一種疊層太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高性能、低成本的疊層太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對(duì)日益緊迫化石能源危機(jī)及全球變暖、生態(tài)環(huán)境惡化等巨大挑戰(zhàn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，創(chuàng)新發(fā)展清潔高效太陽能光伏開發(fā)和利用新技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)相追逐的目標(biāo)。太陽能電池的效率持續(xù)提高仍然是當(dāng)前甚至將來很長(zhǎng)一段時(shí)間科研界和產(chǎn)業(yè)界需要解決的最重要的太陽能電池關(guān)鍵問題。
[0003]太陽能電池發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:以硅片為基礎(chǔ)的第一代太陽能電池；基于薄膜材料的第二代太陽電池；第三代太陽電池則是當(dāng)前發(fā)展的熱點(diǎn)，具有如下條件:薄膜化，轉(zhuǎn)換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還在試驗(yàn)研宄中，已經(jīng)提出的主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。其中，疊層太陽能電池是太陽能電池發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0004]硅由于原料豐富、性能穩(wěn)定、環(huán)境友好、帶寬匹配以及與硅基微電子工藝兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前占據(jù)了全世界商用太陽電池超過90 %的市場(chǎng)份額，可以預(yù)見，硅基太陽電池仍將是未來光伏電池發(fā)展的主流。目前廣泛應(yīng)用的晶硅太陽電池主要是基于平面層狀pn結(jié)結(jié)構(gòu)。由于受Schockley-Queisser極限限制，單結(jié)晶體娃pn結(jié)電池效率理論極限僅為31%。到目前為止，實(shí)驗(yàn)室最高效率為澳大利亞新南威爾士大學(xué)報(bào)道的24.7%，實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)品的效率為17-19%。硅基薄膜電池轉(zhuǎn)換效率更低，據(jù)報(bào)道，實(shí)驗(yàn)室最好水平只有14.6%，穩(wěn)定后達(dá)到13%。由于受理論極限值的限制，傳統(tǒng)單結(jié)硅基太陽電池的轉(zhuǎn)換效率不可能再有大幅度提尚。
[0005]疊層太陽能電池(tandem solar cell)，也稱為多結(jié)太陽能電池(multi junct1nsolar cell)，是一種效率較高的太陽能電池結(jié)構(gòu)，把太陽能光譜分成幾個(gè)波段，每一層電池分別吸收不同波段的入射光，不但能夠利用太陽能光譜中350— SOOnm的可見光波段，還可以吸收1000nm-2400nm的紅外波段，最大限度地提高了轉(zhuǎn)換效率。疊層電池的數(shù)個(gè)p_n結(jié)，帶隙各不相同，藍(lán)紫光這樣高能量的光子經(jīng)過第一個(gè)p-n結(jié)，產(chǎn)生了載流子后，會(huì)有一部分載流子復(fù)合，發(fā)射紅光或紅外光這樣的低能量光子。為了充分利用這些低能量的光子，疊層電池的結(jié)構(gòu)中，較大帶隙的P-n結(jié)制備在頂端，先吸收太陽能光，較小帶隙的p-n結(jié)制備在底端。通過增加不同帶隙的P-n結(jié)，轉(zhuǎn)換效率有明顯提高。
[0006]雖然存在多結(jié)的理論可能，如圖1所示，但是由于其晶格匹配問題，一直難于找到與Si匹配且?guī)逗线m的半導(dǎo)體材料。Si附近缺少晶格匹配以及能帶合適的半導(dǎo)體材料。而最常見的疊層太陽能電池為Ge/GaAs/InGaP，可以在圖中看到其具有非常好的晶格匹配。
[0007]第二代太陽電池是基于薄膜材料的太陽電池。薄膜技術(shù)所需材料較晶體硅太陽電池少得多，且易于實(shí)現(xiàn)大面積電池的生產(chǎn)，可有效降低成本。薄膜電池主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、碲化鎘以及銅銦砸薄膜電池，其中以多晶硅為材料的太陽能電池最優(yōu)。太陽能光電轉(zhuǎn)換率的卡諾上限是95%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池的理論上限33%，表明太陽能電池的性能還有很大發(fā)展空間。
[0008]在眾多的新型太陽能電池里，鈣鈦礦型甲胺鉛碘薄膜太陽能電池以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備成本低廉等優(yōu)點(diǎn)吸引了眾多科研工作者的關(guān)注。其光電轉(zhuǎn)化效率在近5年內(nèi)從3.8%迅速提高到20.2% (截止到2014年底)，如圖2所示，把染料敏化太陽能電池、有機(jī)太陽能電池等新型薄膜太陽電池甩在了身后，高于非晶硅太陽電池效率，被Science評(píng)選為2013年十大科學(xué)突破之一。隨著電池工藝的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，電池效率有望進(jìn)一步提高，有廣泛的應(yīng)用前景。
[0009]以II1-V族化合物及CIS等稀有元素制備的太陽能電池，盡管所制成的電池轉(zhuǎn)換效率很高，但從材料來源和環(huán)境問題來看，這類太陽能電池將來不可能占據(jù)主導(dǎo)地位。高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池制備中要考慮的兩個(gè)主要因素，目前的非晶硅系疊層太陽能電池，要想把效率提高很多是很困難的，而且非晶硅系疊層太陽能電池對(duì)材料純度要求較高，價(jià)格貴，很大程度上限制了其工業(yè)化推廣。高效鈣鈦礦太陽能電池自2009年提出以來，一直是科學(xué)家的研宄熱點(diǎn)，高效鈣鈦礦疊層太陽能電池的研宄雖然剛剛起步，但其關(guān)鍵材料低廉而且來源廣泛，并且染敏二氧化鈦制備工藝簡(jiǎn)單，工業(yè)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易很多。
[0010]總之，當(dāng)前太陽能電池存在以下問題，我們可以提出一些更好的解決方案:
[0011]USi太陽能電池發(fā)展成熟，但是效率偏低，提高難度較大；
[0012]2、現(xiàn)有疊層電池在材料來源和環(huán)保方面的問題使得其最終難于大規(guī)模應(yīng)用；
[0013]3、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)等太陽能電池發(fā)展迅速，顯示出很大潛力，但是單獨(dú)應(yīng)用存在較大競(jìng)爭(zhēng)和限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014](一)要解決的技術(shù)問題
[0015]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種疊層太陽能電池的制備方法，以提高硅基太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)低投入的高效太陽能電池制造能力。
[0016](二)技術(shù)方案
[0017]為達(dá)到上面的目的，本發(fā)明提供了一種疊層太陽能電池，該疊層太陽能電池包括:娃太陽能電池；在該娃太陽能電池上表面形成的高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料；和/或在該娃太陽能電池下表面形成的低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料。
[0018]上述方案中，所述硅太陽能電池為多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池或非晶娃太陽能電池。
[0019]上述方案中，所述高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料或所述低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料采用有機(jī)光電轉(zhuǎn)換材料或無機(jī)光電轉(zhuǎn)換材料。
[0020]上述方案中，所述高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料或所述低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料，無需嚴(yán)格的晶格匹配即可獲得相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換性能。
[0021]上述方案中，所述高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料或所述低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料，是燃料敏化有機(jī)太陽能電池材料、媽欽礦型太陽能電池材料或非晶材料或者多晶材料。
[0022]上述方案中，所述硅太陽能電池與高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料之間的連接通過隧穿結(jié)、金屬導(dǎo)電層或透明導(dǎo)電薄膜實(shí)現(xiàn)；或者所述硅太陽能電池與低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料之間的連接通過隧穿結(jié)、金屬導(dǎo)電層或透明導(dǎo)電薄膜實(shí)現(xiàn)。
[0023]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種疊層太陽能電池的制備方法，該方法包括:選擇硅太陽能電池；在該硅太陽能電池正面制備第一連接導(dǎo)電層，在該第一連接導(dǎo)電層上制備高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料；和/或在該硅太陽能電池背面制備第二連接導(dǎo)電層，在該第二連接導(dǎo)電層上制備低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料。
[0024]上述方案中，所述硅太陽能電池作為中間層，具有光電轉(zhuǎn)換性能，采用多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池或非晶硅太陽能電池。
[0025]上述方案中，所述第一連接導(dǎo)電層或所述第二連接導(dǎo)電層均采用透明導(dǎo)電材料或者金屬材料。
[0026]上述方案中，所述在第一連接導(dǎo)電層上制備高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料，是采用旋涂方法在第一連接導(dǎo)電層上制備高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料，該高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料用來吸收硅太陽能電池浪費(fèi)掉的短波長(zhǎng)太陽能光，以提高太陽能光的轉(zhuǎn)換效率。
[0027]上述方案中，所述在第二連接導(dǎo)電層上制備低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料，是采用旋涂方法在第二連接導(dǎo)電層上制備低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料，該低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料用來吸收硅帶隙1.1eV能量以下的紅外太陽能光，以提高太陽能光的轉(zhuǎn)換效率。
[0028]上述方案中，該方法還包括:在高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料和/或低帶隙光電轉(zhuǎn)換材料上分別制備電極，連接形成疊層太陽能電池。
[0029](三)有益效果
[0030]針對(duì)硅太陽能電池性能難以大幅度提高的問題，本發(fā)明提供的疊層太陽能電池及其制備方法，添加了額外的吸收層，該吸收層主要指在硅基太陽能電池的正面和背面分別增加高能量光電轉(zhuǎn)換材料和低能量光電轉(zhuǎn)換材料，實(shí)現(xiàn)了疊層多結(jié)硅基太陽能電池，達(dá)到了大幅提高硅基太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的目的，同時(shí)又不增加過多基礎(chǔ)設(shè)施的投資，實(shí)現(xiàn)了低投入的高效太陽能電池制造能力。
【附圖說明】
[0031]圖1是常見半導(dǎo)體材料晶格常數(shù)與禁帶寬度圖。
[0032]圖2是鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展曲線。
[0033]圖3是本發(fā)明提供的疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖4是本發(fā)明提供的疊層太陽能電池的效果示意圖。
[0035]圖5是依照本發(fā)明實(shí)施例的疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]如圖3所示，圖3是本發(fā)明提供的疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，該疊層太陽能電池包括:硅太陽能電池；在該硅太陽能電池上表面形成的高帶隙光電轉(zhuǎn)換材料；和/或在該娃太陽能電池下表面形成的低帶隙光電轉(zhuǎn)換