CN209963073U - 一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，由上至下依次设置有玻璃基材、CdTe电池多层膜结构层、透明导电串联层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、第一透明导电层和金属导线层；其中所述CdTe电池多层膜结构层由上至下依次设置有第二透明导电层、MgZnO缓冲层、CdS缓冲层、CdTe吸收层和ZnTe：Cu层。本实用新型采用CdTe及钙钛矿吸收层叠层的设计，提高CdTe钙钛矿叠层电池的效率，通过钙钛矿叠层结构，用来增加可见光波长的吸收，增加光伏电池开路电压。

Description

一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池

技术领域

本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池。

背景技术

碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池。CdTe与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的光伏电池材料，具有很高的理论效率，一直被光伏界看重，是技术上发展较快的一种薄膜太阳能电池。

传统的CdTe光伏电池膜层结构制备的沉积顺序为玻璃基材，FTO透明导电层，CdS缓冲层，CdTe吸收层，TCO窗口层，Mo金属电极层。太阳光由玻璃端入光，穿过FTO到达CdTe吸收层，再通过Mo金属电极层作为反射镜将太阳光反射进行二次吸收，但由于CdTe表面结构无法像硅基异质结(HJT)太阳能电池一样可以透过化学蚀刻的方式进行精准的金字塔型结构处理，可以有效的增加入射光于吸收层内部的反射次数，因此，在电池组件效率的提升上较为困难。

另一方面，1.5eV的CdTe吸收层仅能吸收约60％的太阳光，因此，为了进一步增加太阳光的吸收能力势必要针对CdTe由材料组成着手改善以调整能隙。然而，从材料改质的角度而言，若希望进一步的提升能隙，无非是针对阴或阳离子材料进行部分取代形成多元化合物吸收层，但往往会引起光生电流载子的复合或是界面能带的不匹配造成复合机率提升，使得组件转换效率若要进一步的提升而受到材料组成本身的限制。

钙钛矿材料具有与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构的材料，由Gustav Rose在1839年发现，后来由L.A.Perovski命名。这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的性质，在太阳能电池与OLED等等领域中广泛的被应用。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A和B是两种阳离子，X是阴离子。其中A为有机阳离子，通常为脂肪族或芳香族铵类，B为二价金属阳离子，例如为Ge2+、Sn2+、Pb2+…等，X则为卤素阴离子(Cl-、Br-、I-)。通过材料组成的控制可以使能隙在1.7-2.3eV之间调整，非常适合作为太阳能电池的吸收层使用，也因此，发展出以钙钛矿材料为吸收层的薄膜型太阳能电池，历经近十年的发展该太阳能电池的转换效率目前已经能够达到23％以上，同时具有低成本的发展优势。

随着薄膜技术不断的进步，薄膜太阳能电池的发展趋势也逐渐走向梯度能隙的设计，通过不同能隙吸收相对应的太阳光波长尽可能的将吸收的太阳光产生更多的光生电流以提高组件效率。因此，以钙钛矿太阳能电池作为不同太阳光谱波段的吸收，用以叠层组件是最为适合的，并且在迭层组件的光电转换效率的提升上，具有极高的发展潜力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，由上至下依次设置有玻璃基材、CdTe电池多层膜结构层、透明导电串联层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、第一透明导电层和金属导线层；

其中所述CdTe电池多层膜结构层由上至下依次设置有第二透明导电层、MgZnO缓冲层、CdS缓冲层、CdTe吸收层和ZnTe：Cu层。

优选的，所述CdTe电池多层膜结构层的厚度为300nm-600nm；

所述第二透明导电层采用真空物理性沉积制备；

所述MgZnO缓冲层采用真空物理沉积方式制备；

所述CdS缓冲层采用真空物理沉积方式制备；

所述CdTe吸收层采用真空蒸发沉积方式制备；

所述ZnTe：Cu层采用真空溅镀设备沉积制备。

优选的，所述透明导电串联层的厚度为30nm-200nm；

所述透明导电串联层采用真空物理性沉积方式制备。

优选的，所述电子传输层的厚度为10nm-100nm；

所述电子传输层采用真空物理性沉积方式制备。

优选的，所述钙钛矿吸收层的能隙为1.7eV-2.3eV，其厚度为100nm-1000nm。

优选的，所述空穴传输层的厚度为10nm-100nm。

优选的，所述第一透明导电层的厚度为50nm-600nm。

优选的，所述金属导线层为丝印银金属线路。

有益效果：

(1)本实用新型的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，采用CdTe及钙钛矿吸收层叠层的设计，提高CdTe钙钛矿叠层电池的效率，通过钙钛矿叠层结构，用来增加可见光波长的吸收，增加光伏电池开路电压。

(2)本实用新型的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，双面入光设计，可以提高光子吸收的机率，有助于提高短路电流，在两者同时提升的状况下，能有效提升光伏电池的效率。由于双面入光可使吸收层更有效的吸光发电，除了有助于在光伏电池效率方面的大幅提高之外,同时增加组件的发电量，有利于市场的推广及产品的普及。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图中：1-玻璃基材，2-CdTe电池多层膜结构层，21-第二透明导电层，22-MgZnO缓冲层，23-CdS缓冲层，24-CdTe吸收层，25-ZnTe：Cu层，3-透明导电串联层，4-电子传输层，5-钙钛矿吸收层，6-空穴传输层，7-第一透明导电层，8-金属导线层。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

如图1所示，一种新型高效率双面入光CdTe(碲化镉)钙钛矿叠层光伏电池，由上至下依次设置有玻璃基材1、CdTe(碲化镉)电池多层膜结构层2、透明导电串联层3、电子传输层4、钙钛矿吸收层5、空穴传输层6、第一透明导电层7和金属导线层8；

其中所述CdTe(碲化镉)电池多层膜结构层2由上至下依次设置有第二透明导电层21、MgZnO(氧化镁锌)缓冲层22、CdS(硫化镉)缓冲层23、CdTe(碲化镉)吸收层24和ZnTe：Cu(碲化锌：铜)层25。

CdTe(碲化镉)电池多层膜结构层2在镀膜前，玻璃基材1需要进行清洗处理和干燥。以真空物理溅镀制备FTO透明导电层。溅镀腔体背景压力抽至5×10^-5～9×10^-5torr后，利用氩气当作工作气体，透过节流阀通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为3×10^-3torr，以脉冲直流电源沉积，厚度600nm。再以真空物理溅镀沉积MgZnO(氧化镁锌)缓冲层22和CdS(硫化镉)缓冲层23,溅镀腔体背景压力抽至5×10^-5～9×10^-5torr后，利用氩气当作工作气体，透过节流阀通入氩气控制溅镀腔体的工作压力为3×10^-3～20×10^-3torr沉积厚度为10-100nm。物理真空蒸镀沉积CdTe(碲化镉)吸收层，将坩埚放置于蒸镀腔体中，坩埚中各别放置纯度大于99.99％的镉元素和碲元素，用真空抽气系统将蒸镀腔体的背景压力抽至6×10^-6torr；然后将镉元素存放的坩埚加热至约650℃-750℃，将碲元素存放的坩埚加热至700℃-900℃，使镉元素和碲元素以蒸汽的形式相互混合聚集之后,沉积到基板上，基板温度为450-560℃，形成厚度为1-6μm的CdTe(碲化镉)吸收层。接下来针对CdTe(碲化镉)吸收层进行CdCl(氯化镉)表面活化处理，于真空腔体中通入Ar+CHF2Cl气体于环境温度400℃下，退火20-120分钟；使用真空溅镀设备沉积制备ZnTe：Cu(碲化锌：铜)层25，厚度为30-200nm并且于300-400℃快速退火30-120sec。

透明导电串联层3使用真空离子蒸发沉积设备(IED)，腔体背景压力抽至抽至5×10^-6～7×10^-6torr后，直接蒸镀氧化铟锡(ITO)、氧化铟锡锌(IZTO)、氧化锌铝(AZO)、氧化锌铝镓(GAZO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(IZTO)、氧化铟铈(ICO)或氧化铟钨(IWO)等材料沉积于CdTe电池多层膜结构层1上面，厚度为30-200nm厚，从而完成透明导电膜串联层的镀制，电阻率小于6×10^-4Ωcm。

所述电子传输层4使用真空蒸发沉积设备(IED)，腔体背景压力抽至抽至5×10^-6～7×10^-6torr后，直接蒸镀氧化锌镁(ZnMgO)、氧化锌锡(ZTO)，氧化钛(TiO2)，氧化铝(Al2O3)或是氧化锡(SnO2)等材料制备薄膜沉积于透明导电串联层3上，其厚度为10-100nm。

所述钙钛矿吸收层5使用热蒸发方式制作钙钛矿吸收层；用真空抽气系统将蒸镀腔体的背景压力抽至6×10^-6torr；然后将钙钛矿元素材料存放于坩埚中，加热至约200℃-900℃，使钙钛矿元素材料蒸发以蒸汽的形式相互混合汇集之后,沉积到基板上，基板温度<350℃，形成厚度为为100-1000nm的钙钛矿吸收层沉积于电子传输层4上。

所述空穴传输层6真空蒸发沉积设备(IED)制备氧化镍(NiO)、铜铝氧化物(CuAlO)或是缌铜氧化物(SrCuO)等材料薄膜层，其厚度为10-100nm。

所述第一透明导电层7使用真空蒸发沉积设备(IED)，直接蒸度氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝(AZO)、氧化锌铝镓(GAZO)，氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(IZTO)、氧化铟钨(IWO)，或是氧化铟钛(ITiO)等材料作为透明导电膜层，其厚度为50-600nm，可见光透光性为82％以上，电阻率小于6×10^-4Ωcm。

所述金属导线层8为丝印银金属线路，电阻率小于6×10^-6Ωcm，以低温银胶为材料，以网印机网印银金属线路在第一透明导电层7的上面，然后进行180℃烘干处里，从而完成金属导线层8的制作。

本实用新型的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，采用CdTe及钙钛矿吸收层叠层的设计，提高CdTe钙钛矿叠层电池的效率，通过钙钛矿叠层结构，用来增加可见光波长的吸收，增加光伏电池开路电压。

本实用新型的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，双面入光设计，可以提高光子吸收的机率，有助于提高短路电流，在两者同时提升的状况下，能有效提升光伏电池的效率。由于双面入光可使吸收层更有效的吸光发电，除了有助于在光伏电池效率方面的大幅提高之外,同时增加组件的发电量，有利于市场的推广及产品的普及。

以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新型并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本实用新型范围内。

Claims (8)

1.一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

由上至下依次设置有玻璃基材(1)、CdTe电池多层膜结构层(2)、透明导电串联层(3)、电子传输层(4)、钙钛矿吸收层(5)、空穴传输层(6)、第一透明导电层(7)和金属导线层(8)；

其中所述CdTe电池多层膜结构层(2)由上至下依次设置有第二透明导电层(21)、MgZnO缓冲层(22)、CdS缓冲层(23)、CdTe吸收层(24)和ZnTe：Cu层(25)。

2.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述CdTe电池多层膜结构层(2)的厚度为300nm-600nm；

所述第二透明导电层(21)采用真空物理性沉积制备；

所述MgZnO缓冲层(22)采用真空物理沉积方式制备；

所述CdS缓冲层(23)采用真空物理沉积方式制备；

所述CdTe吸收层(24)采用真空蒸发沉积方式制备；

所述ZnTe：Cu层(25)采用真空溅镀设备沉积制备。

3.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述透明导电串联层(3)的厚度为30nm-200nm；

所述透明导电串联层(3)采用真空物理性沉积方式制备。

4.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述电子传输层(4)的厚度为10nm-100nm；

所述电子传输层(4)采用真空物理性沉积方式制备。

5.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述钙钛矿吸收层(5)的能隙为1.7eV-2.3eV，其厚度为100nm-1000nm。

6.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述空穴传输层(6)的厚度为10nm-100nm。

7.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述第一透明导电层(7)的厚度为50nm-600nm。

8.根据权利要求1所述的一种新型高效率双面入光CdTe钙钛矿叠层光伏电池，其特征在于：

所述金属导线层(8)为丝印银金属线路。

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