CN209104173U - 一种太阳能电池叠层结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能电池叠层结构，包括依次设置的基底电池层、缓冲层、和叠加层；基底电池层包括朝向叠加层的第一表面，第一表面的部分区域能够与叠加层接触并与叠加层电连接；缓冲层包括与叠加层直接配合的第二表面，第二表面的表面粗糙度小于第一表面的表面粗糙度。太阳能电池叠层结构在保持基底电池层的原有表面结构的基础上，不仅能够保证基底电池层与叠加层之间的电学连接关系，而且降低了太阳能电池叠层结构中与叠加层相配合的表面的粗糙度，从而减小了叠加层的制备难度，改善了叠加层的质量。

Description

一种太阳能电池叠层结构

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池叠层结构。

背景技术

太阳能电池是一种将光能快速转化为电能的装置，具有结构简单，成本低廉等优点。衡量太阳能电池是否能够大规模商业化的一个重要指标是度电成本，即太阳能电池系统搭建的成本除以太阳能电池有效期内的总发电量，度电成本越低，则越有利于太阳能电池的推广应用。以基于硅的太阳能电池系统为例，其搭建成本包括硅原料成本、拉晶成本、电池制造成本，以及相关的逆变器、边框、接线盒、玻璃和设备折旧等，上述各项成本的下降空间有限，从降低制造成本的方面降低硅电池的度电成本的难度较大。目前，大量的研究课题致力于提高太阳能电池的发电效率，以期增大阳能电池有效期内的总发电量，从而降低太阳能电池系统度电成本，使太阳能电池在目前能源结构中更具有竞争力。然而，目前量产的单结硅电池的光电转换效率(约24％)已经接近理论极限效率(约28％)，很难再有较大的突破。

因此，在原有硅电池的基础上叠加第二片或者第三片宽带隙的太阳能电池就成了大大提升组件效率的重要途径。叠层电池的基本原理是通过组合窄带隙和宽带隙的两片或者多片电池，来减少光电转化过程中的热化损耗，保持高的太阳光利用率，提高电池的开路电压(在没有特殊指明的情况下，两片电池叠加的电池称为双结叠层电池，三片以上叠加的电池称为多结叠层电池)。

通常，在叠层电池中，具有相对较宽的带隙的半导体位于电池的受光面或者顶部，而具有较窄带隙的半导体位于上述宽带隙半导体的下方。在叠层电池中，宽带隙的电池吸收短波长的光，窄带隙的电池依次吸收长波长的光以及透过宽带隙电池的短波长的光。这样，整个电池的热损耗得到了降低，同时光利用率也没有受到任何减损。通过适当的材料组合，双结叠层电池理论上可以实现高达47％的光电转化效率。而且更重要的是，应用叠层太阳能电池可以直接利用现有太阳能电池系统的搭建结构，不产生过多的额外建设成本，有利于大大降低太阳能电池系统的度电成本。

在叠层太阳能电池中，根据相叠加的各个电池间的连接方式，可以将叠层太阳能电池分为两端叠层电池和四端叠层电池。具体讲，两端叠层电池是将不同电池通过隧穿结串联耦合起来，最终只有顶部和底部两套电极；而四端叠层电池则是将不同电池机械的叠在一起，并且分别引出各自的顶电极和底电极。相比于四端叠层电池，两端叠层电池由于拥有较小的光学和电阻损耗，以及简单的线路布置，而成为主流的叠层结构。

但是，两端叠层电池通常具有较大的制备难度。以目前已经进入较大规模应用的硅太阳能电池为例，由于硅是间接带隙半导体，通常需要在硅片表面制作微米级别的粗糙结构(绒面结构)来增强硅对波长800纳米以上的光的吸收，而对于目前多种适合与硅电池叠加的宽带隙电池，其电池本身的厚度也仅为微米级别。硅电池表面粗糙的绒面结构使得在其上耦合加工第二片电池变得十分困难，对于材料生长方法以及可选用的材料种类均产生较多的限制，导致加工制备成本增高，难度增大。而且，硅电池表面的绒面结构上存在大量的凸点和凹点，在材料生长过程中，这些地方很容易出现较大的应力，从而降低生成薄膜的质量，最终降低叠层电池的效率和稳定性。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种太阳能电池叠层结构，目的在于，通过减小配合表面的表面粗糙度，降低在基底电池层上叠加其它电池的难度。

本实用新型所采用的技术方案为：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种太阳能电池叠层结构，包括依次设置的基底电池层、缓冲层、和叠加层；

所述基底电池层包括朝向所述叠加层的第一表面，所述第一表面的部分区域能够与所述叠加层接触并与所述叠加层电连接；

所述缓冲层包括与所述叠加层直接配合的第二表面，所述第二表面的表面粗糙度小于所述第一表面的表面粗糙度。

优选地，所述缓冲层对可见光、和/或红外光的透过率不小于10％。

优选地，所述缓冲层由有机物、无机物、有机/无机杂化材料中的一种或多种构成。

优选地，所述有机物为聚乙二醇、或聚甲基丙烯酸甲酯；所述无机物为氧化铝浆料、氧化硅浆料或氧化锆浆料；所述有机/无机杂化材料为通式为ABX₃的化合物，其中，A为铯离子、甲胺离子、甲脒离子中的一种，B为铅离子、或锡离子，X为碘离子、溴离子、氯离子中的一种或多种。

优选地，所述缓冲层的厚度为0.1-10微米。

优选地，所述叠加层为对可见光和/或红外光透过率不小于10％的导电层。

优选地，所述导电层选自铟锡氧化物半导体、氟掺杂氧化锡、导电有机物、金属银纳米线中的一种，或由铟锡氧化物半导体、氟掺杂氧化锡、导电有机物、金属银纳米线中的多种复合而成。

优选地，所述基底电池层为经过表面制绒处理的硅太阳能电池层。

优选地，所述硅太阳能电池层包括依次设置的第一主体层、第一电子传导层和第一钝化层，所述缓冲层设置于所述第一钝化层上，所述第一电子传导层包括与所述第一钝化层相配合的导电表面，所述导电表面部分地暴露于所述第一钝化层和所述缓冲层外，且与所述叠加层接触并电连接；

或，

所述硅太阳能电池层包括依次设置的第二主体层、第二钝化层和第二电子传导层，所述缓冲层设置于所述第二电子传导层上，所述第二电子传导层上与所述缓冲层相配合的表面部分地暴露于所述缓冲层外，且与所述叠加层接触并电连接。

优选地，所述叠加层上还设置有附加电池层，所述附加电池层为太阳能电池层，且所述附加电池层的带隙宽度与所述基底电池层的带隙宽度不同。

优选地，当所述基底电池层为硅太阳能电池层时，所述附加电池层选自铜铟镓硒太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铝镓砷太阳能电池中的一种。

优选地，所述附加电池层的数量为多个，多个所述附加电池层依次叠加设置于所述叠加层上，且相邻两个所述附加电池层电连接。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的太阳能电池叠层结构在保持基底电池层的原有表面结构的基础上，不仅能够保证基底电池层与叠加层之间的电学连接关系，而且降低了太阳能电池叠层结构中与叠加层相配合的表面的粗糙度，从而减小了在基底电池上制备附加电池层的难度，有利于使用多种现有的制备方法和制备设备，容易地加工得到具有较高成膜质量及较高效率和稳定性的叠加电池，同时有利于消除由于所在制备表面存在大曲率凹坑和/或凸点，而给叠加层带来的应力破坏。

附图说明

图1是本实用新型所述太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图；

图2是本实用新型所述太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图，其中，基底电池层为包括第一主体层、第一电子传导层和第一钝化层的硅太阳能电池层；

图3是本实用新型所述太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图，其中，基底电池层为包括第二主体层、第二钝化层和第二电子传导层的硅太阳能电池层；

图4是本实用新型所述具有附加电池层的太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图，其中，基底电池层的底部为绒面结构，且基底电池层为包括第一主体层、第一电子传导层和第一钝化层的硅太阳能电池层；

图5是本实用新型所述具有附加电池层的太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图，其中，基底电池层的底部为绒面结构，且基底电池层为包括第二主体层、第二钝化层和第二电子传导层的硅太阳能电池层；

图6是本实用新型所述具有附加电池层的太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图，其中，基底电池层的底部为平面结构，且基底电池层为包括第一主体层、第一电子传导层和第一钝化层的硅太阳能电池层；

图7是本实用新型所述具有附加电池层的太阳能电池叠层结构的一种实施方式的结构示意图，其中，基底电池层的底部为平面结构，且基底电池层为包括第二主体层、第二钝化层和第二电子传导层的硅太阳能电池层。

图中：1、基底电池层；11、第一表面；12、第一主体层；13、第一电子传导层；14、第一钝化层；15、第二主体层；16、第二钝化层；17、第二电子传导层；2、缓冲层；21、第二表面；3、叠加层；4、附加电池层。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图以及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下请参考图1-图7。

如图1所示，本实用新型提供了一种太阳能电池叠层结构，包括依次设置的基底电池层1、缓冲层2、和叠加层3；所述基底电池层1包括朝向所述叠加层3的第一表面11，所述第一表面11的部分区域能够与所述叠加层3接触并与所述叠加层3电连接，此处所说的电连接，可以是基底电池层1和叠加层3直接接触而形成电路通路，也可以在基底电池层1上设置导电材料(例如导电线路、导电极等)，使基底电池层1通过导电材料与叠加层3形成电连接关系；所述缓冲层2包括与所述叠加层3直接配合的第二表面21，所述第二表面21的表面粗糙度小于所述第一表面11的表面粗糙度，因此，在第二表面21上制备加工叠加层3的制备难度将远远低于直接在第一表面11上制备叠加层3，有利于使用多种现有的制备方法(例如：蒸镀法、溅射法、旋涂法、电镀法、刮涂法、涂布法、喷雾法、喷墨打印法等)和制备设备，在更为平滑的第二表面21上容易地加工制得具有较高成膜质量、较高效率及稳定性的叠加电池，有效避免粗糙的第一表面11上大曲率的凸点和凹点造成叠加层3内出现应力破坏的问题。

作为一种较佳的实施方式，所述缓冲层2对可见光、和/或红外光透过率不小于10％，因此，缓冲层2能够减小对经过其的可见光和/或红外光的吸收，减小光线在到达基底电池层1前发生的损耗。更优选地，缓冲层2采用对可见光、和/或红外光透明的材料制成。

作为一种较佳的实施方式，所述缓冲层2由有机物、无机物、有机/无机杂化材料中的一种或多种构成。优选地，所述有机物为聚乙二醇、或聚甲基丙烯酸甲酯，上述两种有机物便宜易得，且二者满足对于可见光和/或红外光的透过率不小于10％的性能要求，能够减小可见光和/或红外光在通过其时产生的损耗；所述无机物为氧化铝浆料、氧化硅浆料或氧化锆浆料，优选使用上述三种氧化物的纳米浆料，上述三种无机材料能够满足对于可见光和/或红外光的透过率不小于10％的性能要求，从而减小可见光和/或红外光在通过其时产生的损耗；所述有机/无机杂化材料为通式为ABX₃的化合物，其中，A为铯离子、甲胺离子、甲脒离子中的一种，B为铅离子、或锡离子，X为碘离子、溴离子、氯离子中的一种或多种，例如，上述的有机/无机杂化材料可以为甲胺铅碘(CH₃NH₃PbI₃)、溴化铯铅(CsPbBr₃)等，通式为ABX₃的有机/无机杂化材料满足对于可见光或/和红外光的透过率不小于10％的性能要求，能够减小可见光和/或红外光在通过其时产生的损耗。以上用于制备缓冲层2的材料均具有透光(可见光和/或红外光)性能良好、成本较为低廉、制备方法简易可行等优势，既能够避免使缓冲层2吸收较多的入射可见光和/或入射红外光造成能量损耗，而且还能够通过现有的加工方法，容易地制得粗糙度很小的平滑表面，从而方便进行下一步加工操作。

作为一种较佳的实施方式，所述缓冲层2的厚度为0.1-10微米。在具体实施过程中，所述缓冲层2的具体厚度可以根据基底电池层1第一表面11的粗糙程度进行具体设计，缓冲层2不必完全覆盖第一表面11上的所有位置，能够达到使形成的第二表面21的表面粗糙度小于第一表面11的表面粗糙度的效果即可，相对于第一表面11更为平滑的第二表面21不仅可以使在缓冲层2上制备叠加层3的操作更加简单，形成的叠加层3的质量更好，同时还能够在制备叠加层3的过程中，实现使裸露在缓冲层2外的第一表面11与叠加层3直接接触的效果。若制备得到的缓冲层2完全覆盖第一表面11，也可通过在缓冲层2上制作缺口、或均匀减小缓冲层2厚度等方式，使第一表面11部分地暴露在缓冲层2之外，便于其与叠加层3相接触。

作为一种较佳的实施方式，所述叠加层3为对可见光和/或红外光透过率不小于10％的导电层，对可见光和或/红外光透过率不小于10％的导电层能够减小对经过其的可见光和红外光的吸收，减小光线在到达基底电池层1前产生的损耗。更优选地，上述导电层设置为对可见光、和/或红外光透明的导电层。将所述叠加层3设为导电层，能够方便与基底电池层1通过接触直接形成电连接关系，减少不必要的排线连接。而且，直接在导电层上制备附加电池，优选可以省去附加电池中通常包括的底部透明导电层结构，简化制备附加电池的工艺；同时，相对于基底电池层1的第一表面11，叠加层3具有良好的表面质量，因此使得在其上制备更多层的附加电池层4的难度较低，且制得的叠层电池质量较高。优选地，所述导电层选自铟锡氧化物半导体、氟掺杂氧化锡、导电有机物、金属银纳米线中的一种，或由铟锡氧化物半导体、氟掺杂氧化锡、导电有机物、金属银纳米线中的多种复合而成。上述材料不仅具有良好的导电性能及加工性能，而且对于可见光和/或红外光均具有较大的透过率。

作为一种较佳的实施方式，所述基底电池层1为经过表面制绒处理的硅太阳能电池层。硅太阳能电池是目前应用最为广泛的太阳能电池，由于硅是间接带隙半导体，通常需要对硅太阳能电池的表面进行制绒处理，使硅太阳能电池的表面形成大量的金字塔形粗糙凸起结构(绒面结构)，从而增强硅对波长800纳米以上的光的吸收，提高硅太阳能电池的能量转化效率。

作为一种较佳的实施方式，如图2所示，所述硅太阳能电池层包括依次设置的第一主体层12、第一电子传导层13和第一钝化层14，例如，以单质硅为第一主体层12；以N型掺杂的硅为第一电子传导层13，从而提高硅太阳能电池表面的横向导电能力；以氧化硅为第一钝化层14，以减少硅太阳能电池表面的缺陷态。在使用该种结构的硅太阳能电池层作为基底电池层1时，所述缓冲层2设置于所述第一钝化层14上，所述第一电子传导层13包括与所述第一钝化层14相配合的导电表面，所述导电表面部分地暴露于所述第一钝化层14和所述缓冲层2外，且与所述叠加层3接触并电连接，通过该种设置方式可以保证基底电池层1和叠加层3之间的电连接关系，具体地，可以预先选定第一传导层上的部分位置，在第一钝化层14和缓冲层2的对应位置处均设置缺口，以使选定的部分位置不受第一钝化层14和缓冲层2的遮挡，从而在制备所述叠加层3时，叠加层3材料能够直接接触暴露于第一钝化层14和缓冲层2外的第一传导层，形成电连接关系；或者，如图3所示，所述硅太阳能电池层还能够以以下的形式实施：

所述硅太阳能电池层包括依次设置的第二主体层15、第二钝化层16和第二电子传导层17，例如，以单质硅为第二主体层15，氢化非晶硅为第二钝化层16，在氢化非晶硅层的表面叠加对可见光和/或红外光透过率不小于10％导电层(例如氧化铟锡层)作为第二电子传导层17，从而提高硅太阳能电池表面的横向导电能力。在使用该种结构的硅太阳能电池层作为基底电池层1时，所述缓冲层2设置于所述第二电子传导层17上，所述第二电子传导层17上与所述缓冲层2相配合的表面部分地暴露于所述缓冲层2外，且与所述叠加层3接触并电连接。具体地，可以在缓冲层2上设计一定数量及尺寸的缺口，以使第二电子传导层17上与该缺口对应的的区域暴露于缓冲层2外，当在缓冲层2上叠加设置所述叠加层3时，叠加层3能够直接与第二电子传导层17直接接触，形成电连接关系。

作为一种较佳的实施方式，所述叠加层3上还设置有附加电池层4，所述附加电池层4为太阳能电池层，且所述附加电池层4的带隙宽度与所述基底电池层1的带隙宽度不同。带隙宽度不同的太阳能电池层能够吸收入射光线中不同波长的光，从而提高对入射光能量的利用效率。优选地，选取带隙宽度大于基底电池层1的太阳能电池层作为附加电池层4，带隙相对较宽的附加电池层4吸收波长较短的光，而带隙相对较窄的基底电池层1依次吸收波长较长的光以及透过宽带隙电池的波长较短的光，从而大大降低光线在经过电池结构时产生的热损耗，提高对光能的利用效率。

作为一种较佳的实施方式，当所述基底电池层1为硅太阳能电池层时，所述附加电池层4选自铜铟镓硒太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铝镓砷太阳能电池中的一种，上述附加电池层4均为宽带隙材料，根据现有技术，这些材料可以通过真空蒸镀加工、溅射加工或溶液加工等方法制备，按照不同的器件结构制备成太阳能电池，具有制备方法简单、制备成本低廉、可以多层叠加加工等优势。以钙钛矿太阳能电池作为附加电池层4为例，图4-7示出了具有附加电池层4的太阳能电池叠层结构的几种可实施方式的结构示意图。基底电池层1的底部(即远离缓冲层2的一侧)结构可以为绒面结构(如图4、图5)，例如钝化发射极和背面电池(PERC双面电池，passivated emitter and rear cells),高效本征薄层异质结电池(HIT,heterojunction with intrinsic thin layer)，也可以是平面结构(如图6、图7)，例如PERC单面电池电池，铝背场电池。对于现有具有不同底部结构的太阳能电池产品，在需要的情况下，均可以作为基底电池层1应用于本实用新型中，得到本实用新型所述的太阳能电池叠层结构。

作为一种较佳的实施方式，所述附加电池层4的数量为多个，多个所述附加电池层4依次叠加设置于所述叠加层3上，且相邻两个所述附加电池层4电连接。通过设计合理地增加附加电池层4的数量，例如，设置带隙宽度为1.6电子伏特(eV)和1.9eV的两个附加电池，使本实用新型提供的太阳能电池叠层结构形成为多结叠层电池，有利于提高叠层电池的开路电压，并保持理想的的短路电流。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由组合、叠加。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施方式，并非对本实用新型做任何形式上的限制。任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种太阳能电池叠层结构，其特征在于，包括依次设置的基底电池层(1)、缓冲层(2)、和叠加层(3)；

所述基底电池层(1)包括朝向所述叠加层(3)的第一表面(11)，所述第一表面(11)的部分区域能够与所述叠加层(3)接触并与所述叠加层(3)电连接；

所述缓冲层(2)包括与所述叠加层(3)直接配合的第二表面(21)，所述第二表面(21)的表面粗糙度小于所述第一表面(11)的表面粗糙度。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述缓冲层(2)对可见光、和/或红外光的透过率不小于10％。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述缓冲层(2)由有机物、无机物、有机/无机杂化材料中的一种或多种构成。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述有机物为聚乙二醇、或聚甲基丙烯酸甲酯；所述无机物为氧化铝浆料、氧化硅浆料、或氧化锆浆料；所述有机/无机杂化材料为通式为ABX₃的化合物，其中，A为铯离子、甲胺离子、甲脒离子中的一种，B为铅离子、或锡离子，X为碘离子、溴离子、氯离子中的一种或多种。

5.根据权利要求1,2,4中任一项所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述缓冲层(2)的厚度为0.1-10微米。

6.根据权利要求1,2,4中任一项所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述叠加层(3)为对可见光和/或红外光透过率不小于10％的导电层。

7.根据权利要求6所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述导电层选自铟锡氧化物半导体、氟掺杂氧化锡、导电有机物、金属银纳米线中的一种，或由铟锡氧化物半导体、氟掺杂氧化锡、导电有机物、金属银纳米线中的多种复合而成。

8.根据权利要求1,2,4,7中任一项所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述基底电池层(1)为经过表面制绒处理的硅太阳能电池层。

9.根据权利要求8所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，

所述硅太阳能电池层包括依次设置的第一主体层(12)、第一电子传导层(13)和第一钝化层(14)，所述缓冲层(2)设置于所述第一钝化层(14)上，所述第一电子传导层(13)包括与所述第一钝化层(14)相配合的导电表面，所述导电表面部分地暴露于所述第一钝化层(14)和所述缓冲层(2)外，且与所述叠加层(3)接触并电连接；

或，

所述硅太阳能电池层包括依次设置的第二主体层(15)、第二钝化层(16)和第二电子传导层(17)，所述缓冲层(2)设置于所述第二电子传导层(17)上，所述第二电子传导层(17)上与所述缓冲层(2)相配合的表面部分地暴露于所述缓冲层(2)外，且与所述叠加层(3)接触并电连接。

10.根据权利要求1,2,4,7,9中任一项所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述叠加层(3)上还设置有附加电池层(4)，所述附加电池层(4)为太阳能电池层，且所述附加电池层(4)的带隙宽度与所述基底电池层(1)的带隙宽度不同。

11.根据权利要求10所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，当所述基底电池层(1)为硅太阳能电池层时，所述附加电池层(4)选自铜铟镓硒太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铝镓砷太阳能电池中的一种。

12.根据权利要求10所述的太阳能电池叠层结构，其特征在于，所述附加电池层(4)的数量为多个，多个所述附加电池层(4)依次叠加设置于所述叠加层(3)上，且相邻两个所述附加电池层(4)电连接。