设置所述中间结构后，在所述中间结构表面设置所述顶电池；和/或，所述中间结构的设置方法包括物理气相沉积、磁控溅射和原子层沉积中的至少一种。
由于所述制备方法采用了上述实施例的叠层太阳能电池的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
根据本发明的一些实施例，所述中间结构的设置方法包括依次进行的磁控溅射和一次退火。
所述一次退火的温度为200～230℃；例如具体可以是约210℃。
所述一次退火的时长为10～30min；例如具体可以是约20min。
根据本发明的一些实施例，当所述叠层太阳能电池包括钙钛矿电池时，所述钙钛矿电池的设置方法包括依次设置的空穴传输层、钙钛矿层、和电子传输层。
所述空穴传输层的设置方法包括涂覆和三次退火，例如可以选用旋涂。进一步具体的，包括将SAM(包括Meo-2pacz)、PTAA、氧化镍等中的至少一种配置成浓度为0.3～30mg/ml的分散液，之后进行旋涂得到。具体的，所述分散液的浓度为约0.5mg/mL或约1mg/mL。进一步的，所述分散液的溶剂包括乙醇。所述空穴传输层的旋涂，转速为为2500～3500rpm。例如具体可以是约3000rpm。所述空虚传输层的旋涂，时长为25～35s。例如具体可以是约30s。
所述三次退火的温度为；所述三次退火的时长为1～60min。例如具体可以是约15min。
所述三次退火的温度为80～120℃。例如具体可以是约100℃。
所述钙钛矿层的设置方法包括依次进行的旋涂、滴加反溶剂和二次退火。其中，所述反溶剂包括EA(乙酸乙酯)、CB(氯苯)中的至少一种。选用特定的反溶剂可促进钙钛矿前驱体溶液析出快速形成晶核。所述二次退火的温度为80～2500℃。例如具体可以是约100℃或120℃。所述二次退火的时长为5～60min。例如具体可以是约10min或15min。
所述电子传输层的设置方法包括蒸镀和湿法旋涂中的至少一种。
当所述叠层太阳能电池包括损伤阻挡层时，所述损伤阻挡层的设置方法包括ALD。
根据本发明的一些实施例，除所述钙钛矿电池外，所述叠层太阳能电池其他部分的制备方法包括物理气相沉积、磁控溅射和原子层沉积中的至少一种。
根据本发明第三方面的实施例，提供了一种述的叠层太阳能电池在空间光伏和地表光伏中的应用。
由于所述应用采用了上述实施例的叠层太阳能电池的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
若无特殊说明，本发明的“约”实际表示的含义是允许误差在±2％的范围内，例如约100实际是100±2％×100。
若无特殊说明，本发明中的“在……之间”包含本数，例如“在2～3之间”包括端点值2和3。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例1制备的具有两端结构的叠层太阳能电池的结构示意图。
图2是图1的详细示意图。
图3是本发明实施例2制备的具有四端结构的叠层太阳能电池的结构示意图。
附图标记：
背反射层100、底电极200；
底电池300、a-Si(P)层310、第一a-Si(i)层320、c-Si(n)层330、第二a-Si(i)层340、a-Si(n)层350；
中间结构400、传输电极410、顶电池底电极420；
顶电池500、空穴传输层510、钙钛矿层520、电子传输层530；
顶电池透明电极600、端子700、氟化锂810、Ag层820。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
参考图1～2，本例制备了一种两端结构的叠层太阳能电池，其中，底电池300为硅电池，顶电池500为钙钛矿电池；具体步骤如下：
S1.制绒清洗：使用～200μm厚，～2Ω.cm-1FZ型单晶硅晶片制作，使用碱性基溶液(商购，对所得叠层太阳能电池的性能无明显影响)产生了一个双面随机锥体纹理(作用是减反射，有利于光谱的利用)，然后进行湿-化学清洗程序(最终厚度约为180μm)。晶片(对应c-Si(n)层330)在氢氟酸溶液(8～10％)中浸泡10min，以去除天然SiOx；
S2.非晶硅薄膜制备：使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统设置为200℃，沉积薄的氢化Si层。在正面，氢化的固有和掺杂磷的非晶Si(第二a-Si：(i)层340和a-Si：(n)层350)沉积之后，背面形成是掺杂磷的非晶Si层(a-Si(P)层310、第一a-Si(i)层320)沉积。本步骤所得部件为底电池300。
S3.TCO薄膜制备：在正面使用溅射一层20nm的CdO：In层(中间结构400，又称遂穿结，其中In原子个数为Cd原子个数的10％)。背面溅射一层IZO(厚度～80nm，底电极200)，热蒸发银150nm形成背反射层100；随后将异质结激光切割成2.5×2.5cm2的基板，然后将底部的电池前体在烘箱中以210℃退火20min，以治愈溅射损伤。
S4.空穴传输层510：配置浓度为0.5mg/ml的Meo-2pacz的乙醇溶液，涂条件为3000rpm/30s，旋涂至步骤S3所得部件中间结构400一侧表面，退火温度100℃，退火时间15min；
S5.Perovskite(钙钛矿层520)：选用1.68eV经典三元体系(Cs0.05(FA0.77MA0.23)0.95Pb(I0.77Br0.23)3)，旋涂条件为5000r/35s第20s滴加反溶剂EA，旋涂结束后100℃/10min退火处理获得钙钛矿层520；
S6.电子传输层530和损伤阻挡层：电子传输层530为设于钙钛矿层520表面的C60层；损伤阻挡层为设于电子传输层530表面的SnO2层，C60层(20nm)通过热蒸镀制备；紧随其后，15nm的SnO2层采用热法ALD制备，其中锡源为TDMASn，ALD程序0.4/6/0.4/6s设定为一个循环，循环总次数150次，工作温度90℃。
步骤S4～S6制备得到了顶电池500。
S7.设置材质为IZO的顶电池透明电极600：使用磁控溅射制备，厚度为120nm，方阻～50Ω。
S8.在顶电池透明电极600表面的局部区域设置氟化锂，并对称设置Ag层820。
如果需要，可从顶电池透明电极600和背反射层100分别引出端子700。
实施例2
参考图3，本例制备了一种四端结构的叠层太阳能电池，其中，底电池300为硅电池，顶电池500为钙钛矿电池；具体步骤和实施例1的区别在于：
(1)步骤S3中，设置了20nm的CdO：In层(同实施例1)作为传输电极410；
在传输电极410的表面设置材质为IZO的顶电池底电极420。
对比例1
本例制备了一种叠层太阳能电池，具体和实施例1的区别在于：
步骤S3中，将CdO：In层替换为等厚度的ITO层。
对比例2
本例制备了一种叠层太阳能电池，具体和实施例2的区别在于：
步骤S3中，将CdO：In层替换为等厚度的ITO层。
测试例
本例测试了实施例和对比例所得叠层太阳能电池的光电转换效率，测试方法为：光伏性能是通过基于氙灯的太阳模拟器(McScience,class AAA)记录的，使用Keithley2400源表单位，AM 1.5G(25℃，100mW cm^-2)照度下进行测试，在环境相对湿度(40–50％)条件下。AM 1.5G的照射通过使用标准Si电池(Newport,KG5 window)进行确认。测试结果如表1所示。
表1实施例和对比例所得叠层太阳能电池的性能
Jsc(mA/cm2) Voc(V) FF(％) PCE(％)
实施例1 20.1 1.88 78.1 29.5
实施例2 - - - 29.9
对比例1 19.2 1.84 75.1 26.5
对比例2 - - - 28.3
根据以上结果可知，本发明提供的叠层太阳能电池中，通过采用包括CdO膜层的中间结构，显著降低了叠层太阳能电池窗口层光损失，提升了光电转换效率。由于所得叠层太阳能电池具有以上优异性能，因此有望在地表光伏和空间光伏中取得广泛应用。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种叠层太阳能电池，所述叠层太阳能电池包括叠加设置的底电池、中间结构和顶电池；其特征在于，所述中间结构包括CdO或者掺杂CdO膜层。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述掺杂CdO膜层中掺杂有金属元素；优选地，所述金属元素包括V、In、Cu和Mg中的至少一种；优选地，所述CdO膜层中的掺杂原子占Cd的摩尔百分数为2％到15％。
3.根据权利要求1或2所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述叠层太阳能电池为两端太阳能电池或四端太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的叠层太阳能电池，其特征在于，当所述叠层太阳能电池为所述两端太阳能电池时，所述中间结构为设置在所述底电池和顶电池之间的复合结；所述复合结为所述CdO膜层；和/或，所述复合结为自所述底电池而始叠加设置的CdO膜层和保护膜层。
5.根据权利要求4所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述复合结的厚度为10～200nm。
6.根据权利要求3所述的叠层太阳能电池，其特征在于，当所述叠层太阳能电池为所述四端太阳能电池时，所述中间结构由传输电极和顶电池底电极组成；所述传输电极为CdO膜层；和/或，所述传输电极为所述底电池而始叠加设置的CdO膜层和保护膜层。
7.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述传输电极的厚度为10～200nm。
8.根据权利要求1或2所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述底电池包括晶硅电池、钙钛矿电池、CIGS电池、CdTe电池和OPV电池中的至少一种；和/或，所述顶电池包括非晶硅电池、钙钛矿电池、CIGS电池和OPV电池中的至少一种。
9.一种如权利要求1～8任一项所述叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括在所述底电池表面设置所述中间结构后，在所述中间结构表面设置所述顶电池；和/或，所述中间结构的设置方法包括物理气相沉积、磁控溅射和原子层沉积中的至少一种。
10.一种如权利要求1～8任一项所述的叠层太阳能电池在空间光伏和地表光伏中的应用。
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