光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明公开了一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池及其制备方法。该光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池包括采用异质结晶硅太阳能电池作为底电池、隧穿层以及基于pin结构(倒置结构)的钙钛矿太阳能电池作为顶电池。该两端叠层太阳能电池的结构从下往上依次包括金属底电极、透明导电层、p型非晶硅层、本征非晶硅层、晶硅、本征非晶硅层、n型非晶硅层、隧穿层、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、顶电极缓冲层、透明电极、金属栅线电极、减反层。本发明的叠层太阳能电池及其制备方法基于高效率异质结太阳电池制备，制备工艺简单，成本低廉、光转换效率高，非常具有大规模商业化前景。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，涉及一种叠层太阳能电池，具体涉及一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前太阳能行业发展蓬勃、主要的光伏产品为晶硅太阳能电池，目前量产效率超过22％，而实验室中的硅太阳能电池记录为26.7％，已经接近单结硅效率的SQ理论极限30％。为了能够进一步的减低光伏Balance of System(BOS)成本，需要进一步开发成本低廉的并且效率更高的光伏太阳能电池技术。二端叠层太阳能电池为进一步提高单结硅太阳能的效率提供了一条优选的技术路径。钙钛矿太阳能电池由于其禁带宽度可调，制备工艺简单，成本低等诸多优点，使得钙钛矿叠加于硅太阳能电池上制备超高高效率二端太阳能成为可能。

发明内容

本发明提供了一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池及其制备方法，旨在解决上述问题。

根据本申请实施例提供的一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池，包括异质结硅太阳能电池作为底电池、隧穿层以及基于pin结构(倒置结构)的钙钛矿太阳能电池的顶电池；所述异质结硅太阳能电池的结构从下往上依次包括金属底电极、透明导电层、p型非晶硅层、本征非晶硅层1、晶硅、本征非晶硅层2、n型非晶硅层。

优选地，所述基于pin结构(倒置结构)的钙钛矿太阳能电池的顶电池，其结构从下往上依次为空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、顶电极缓冲层、透明电极、金属栅线电极、减反层。

优选地，所述隧穿层至少包括ITO、IZO、AZO、In2O3、Ag纳米线、石墨烯、导电金属(金、银、铝或铜)中的任一种或多种的组合。

优选地，所述晶硅包括p型硅或n型硅中的任一种，所述p型硅的电阻率为0.1-20ohm·cm，厚度为100-800μm，所述n型硅的电阻率为0.1-20ohm·cm，厚度为100-800μm，所述晶硅背表面为绒面结构或金刚线切割后表面结构，前表面为金字塔绒面结构、金刚线切割后表面结构或者抛光结构。

优选地，所述透明导电层至少包括ITO或AZO；所述p型非晶硅层的厚度为0-100nm；所述本征非晶硅层1厚度为0-100nm；所述本征非晶硅层2厚度为0-100nm；所述n型非晶硅层厚度为0-100nm。

优选地，所述空穴传输层包括PTAA、P3HT、Poly-TPD、NiOx、V2O5、MoOx、PEDOT:PSS、WOx、Spiro-OMeTAD、CuSCN、Cu2O、、m-MTDATA CuI、Spiro-TTB、F4-TCNQ、F6-TCNNQ或TAPC中的一种或多种的组合，厚度为0-500nm。

优选地，所述钙钛矿吸光层通式为ABX3，其中A为一价阳离子，所述A包括但不限于锂(Li)，钠(Na)，钾(K)，铯(Cs)、铷(Rb)、胺基或者脒基中的任一种，所述B为二价阳离子：包括但不限于铅(Pb)、锡(Sn)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、镓(Ga)、硒(Se)、铑(Rh)、锗(Ge)、砷(As)、钯(Pd)、银(Ag)、金(Au)、铟(In)、锑(Sb)、汞(Hg)、铱(Ir)、铊(TI)、铋(Bi)中的任一种，所述X为一价阴离子：包括但不限于碘(I)、溴(Br)、氯(Cl)或砹(At)中的任一种。

优选地，所述钙钛矿吸光层中钙钛矿成分为Cs0.05FA0.80MA0.15PbI2.55Br0.45，其中Cs是铯，FA是甲脒基，MA是甲胺基，I是碘，所述钙钛矿吸光层中吸光层的厚度在0.05-30μm。

优选地，所述电子传输层包括SnO2、TiO2、ZnO、ZrO2、富勒烯及衍生物(C60，C70，PCBM)、TiSnOx或SnZnOx中的至少一种；所述顶电极缓冲层包括SnO2,In2O3、V2O5、MoOx、Ag、Au、Cu、SnO2、ZnO、TiO2、Al2O3、SiO2、Si3N4、PMMA、PEIE、微晶硅或者非晶硅中的至少一种；所述透明电极为ITO、IZO、AZO、石墨烯、包括但不限于Ag、Au、Cu或者Al金属纳米线中的至少一种。

为了解决上述技术问题，提供一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池的制备方法，制备上述的光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池，包括以下步骤：

在硅片表面进行制绒；

对晶体硅进行本征非晶硅层1、本征非晶硅层2、p型非晶硅层、n型非晶硅层的沉积制备；

在镀有p型非晶层所在的表面进行透明导电层的沉积；

在所得透明电极上制备底电池金属底电极；

在n型非晶硅层表面制备隧穿层；

在隧穿层上制备空穴传输层；

在电子传输层上制备钙钛矿吸收层；

在钙钛矿吸收层上制备电子传输层；

在电子传输层上沉积顶电极缓冲层；

在顶电极缓冲层上制备透明电极；

在透明电极上制备金属栅线电极；

制备减反层。

本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请设计了一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池及其制备方法，采用了高效率的异质结晶体硅的底电池和基于pin结构的钙钛矿太阳能电池的顶电池，可以获得光电效率高于目前商业化太阳能电池所达到的水平，使得太阳能电池成本低廉，减低光伏系统BOS成本，提高产业化应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明实施例的光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池的制备方法流程图。

标号说明:

100、光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池；10、异质结硅太阳能电池；20、基于pin结构的钙钛矿太阳能电池；101、金属底电极；102、透明导电层；103、p型非晶硅层；104、本征非晶硅层(1)；105、晶硅；106、本征非晶硅层(2)；107、n型非晶硅层；108、隧穿层；109、空穴传输层；110、钙钛矿吸光层；111、电子传输层；112、顶电极缓冲层；113、透明电极；114、金属栅线电极；115、减反层；200、光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100的制备方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本发明公开了一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100，所述光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100包括作为底电池的异质结硅太阳能电池10、隧穿层108以及作为顶电池的基于pin结构(倒置结构)的钙钛矿太阳能电池20；所述异质结硅太阳能电池10的结构从下往上依次包括金属底电极101、透明导电层102、p型非晶硅层103、本征非晶硅层(1)104、晶硅105、本征非晶硅层(2)106、n型非晶硅层107。

本申请设计了一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100，采用了高效率的异质结硅太阳能电池10的底电池和基于pin结构的钙钛矿太阳能电池20的顶电池，使得太阳能电池成本低廉，减低光伏系统BOS成本，提高产业化应用前景。

所述金属底电极101为铝、银、钛、钯、镍、铬或者铜中的一种或几种，其厚度为1-2000μm。

所述透明导电层102至少包括ITO或AZO，其厚度为0-200nm。

所述p型非晶硅层103的厚度为0-50nm；

所述本征非晶硅层(1)104厚度为0-50nm；

所述晶硅105包括p型硅或者n型硅中的任一种，所述p型硅的电阻率为0.1-20ohm·cm，其厚度为100-800μm，所述n型硅的电阻率为0.1-20ohm·cm，其厚度为100-800μm，所述晶硅105背表面为绒面结构或金刚线切割后表面结构，前表面为金字塔绒面结构、金刚线切割后表面结构或者抛光结构。

所述本征非晶硅层(2)106厚度为0-50nm；

所述n型非晶硅层107厚度为0-50nm。

所述隧穿层108包括ITO、IZO、AZO、In

所述空穴传输层109包括PTAA、P

所述钙钛矿吸光层110通式为ABX

所述电子传输层111包括SnO

所述顶电极缓冲层112为SnO

所述透明电极113为ITO、IZO、AZO、石墨烯、包括但不限于Ag、Au、Cu或者Al金属纳米线中的一种或几种，其厚度为0-500nm。

所述金属栅线电极114为Au，Ag，Cu或者Al金属电极中的一种或几种，其厚度为0-20μm。

所述减反层115包括LiF、MgF

请参阅图2，本申请还提出一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100的制备方法200，其包括以下步骤：

S1:在硅片表面进行制绒。

具体的：采用但不限于碱性溶液对晶硅105表面进行制绒。

S2:对晶体硅进行本征非晶硅层1、本征非晶硅层2、p型非晶硅层、n型非晶硅层的沉积制备。

具体的：采用但不限于PECVD对晶体硅进行本征非晶硅层(1)104、本征非晶硅层(2)106、p型非晶硅层103、n型非晶硅层107的沉积制备。

S3:在镀有p型非晶层所在的表面进行透明导电层的沉积。

具体的：采用但不限于磁控溅射对步骤2所得镀有p型非晶硅层103所在的表面进行透明导电层102的沉积

S4:在所得透明电极上制备底电池金属底电极。

具体的：采用但不限于蒸镀，印刷或者电镀方法在步骤3所得透明电极上制备底电池金属底电极101。

S5:在n型非晶硅层表面制备隧穿层。

具体的：采用但不限于热生长，原子沉积(ALD)，磁控溅射法，热蒸发或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅发射钝化层上制备隧穿层108。

S6:在隧穿层上制备空穴传输层。

具体的：采用但不限于旋涂，蒸镀，溅射，喷涂，热喷雾分解，刮涂，印刷或狭缝涂方法在隧穿层上制备空穴传输层109。

S7:在电子传输层上制备钙钛矿吸收层。

具体的：采用但不限于旋涂，蒸镀，溅射，喷涂，热喷雾分解，刮涂，印刷或狭缝涂方法在电子传输层上制备钙钛矿吸光层110。

S8:在钙钛矿吸收层上制备电子传输层。

具体的：采用但不限于旋涂，蒸镀，溅射，喷涂，热喷雾分解，刮涂，印刷或狭缝涂方法在钙钛矿吸收层上制备电子传输层111。

S9:在电子传输层上沉积顶电极缓冲层。

具体的：在电子传输层上沉积顶电极缓冲层112；采用但不限于溅射，原子沉积(ALD)或蒸镀方法制备V

S10:在顶电极缓冲层上制备透明电极。

具体的：采用但不限于溅射，原子沉积(ALD)或蒸镀方法制备在顶电极缓冲层上制备透明电极113。

S11:在透明电极上制备金属栅线电极。

具体的：采用但不限于蒸镀，印刷或者电镀方法在透明电极上制备金属栅线电极114。

S12:制备减反层。

具体的：采用但不限于蒸镀，溅射或原子沉积(ALD)的方法制备减反层115，完成光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池制备。

在一个可选的实施例中，采用银电极/ITO/p型非晶Si:H层/本征非晶Si:H层/P型硅/本征非晶Si:H层/n型非晶Si:H层/In

具体制备工艺如下：

采用悬浮区熔法制备的电阻率在1-5ohm-cm的300um晶硅105；所述晶硅105为p型硅片；采用碱在p型硅片背面制绒后；对p型硅片的两面分别用PECVD方法制备数纳米的本征非晶硅层(1)104、本征非晶硅层(2)106、p型非晶硅层103、n型非晶硅层107；采用磁控溅射在p型非晶硅层103的表面制备120nm的透明导电层102；在透明导电层102表面蒸镀2微米的银电极制备金属底电极101；硅片前表面通过溅射制备40nm的In2O3作为隧穿层108，再用臭氧处理隧穿层108表面后在硅片前表面直接旋涂Poly-TPD溶液后退火获得空穴传输层109；用一步法制备组分为CsFAMAPbBr的钙钛矿吸光层110，厚度为500nm；采用蒸镀法制备25nmC60电子传输层111；及7nm顶电极缓冲层112，该顶电极缓冲层112为BCP缓冲层；直接镀8nm的铜透明导电膜形成透明电极113。金属栅线电极114以及减反层115厚度均为0。通过IV性能测试，叠层太阳能电池器件获得了1.83V的开路电压以及19.5％的光电转换效率。

在一个可选的实施例中，采用银电极/ITO/p型非晶Si:H层/本征非晶Si:H层/N型硅/本征非晶Si:H层/n型非晶Si:H层/ITO/NiO:PTAA/钙钛矿/SnO2/ITO/Ag金属珊线/MgF2减反层结构制备光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池。

具体制备工艺如下：

采用悬浮区熔法制备的电阻率在1-5ohm-cm的260um晶硅105；所述晶硅105为n型硅片；采用碱在n型硅片背面制绒后；对n型硅片的两面分别用PECVD方法制备数纳米的本征非晶硅层(1)104、本征非晶硅层(2)106、p型非晶硅层103、n型非晶硅层107；采用磁控溅射在p型非晶硅层103的表面制备120nm的透明导电层102；在透明导电层102表面蒸镀2微米的银电极制备金属底电极101；硅片前表面通过溅射制备80nm ITO作为隧穿层108，隧穿层108表面后在硅片前表面溅射15nm NiO后再再用臭氧处理表面直接旋涂PTAA溶液后退火获得NiO:PTAA的空穴传输层109；用一步法制备组分为CsFAMAPbBr的钙钛矿吸光层110，厚度为500nm；采用蒸镀法制备25nm C60电子传输层111；采用ALD方法制备5nm SnO2的顶电极缓冲层112；直接镀8nm的铜透明导电膜形成透明电极113。用溅射法制备150nm的金属栅线电极114，采用热蒸镀银制备银金属栅线电极114以及蒸镀120nm的MgF2减反层115最终得到光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100。通过IV性能测试，叠层太阳能电池器件获得了1.82V的开路电压以及25.67％的光电转换效率，光电转换效率效率高于市场上的硅太阳能电池效率。

本申请提出一种光转化效率高的两端钙钛矿异质结晶硅叠层太阳能电池100的制备方法200，采用了高效率的异质结硅太阳能电池10的底电池和基于pin结构的钙钛矿太阳能电池20的顶电池，使得太阳能电池成本低廉，减低光伏系统BOS成本，提高产业化应用前景。

以上所述，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。