CN218735823U - 一种钙钛矿/硅叠层太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种钙钛矿/硅叠层太阳电池，它包括硅电池、设于硅电池上方且电流大于硅电池无背散射光电流的钙钛矿电池以及连接钙钛矿电池和硅电池的中间连接结构。本实用新型的目的在于提供一种钙钛矿/硅叠层太阳电池，通过调节钙钛矿电池和硅电池的电流，使钙钛矿电池的电流高于硅电池的电流，从而利用底电池双面发电的效率增益，提升叠层电池转换效率和实际发电量。
Description
技术领域
本实用新型属于太阳电池领域，具体涉及一种钙钛矿/硅叠层太阳电池。
背景技术
由于太阳光光谱具有较宽的能量分布，现有的单结太阳能电池受其吸收层材料的能带隙所限，只能吸收一部分太阳光光子，无法最大化利用太阳光光谱。被吸收的太阳光在光生伏特效应下转换成电能，而吸收层材料能带隙外的太阳光则被背电极金属吸收转化成热能或导致材料自身发热，无法变成有效的电能，因此单结太阳能电池的理论转换效率一般较低，现有的单结光伏技术将达到极限，难以跨越28％转换效率的大槛，要想进一步突破，只有利用双叠层甚至三叠层架构。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最佳匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料的顶层电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料的底层电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种钙钛矿/硅叠层太阳电池，通过调节钙钛矿电池和硅电池的电流，使钙钛矿电池的电流高于硅电池的电流，从而利用底电池双面发电的效率增益，提升叠层电池转换效率和实际发电量。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
一种钙钛矿/硅叠层太阳电池，它包括硅电池、设于硅电池上方且电流大于硅电池无背散射光电流的钙钛矿电池以及连接钙钛矿电池和硅电池的中间连接结构。
较之现有技术而言，本实用新型的优点在于：
1.本实用新型，依据硅电池的背面反射光对电流的加成效果，通过调节钙钛矿电池和硅电池的电流，使钙钛矿电池的电流高于硅电池的电流，从而提高其实际光电转换效率。
2.通过钙钛矿电池和硅电池电流调节设计，防止硅电池电流注入钙钛矿电池，避免大电流引起的钙钛矿电池稳定性下降的问题，从而提高叠层电池的稳定性。
附图说明
图1是本实用新型一叠层太阳能电池的实施例结构示意图。
图2是本实用新型一叠层太阳能电池的实施例结构示意图。
图3是本实用新型一叠层太阳能电池的实施例结构示意图。
图4是本实用新型一叠层太阳能电池的实施例结构示意图。
图5是本实用新型一叠层太阳能电池的实施例结构示意图。
具体实施方式
一种钙钛矿/硅叠层太阳电池，它包括硅电池、设于硅电池上方且电流大于硅电池无背散射光电流的钙钛矿电池以及连接钙钛矿电池和硅电池的中间连接结构。
所述中间连接结构为透明导电膜层或微晶硅薄膜层或多晶硅薄膜层。所述中间连接结构为ITO层、NiO层、N型氢化含氧微晶硅(μc-SiOx:H)层或P型氢化含氧微晶硅(μc-SiOx:H)层。
所述硅电池为双面硅电池，所述双面硅电池为硅异质结电池、TOPCon电池或PERC电池。
所述硅异质结电池包括由上到下依次叠设的P型或N型掺杂硅基薄膜、本征非晶硅薄膜、硅片、本征非晶硅薄膜、P型掺杂非晶硅薄膜、透明导电薄膜以及金属电极；或者，所述硅异质结电池包括由上到下依次叠设的透明导电层、N型掺杂硅基薄膜、本征非晶硅薄膜、硅片、本征非晶硅薄膜、P型掺杂非晶硅薄膜、透明导电薄膜以及金属电极。
所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅薄膜层、N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极；或者，所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的透明导电层、N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极；或者，所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅薄膜层、N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极；或者，所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的透明导电层、N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极；
所述PERC电池包括由上到下依次叠设的透明导电层、N型发射结层、P型单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极；或者，所述PERC电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅层、N型发射结层、P型单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极。
所述PERC和TOPCon结构融合电池包括由上到下依次叠设的N型发射结层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极，或者，所述PERC和TOPCon结构融合电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅层、N型发射结层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极。
所述钙钛矿电池为电流高于硅电池无背散射光电流不超过20％的钙钛矿电池。
所述钙钛矿电池包括光学带隙为1.60eV-1.80eV的钙钛矿吸收层。
所述钙钛矿吸收层的厚度为300-1000nm，其组分为MA(1-x-y)FAxCsyPbI(3-3x)Br3y(0≤x，y≤1)的钙钛矿层。
所述钙钛矿电池采用PIN结构，包括由上到下依次叠设的金属电极、透明导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层以及空穴传输层。
如图1所示钙钛矿/硅叠层太阳电池，其从底面到顶面依次包括金属栅线电极106、ITO透明导电膜层006、P型非晶硅层005、本征非晶硅层004、N型单晶硅片001、本征非晶硅层002、N型微晶硅氧层003、P型微晶硅氧层007、空穴传输层101、钙钛矿吸收层102、电子传输层103、透明导电膜层104、金属栅线电极105。
如图2所示钙钛矿/硅叠层太阳电池，其从底面到顶面依次包括金属栅线电极106、SiNx钝化层206、P型掺杂多晶硅薄膜205、氧化硅钝化层204、N型单晶硅片或P型单晶硅片201、氧化硅钝化层202、N型掺杂多晶硅薄膜203、透明导电膜ITO膜层或N型掺杂多晶硅薄膜207、空穴传输层101、钙钛矿吸收层102、电子传输层103、透明导电膜层104、金属栅线电极105。
如图3所示钙钛矿/硅叠层太阳电池，其从底面到顶面依次包括金属栅线电极106、SiNx薄膜305、氧化铝钝化层304、N型单晶硅片301、氧化硅钝化层302、N型多晶硅层303、透明导电膜ITO膜层或P型掺杂多晶硅薄膜307、空穴传输层101、钙钛矿吸收层102、电子传输层103、透明导电膜层104、金属栅线电极105。
如图4所示钙钛矿/硅叠层太阳电池，其从底面到顶面依次包括金属栅线电极106、SiNx薄膜404、氧化铝钝化层403、P型单晶硅片401、N型发射结402、透明导电膜ITO膜层或P型掺杂多晶硅薄膜405、空穴传输层101、钙钛矿吸收层102、电子传输层103、透明导电膜层104、金属栅线电极105。
如图5所示钙钛矿/硅叠层太阳电池，其从底面到顶面依次包括金属栅线电极106、SiNx层505、P型多晶硅薄膜层504、氧化硅钝化层503、N型单晶硅片501、N型发射结层502、透明导电膜ITO膜层507、空穴传输层101、钙钛矿吸收层102、电子传输层103、透明导电膜层104、金属栅线电极105。
一种钙钛矿/硅叠层太阳电池的制备方法，在硅电池上方通过中间连接结构叠设串联钙钛矿电池；根据钙钛矿电池的电流或硅电池无背散射光的电流，调整硅电池无背散射光的电流或钙钛矿电池的电流，使钙钛矿电池的电流大于硅电池无背散射光的电流。
所述钙钛矿电池的电流高于硅电池无背散射光电流不超过20％。
所述钙钛矿电池的制作包括钙钛矿吸收层的制作，钙钛矿吸收层组分为MA(1-x-y)FAxCsyPbI(3-3x)Br3y(0≤x，y≤1)，通过调整MA、FA与Cs的组成成分比率、I与Br的组成成分比率来改变钙钛矿层光学带隙，使光学带隙调整为1.60eV-1.80eV。
所述钙钛矿吸收层的制作工艺为，采用狭缝涂布技术在待制作钙钛矿吸收层的表面涂布钙钛矿层，涂布后通过100-200℃、10-60分钟退火干燥，形成厚度为300-1000nm的钙钛矿层；或者，采用真空蒸镀法和狭缝涂布结合的方法在待制作钙钛矿吸收层的表面制作钙钛矿层，涂布后100-200℃、10-60分钟退火结晶成形，形成厚度为300-1000nm的钙钛矿层。
本实用新型的目的是提供一种钙钛矿/硅叠层电池结构设计原则，针对底层硅太阳电池双面率不同，背面入射光引起的电流增益不同，调节钙钛矿组分和厚度，从而实现钙钛矿/硅叠层电池电流匹配，转换效率达到最大值。
实施例：
本实施例的太阳能电池为钙钛矿和硅异质结太阳电池组成的叠层电池，从底面至顶面依次包括20μm厚的银、110nm厚的ITO、5nm厚的p型掺杂非晶硅、5nm厚的本征非晶硅、160μm厚的n型单晶硅片、5nm厚的本征非晶硅、5nm厚的n型掺杂微晶硅氧、20nm厚的ITO、20nm厚的NiO、400nm的钙钛矿、40nm的PCBM、10nm的SnO2、110nm的ITO以及20μm的银栅线。
其制备方法具体包括以下步骤：
S1.使用电阻率为1-5Ω·cm的n型(100)面直拉单晶硅片，硅片厚度为170μm。用KOH溶液对硅片正面清洗制绒，其中所用的添加剂为K2SiO3和IPA，制绒温度为80-83℃，制绒时间为10-15min。制绒后采用RCA清洗步骤，除去表面的有机物和金属污染物。
S2.制绒后采用等离子体化学气相沉积(PECVD)依次在正、背面制备各制备一层5nm厚的本征非晶硅薄膜，背面制备一层5nm厚的p型掺杂非晶硅薄膜，正面制备5nm厚的n型掺杂微晶硅氧薄膜。沉积温度不超过250℃。
S3.采用磁控溅射法在背面制备一层ITO薄膜,薄膜厚度110nm；在正面溅射一层ITO薄膜,薄膜厚度20nm。
S4.在ITO上溅射一层NiO薄膜作为空穴传输层，薄膜厚度为20nm。
S5.采用共蒸发法制备一层碘化铅/溴化铯混合层，厚度约为200nm。
S6.在碘化铅/溴化铯混合层上继续旋涂FAI/FABr/MACl混合溶液：该混合溶液在IPA溶剂中的浓度分别为80、10、10、17mg/ml，旋涂转速为3000转每分钟。旋涂完毕在160℃下加热20min，获得厚度约为400nm的钙钛矿光活性层。其中钙钛矿吸收层的光学带隙为1.59eV。
S10.在钙钛矿层上蒸镀C60薄膜，薄膜厚度为10nm。
S11.在C60上面通过ALD制备一层10nm的SnO2薄膜，作为保护层材料；制备参数如下：PM H2O：30±20slm；沉积时间150s；温度100±5℃；气压：6±2mba；
S12.在SnO2上溅射一层ITO薄膜作为透明导电薄膜，薄膜厚度为110nm；
S13.在电池正背面印刷银栅线，在150度下烧结退火30分钟，完成钙钛矿/硅异质结叠层电池制备。
S14.钙钛矿/硅异质结叠层电池量子效率测量，其中钙钛矿电池贡献22mA/cm2的电流，硅异质结底电池贡献18mA/cm2的电流；在硅异质结电池背面有光入射时，电流密度增加20％，可以达到22mA/cm2的电流密度，与正面电池电流密度正好相等，从而获得22mA/cm2的电流密度；硅异质结电池贡献0.73V的开路电压，钙钛矿电池贡献1.07V的开路电压，总开路电压为1.8V；填充因子为0.78，则叠层电池的效率为30.89％。相对应地，若按照一般叠层电池电流匹配的思路，钙钛矿和硅异质结电池各贡献20mA/cm2的电流，电压和填充因子不变，则电池效率只有28.08％。
使用硅电池作为底层电池是双叠层的最佳选择：1)硅电池是光伏产业的主流产品；2)叠层电池是由两个子电池串联而成，硅电池具有较高的开路电压，从而使叠层电池的开路电压得己提升，达到提高太阳电池的转换效率；3)硅电池可制备为双面结构，背面的散射光可以用来增加底层电池的电流。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：它包括硅电池、设于硅电池上方且电流大于硅电池无背散射光电流的钙钛矿电池以及连接钙钛矿电池和硅电池的中间连接结构。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述中间连接结构为透明导电膜层或微晶硅薄膜层或多晶硅薄膜层。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述硅电池为双面硅电池，所述双面硅电池为硅异质结电池、TOPCon电池或PERC电池中的一种或两种以上融合的结构。
4.根据权利要求3所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述硅异质结电池包括由上到下依次叠设的P型或N型掺杂硅基薄膜、本征非晶硅薄膜、硅片、本征非晶硅薄膜、P型掺杂非晶硅薄膜、透明导电薄膜以及金属电极，或者，所述硅异质结电池包括由上到下依次叠设的N型掺杂硅基薄膜、本征非晶硅薄膜、硅片、本征非晶硅薄膜、P型掺杂非晶硅薄膜、透明导电薄膜以及金属电极；
所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅薄膜层、N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极，或者，所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极，或者，所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅薄膜层、N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极，或者，所述TOPCon电池包括由上到下依次叠设的N型多晶硅薄膜层、氧化硅钝化层、单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极；
所述PERC电池包括由上到下依次叠设的N型发射结层、P型单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极，或者，所述PERC电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅层、N型发射结层、P型单晶硅片、氧化铝钝化层、SiNx钝化层以及金属电极；
所述PERC和TOPCon结构融合电池包括由上到下依次叠设的N型发射结层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极，或者，所述PERC和TOPCon结构融合电池包括由上到下依次叠设的P型多晶硅层、N型发射结层、单晶硅片、氧化硅钝化层、P型多晶硅薄膜层、SiNx钝化层以及金属电极。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述钙钛矿电池为电流高于硅电池无背散射光电流不超过20％的钙钛矿电池。
6.根据权利要求5所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述钙钛矿电池包括光学带隙为1.60eV-1.80eV的钙钛矿吸收层。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述钙钛矿吸收层的厚度为300-1000nm。
8.根据权利要求6或7所述的钙钛矿/硅叠层太阳电池，其特征在于：所述钙钛矿电池采用PIN结构，包括由上到下依次叠设的金属电极、透明导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层以及空穴传输层。
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