一種鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽電池材料與器件領域，具體涉及一種鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在能源問題日益突出的今天，光伏發(fā)電技術備受關注。特別是晶硅太陽電池，目前占據(jù)了光伏市場86%的份額。與其他種類電池相比較，晶硅太陽電池具有成本低、制備工藝簡單、適合大面積生產等優(yōu)點，但由于其效率已經逼近理論極限，很難實現(xiàn)大的突破。目前晶硅太陽電池實驗室最高效率為24.7%，商用n-PERT型晶硅電池組件最高效率為22.02%。
[0003]鈣鈦礦太陽電池是以具有鈣鈦礦結構的有機-金屬鹵化物(簡稱:鈣鈦礦)等作為核心光吸收、光電轉換、光生載流子輸運材料的太陽電池，具有良好的光吸收、光電轉換特性以及優(yōu)異的光生載流子輸運特性，其電子與空穴擴散長度均可超過lOOOnm。采用這種新型光電轉換材料的鈣鈦礦太陽電池具有優(yōu)異的光電轉換特性，目前實驗室器件樣品光電轉換效率已高達18.3%。Catchpole等人(Thomas P.White, NirajN.Lalj and Kylie R.Catchpolej Tandem Solar Cells Based on High-Efficiencyc-Si Bottom Cells:Top Cell Requirements for>30 % Efficiency.1EEE JOURNAL OFPH0T0V0LTAICS，2014(4):208-214)的理論研究發(fā)現(xiàn)，將鈣鈦礦和晶硅太陽電池制作成疊層太陽電池，通過優(yōu)化頂電池帶隙，可以實現(xiàn)35%以上的光電轉換效率。Thomas理論研究發(fā)現(xiàn)，通過光學管理可以使得鈣鈦礦-硅疊層太陽電池效率突破35%，其理論措施為:(I)在具有絨面結構的晶體硅太陽電池上通過共形沉積鈣鈦礦頂電池；(2)在鈣鈦礦頂電池和晶硅底電池間加入布拉格反射層，可以使厚度為200nm的頂電池短路電流提高20%，可以使厚度為500nm的頂電池短路電流提高100%。通過上述兩方面措施可以使該類電池效率比鈣鈦礦-硅平面疊層太陽電池效率高2?4%。Philippe等人理論研究發(fā)現(xiàn)，通過引入朗伯陷光結構可以將鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池效率提高至35.67%。綜上，理論研究充分表明，高效、低成本的鈣鈦礦-硅疊層太陽電池必將引發(fā)光伏領域又一次技術革新。
[0004]然而，上述僅為理論研究成果，實踐研究成果報道極少。目前，僅Michael等人采用四端法制備了鈣鈦礦-硅和鈣鈦礦-CIGS機械疊層太陽電池，前者實驗室效率為17.0%，后者效率為18.6%。雖然該類疊層電池效率目前比較低，但其研究才剛剛起步，很多現(xiàn)存問題仍需進一步研究。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是給出一種鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池及其制備方法，即用不同禁帶寬度的材料做成太陽電池，按帶隙大小的順序自上而下疊合起來，選擇性地吸收和轉換太陽光譜的不同范圍，突破理論極限，實現(xiàn)超過35 %的轉化效率。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術方案如下:
[0007]一種鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池，所述太陽電池由下至上依次為:背場電極1，晶硅底太陽電池2，隧道結3，富勒烯電子傳輸層4，鈣鈦礦頂太陽電池5，3-己基噻吩的聚合物空穴傳輸層6和頂電極7。
[0008]進一步地，所述背場電極I的材料為Au、Ag或AgAl合金，接觸方式為全接觸或局部接觸；所述隧道結3的結構式為PEDOT: PSS-Tiro。
[0009]進一步地，所述晶硅底太陽電池2所用P型材料為硅，所述硅的電阻率為
0.01-50 Ω.cm，平整度<5μπι，翹曲度〈ΙΟμπι，粗糙度<3nm，摻雜濃度為IXlO15Cm 3?
IXlO20Cm3O
[0010]進一步地，所述鈣鈦礦頂太陽電池5為鈣鈦礦膜層CH3NH3Pb (IxBr1 x) 3，其中O彡X彡I，鈣鈦礦膜層的厚度為100-800nm。
[0011]進一步地，所述頂電極(7)采用透明或半透明的ΙΤ0，Ag納米線，Ag薄膜，Au薄膜，氧化鋅摻雜鋁透明導電膜或氧化鋅摻雜硼透明導電膜中的任意一種，接觸方式為全接觸或部分接觸。
[0012]一種如上所述鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池的制備方法，包括:
[0013]背場電極I采用絲網印刷、磁控濺射或熱蒸發(fā)法制備；
[0014]晶硅底太陽電池2:采用傳統(tǒng)晶硅太陽電池濕法刻蝕工藝制絨后，再采用液態(tài)源擴散法制得Pn結；
[0015]隧道結3采用化學合成法、旋涂法及熱退火相結合的方式制備；
[0016]富勒烯電子傳輸層4采用旋涂法制備；
[0017]鈣鈦礦頂太陽電池5:采用化學合成法制備前驅溶液，將前驅溶液按照不同的比例混合，通過調節(jié)I和Br的比例，制備出不同成分的CH3NH3Pb (IxBr1 J3前驅體，然后采用刮涂、噴涂、旋涂或噴墨打印的方法制備CH3NH3PbdxBr1 x)3鈣鈦礦膜層；
[0018]3-己基噻吩的聚合物空穴傳輸層6采用旋涂法和熱退火相結合的方式制備；
[0019]頂電極7采用熱蒸鍍或磁控濺射法制備。
[0020]進一步地，所述液態(tài)源擴散法制pn結的具體步驟為:液態(tài)源為POCl3,反應溫度<10000C，擴散層厚度〈I μ m，方塊電阻為30-50 Ω，擴散后載流子濃度〈I X 121Cm 3;所得pn結尺寸為0.3?0.6 μ m。
[0021]進一步地，所述隧道結3的具體制備方法為:采用烷基萘磺酸鈉為乳化劑，F(xiàn)e2(SO4)3為氧化劑，合成PED0T:PSS乳液，以1000_5000r/min的轉速旋涂在晶硅底太陽電池2上，旋涂時間為15-60S，之后在100-180°C下退火處理，得到與晶硅絨面共形沉積的PEDOT:PSS層；將Tiro的醇溶液旋涂于PED0T:PSS層上，熱退火處理后得到隧道結3，退火溫度為 100-180°C。
[0022]進一步地，所述富勒烯電子傳輸層4的具體制備方法為:將質量分數(shù)為10-25%PCBM的氯苯溶液，以1000-40000rpm/s，10_50s旋涂于隧道結3上；所述3-己基噻吩的聚合物空穴傳輸層6采用質量分數(shù)為10-40mg/mL的P3HT 二氯苯溶液，以800-2000rpm/s，60s旋涂于鈣鈦礦頂太陽電池5上。
[0023]進一步地，所述鈣鈦礦頂太陽電池5的具體制備方法為:在氮氣手套箱中將CH3NH3I和Pbl2，CH3NH3Br和PbBr2*別按照1:1配制，形成兩種前驅溶液；再將兩種前驅溶液按照不同的比例混合，通過調節(jié)I和Br的比例，制備出不同成分的CH3NH3PbdxBr1 J3前驅體；將CH3NH3Pb (IxBr1 x)3前驅體采用刮涂、噴涂、旋涂或噴墨打印的方法，制備在富勒烯電子傳輸層4上，經熱處理得到鈣鈦礦膜層；熱處理的氣氛為惰性氣氛，溫度為50-500°C，時間為 10-150min。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025](I)通過鈣鈦礦頂電池在短波段的增益吸收，可以突破晶硅太陽電池效率的理論極限(30 % )，所述鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池的效率理論上可實現(xiàn)超過35 %的效率，從而進一步推動光伏行業(yè)的發(fā)展。
[0026](2)單晶硅底電池利用了現(xiàn)有的生產工藝和設備，無需更換和增加生產設備，減少產品的資金投入，有利于加快推廣新型、高效的鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池技術。
[0027](3)鈣鈦礦太陽電池采用溶液法制備，可以在原有的晶硅產業(yè)鏈上并行增設生產線，生產設備不需要進行更換，減少產業(yè)升級所需的資金成本投入和資源浪費。
[0028](4)通過頂電池和底電池在不同波段的光吸收，可以實現(xiàn)入射光能量的高效分配和利用，同時減少晶硅底電池的厚度，降低硅材料的消耗，節(jié)約資源。
[0029](5)鈣鈦礦太陽電池利用了有機無機金屬雜化鈣鈦礦材料CH3NH3PbX3 (X= I,Br),這種材料可以人工合成，無需依賴自然的原始礦材，增加了太陽電池的資源消耗壽命，有利于推動光伏行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
【附圖說明】
[0030]圖1為鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池結構示意圖。
[0031]圖2為單晶硅絨面結構的SEM圖；(a)沉積Si3N4之前，(b)沉積Si 3N4之后。
[0032]圖3為晶體硅單結太陽電池材料摻雜濃度分布的電化學C-V測試曲線。
[0033]圖4為晶體硅單結太陽電池；(a) J-V曲線，(b) 1.5X 1.5cm2太陽電池芯片。
[0034]圖5為鈣鈦礦膜層SEM圖；(a)表面，(b)截面。
[0035]圖6為鈣鈦礦單結太陽電池J-V曲線。
[0036]圖7為鈣鈦礦-硅整體級聯(lián)疊層太陽電池J-V曲線。
【具體實施方式】
[0037]以下結合附圖及實例的詳細描述，進一步說明本發(fā)明的結構、特點及其器件制備流程。
[0038]1.晶硅底太陽電池2的制備，包括以下步驟:
[0039]I)單晶硅表面制絨
[0040]將厚度為180± 10 μ m，大小為15mmX 15mm的單晶硅片投入濃度為5%檸檬酸鈉溶液中，在90°C條件下反應5min，初步去除娃片表面臟污和損傷。
[0041 ] 將清洗后的硅片放入KOH和異丙醇的混合溶液中，其中KOH的濃度為3 %，異丙醇的體積濃度為8 %，于85°C條件下反應30min，在硅片表面形成均勻的金字塔結構，如圖2所不O
[0042]需要重點強調的是圖2(a)和(b)圖分別為制備Si3N4前后的表面掃描電子顯微鏡圖，圖(