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CN107994081A - 一种高效太阳电池结构及其制备方法 - Google Patents

一种高效太阳电池结构及其制备方法 Download PDF

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CN107994081A CN201711221499.9A CN201711221499A CN107994081A CN 107994081 A CN107994081 A CN 107994081A CN 201711221499 A CN201711221499 A CN 201711221499A CN 107994081 A CN107994081 A CN 107994081A
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Abstract

本发明公开了一种高效太阳电池结构及其制备方法，其中，高效太阳电池结构包括：衬底、底电极、陷光层、光吸收层、减反层和顶电极，并依次叠加，形成叠层结构；所述减反层用于增加太阳电池的光透过率，所述减反层包括多孔二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化锆或者氟化镁中的任意一种；所述陷光层用于增加入射光在太阳电池内部的光程，所述陷光层包括金字塔结构或者凹坑阵列中的任意一种。本发明通过在太阳电池结构中设置减反层和陷光层，增加了光利用率，进而提高了太阳电池效率，解决了现有技术中光利用率较低的问题。

Description

一种高效太阳电池结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种高效太阳电池结构及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，环境污染和能源紧缺问题日益严重，为此，新能源的开发和利用称为越来越重要的课题。其中，太阳能以其取之不尽用之不竭、分布范围广、受地域限制小等优点，成为新能源利用的重要方向。对太阳能的利用中，光热转换和光电转换是两个主流方向。在光电转换方向，又以太阳电池的研发为重要研究方向。
现有技术中，由于光吸收层及其他各功能层材料折射率的问题，通常不是照射到太阳电池表面的光都能被太阳电池有效利用，导致太阳电池光利用率较低，太阳电池的光电转换效率有待进一步提高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种高效太阳电池结构及其制备方法，以解决现有技术中光利用率较低的问题，进一步提高太阳电池的光电转换效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种高效太阳电池结构，该结构包括：衬底、底电极、陷光层、光吸收层、减反层和顶电极，并依次叠加，形成叠层结构；所述减反层用于增加太阳电池的光透过率，所述减反层包括多孔二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化锆或者氟化镁中的任意一种；所述陷光层用于增加入射光在太阳电池内部的光程，所述陷光层包括金字塔结构或者凹坑阵列中的任意一种。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高效太阳电池的制备方法，基于第一方面提供的高效太阳电池结构，该方法包括所述底电极、陷光层、电子传输层、空穴阻挡层、光吸收层、电子阻挡层、空穴传输层、减反层和顶电极，依次叠加形成在所述衬底上；所述制备方法包括：清洗所述衬底并吹干；利用溅射法在所述衬底上形成所述底电极；利用低压化学气相沉积发在所述底电极上形成所述陷光层；利用热蒸发法在所述陷光层上形成所述电子传输层；利用旋涂法在所述电子传输层上形成所述空穴阻挡层；利用溅射法在所述空穴阻挡层上形成所述光吸收层；利用旋涂法在所述光吸收层上形成所述电子阻挡层；利用热蒸发法在所述电子阻挡层上形成所述空穴传输层；利用电子束蒸发法在所述空穴传输层上形成所述减反层；利用电子束蒸发法在所述减反层上形成所述顶电极。
本发明实施例提供的高效太阳电池结构及其制备方法，一方面，通过设置减反层增加了光透过率；另一方面，设置陷光层，通过反射、折射和散射,将入射光线分散到各个角度,从而增加光在太阳电池中的光程,使光吸收增加。从而实现了增加光利用率的目的，进而可进一步提升太阳电池的光电转换效率。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构中增加减反层前后的光透过率的对比示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构中的一种陷光层的截面示意图；
图4是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构中的另一种陷光层的截面示意图；
图5是本发明实施例一提供的另一种高效太阳电池结构示意图；
图6是本发明实施例二提供的一种高效太阳电池的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的高效太阳电池结构示意图。如图1所示，该结构包括：衬底100、底电极110、陷光层120、光吸收层130、减反层140和顶电极150，并依次叠加，形成叠层结构；减反层140用于增加太阳电池的光透过率，减反层140包括多孔二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化锆或者氟化镁中的任意一种；陷光层120用于增加入射光在太阳电池内部的光程，陷光层120包括金字塔结构或者凹坑阵列中的任意一种。
示例性的，参见图2，图2是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构中增加减反层140前后的光透过率的对比示意图。其中，λ代表波长，假定可被太阳电池利用的光的波长范围为λ1到λ2；T％代表薄膜的光透过率，图2中示例性的以归一化的坐标表示，即光透过率的最小值为0，最大值为1；图中虚线201代表没有设置减反层140时的薄膜的光透过率，加粗实线202代表设置减反层140后的薄膜的光透过率。光透过率直接影响可被太阳电池有效利用的光占照射到太阳电池表面的光总量的百分比。因此，光透过率增加，可被太阳电池有效利用的光增多。具体的，没有设置减反层140时，λ1到λ2波长范围内光透过率为T1，设置减反膜140后，1到λ2波长范围内光透过率为T2，且1＞T2＞T1＞0。由此，设置减反层可增加光透过率，即增加了可被太阳电池有效利用的光占照射到太阳电池表面的光总量的百分比。从而光利用率增加，进而太阳电池的短路电流密度增大，光电转换效率提高。
示例性的，参见图3，图3是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构中的一种陷光层的截面示意图。图3(a)和(b)中示例性的示出了陷光层表面的金字塔结构的截面示意图，以及在图3(a)中示例性的画出了光线反射的3种可能路径，但并非对本发明中陷光层结构的限制，在其他实施方式中，金字塔的尺寸可任意设置，光线的传播路径根据需求任意设计。
示例性的，参见图4，图4是本发明实施例一提供的一种高效太阳电池结构中的另一种陷光层的截面示意图。图4(a)和(b)中示例性的示出了陷光层表面凹坑结构的截面示意图，以及在图4(a)中示例性的画出了光线反射的3种可能路径，但并非对本发明中陷光层结构的限制，在其他实施方式中，凹坑的尺寸可任意设置，光线的传播路径根据需求任意设计。
由此，设置陷光层120，通过反射、折射和散射,将入射光线分散到各个角度,从而增加光在太阳电池中的光程,使光吸收增加。从而进一步增加了光利用率，进而可进一步提升太阳电池的光电转换效率。
进一步地，继续参见图1，衬底100包括刚性衬底和柔性衬底；刚性衬底包括玻璃衬底；柔性衬底包括不锈钢衬底和聚酰亚胺衬底。
其中，玻璃衬底包括浮法玻璃和镀有透明导电层的导电玻璃。
其中，柔性衬底可卷曲，便于实现大规模的卷对卷生产，利于节省设备所占空间，降低生产成本。
进一步地，光吸收层130用于吸收太阳光能，产生电子和空穴，光吸收层130包括钙钛矿、硒化锑、铜铟镓硒、硅薄膜中的任意一种。
其中，光吸收层130的吸收系数通常比较大，便于太阳电池吸收更多的光。太阳电池的核心结构PN结在太阳光的照射下产生光生载流子，即电子和空穴，电子和空穴在各功能层阶梯状势垒的作用下分别向底电极和顶电极传输，被外电路收集，从而给外电路供电。因此，太阳电池的光吸收层130的光吸收能力在一定程度上决定了太阳电池的光电转换效率。此外，光吸收层130的光吸收能力越强越有利于太阳电池的薄膜化。具体的，钙钛矿电池的光吸收层130为钙钛矿，硒化锑太阳电池的光吸收层130为硒化锑，铜铟镓硒太阳电池的光吸收层为铜铟镓硒，硅薄膜太阳电池的光吸收层为硅。
进一步地，底电极110用于导出上述PN结在光照作用下产生的电子，底电极110包括透明导电氧化物薄膜、透明导电金属薄膜、非氧化物类透明导电化合物薄膜、导电性粒子分散介电体薄膜或者导电碳材料薄膜中的任意一种。
进一步地，顶电极150用于导出上述PN结在光照作用下产生的空穴，顶电极150包括透明导电氧化物薄膜、透明导电金属薄膜、非氧化物类透明导电化合物薄膜、导电性粒子分散介电体薄膜或者导电碳材料薄膜中的任意一种。
其中，透明导电金属氧化物薄膜(TCO)包括掺硼、镓或者铝的氧化锌(AZO、BZO、GZO)薄膜、铟锡氧化物(ITO)薄膜或氟掺杂氧化锡(FTO)薄膜等，透明导电金属薄膜包括金薄膜、铂薄膜、银薄膜或铜薄膜等，非氧化物类透明导电化合物薄膜包括硫化镉(CdS)薄膜、碳化钛(TiC)薄膜、或二氧化钛/氮化钛(TiO2/TiN)复合薄膜等，导电性粒子分散介电体薄膜包括掺银、铜或氧化锌的二氧化锡(SnO2:Ag、SnO2:Cu或SnO2:ZnO)薄膜等，导电碳材料薄膜包括导电碳浆、导电碳纤维、导电碳油墨等。
进一步的，图5是本发明实施例一提供的另一种高效太阳电池结构示意图。参见图5，太阳电池结构还包括空穴传输层160，设置于吸收层130和减反层140之间；空穴传输层160包括无机化合物或3-己基噻吩聚合物(P3HT)、富勒烯衍生物(PCBM)有机空穴传输材料中的至少一种。
进一步地，继续参见图5，太阳电池结构还包括电子阻挡层170，设置于吸收层130和空穴传输层160之间；电子阻挡层170包括氧化镍、聚(3,4-二氧乙基噻吩)掺杂聚对苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)、Spiro_OMeTAD或者PTAA中的至少一种。
上述空穴传输层160和电子阻挡层170的共同作用下，PN结在光照作用下产生的载流子中，空穴更容易向顶电极150传输，而电子向顶电极150的传输被阻碍，因而减少了电子-空穴在从吸收层130向顶电极150传输过程中的复合几率，即增加了顶电极150对空穴的导出效率，从而可提升太阳电池的光电转换效率。
进一步地，继续参见图5，太阳电池结构还包括电子传输层180，设置于吸收层130与陷光层120之间；电子传输层180包括氧化锌、二氧化钛、石墨烯无机化合物或者富勒烯衍生物(PCBM)、全氟代聚对苯撑类有机电子传输材料中的至少一种。
进一步地，继续参见图5，太阳电池结构还包括空穴阻挡层190，设置于吸收层130和电子传输层180之间；空穴阻挡层190包括二氧化钛、富勒烯衍生物(PCBM)、二氧化锡或者石墨烯(C60)中的至少一种。
上述电子传输层180和空穴阻挡层190的共同作用下，PN结在光照作用下产生的载流子中，电子更容易向底电极110传输，而空穴向底电极110的传输被阻碍，因而减少了电子-空穴在从吸收层130向底电极110传输过程中的复合几率，即增加了底电极110对电子的导出效率，从而可提升太阳电池的光电转换效率。
本发明实施例一提出的高效太阳电池结构中，其一，通过设置减反层增加光透过率，即增加了可被太阳电池有效利用的光占照射到太阳电池表面的光总量的百分比。从而光利用率增加，进而太阳电池的短路电流密度增大，光电转换效率提高。其二，设置陷光层，通过反射、折射和散射,将入射光线分散到各个角度,从而增加光在太阳电池中的光程,使光吸收增加，从而进一步增加了光利用率，进而进一步提升太阳电池的光电转换效率。
实施例二
图6是本发明实施例二提供的一种高效太阳电池的制备方法的流程图，本实施例以实施例一提供的高效太阳电池结构为基础，提供一种高效太阳电池的制备方法。如图6所示，该方法包括：底电极110、陷光层120、电子传输层180、空穴阻挡层190、光吸收层130、电子阻挡层170、空穴传输层160、减反层140和顶电极150，依次叠加形成在衬底100上，具体包括：
S600、清洗衬底100并吹干。
S610、利用溅射法在衬底100上形成底电极110。
S620、利用低压化学气相沉积发在底电极110上形成陷光层120。
S630、利用热蒸发法在陷光层120上形成电子传输层180。
S640、利用旋涂法在电子传输层180上形成空穴阻挡层190。
S650、利用溅射法在空穴阻挡层190上形成光吸收层130。
S660、利用旋涂法在光吸收层130上形成电子阻挡层170。
S670、利用热蒸发法在电子阻挡层170上形成空穴传输层160。
S680、利用电子束蒸发法在空穴传输层160上形成减反层140。
S690、利用电子束蒸发法在减反层140上形成顶电极150。
具体的，上述制备方法可描述为：首先，利用电子清洗剂清洗衬底100并吹干；然后将吹干的衬底100置于溅射设备的真空腔室内，将真空腔室密封好之后开始抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-4帕时，开始沉积底电极110，底电极110的沉积工艺根据实际情况设定；形成衬底100/底电极110样品后，将其取出，置于低压化学气相沉积设备的真空腔室内，将真空腔室密封好之后开始抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-2帕时，开始沉积陷光层120，同样的，陷光层120的沉积工艺根据实际情况设定；形成衬底100/底电极110/陷光层120样品后，将其取出，置于热蒸发设备的真空腔室内，将真空腔室密封好之后开始抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-5帕时，开始沉积电子传输层180，同样的，电子传输层180的沉积工艺根据实际情况设定；形成衬底100/底电极110/陷光层120/电子传输层180样品后，将其取出，利用旋涂法在此样品上形成空穴阻挡层190，其中，旋涂溶液的配置参数，旋涂的次数、速率等工艺参数根据实际情况设定；旋涂结束后，将衬底100/底电极110/陷光层120/电子传输层180/空穴阻挡层190置于溅射设备的真空腔室内，将真空腔室密封好之后开始抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-4帕时，开始沉积吸收层130，吸收层130的沉积工艺根据实际情况设定；形成衬底100/底电极110/陷光层120/电子传输层180/空穴阻挡层190/吸收层130样品后，将其取出，利用旋涂法在此样品上形成电子阻挡层170，同样的，旋涂溶液的配置参数，旋涂的次数、速率等工艺参数根据实际情况设定；旋涂结束后，将形成的衬底100/底电极110/陷光层120/电子传输层180/空穴阻挡层190/吸收层130/电子阻挡层170样品后，将其取出，置于热蒸发设备的真空腔室内，将真空腔室密封好之后开始抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-5帕时，开始沉积空穴传输层160，同样的，空穴传输层160的沉积工艺根据实际情况设定；形成衬底100/底电极110/陷光层120/电子传输层180/空穴阻挡层190/吸收层130/电子阻挡层170/空穴传输层160样品后，将其取出，置于电子束蒸发设备的真空腔室内，将真空腔室密封好之后开始抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-5帕时，开始沉积减反层140；形成减反层140后，再次抽气，待真空值到达设定目标真空值，例如10-5帕时，开始沉积顶电极150；至此，形成完整的太阳电池结构。
其中，上述高效电池的制备方法中多次用到溅射设备和热蒸发设备，溅射设备可以用一台，此时需要更换沉积层所对应的靶材；蒸发设备可以用一台，此时需要更换所需蒸发的原材料。或者为了避免交叉污染，可以每一层沉积各用一台设备。
本发明实施例二提供的一种高效太阳电池的制备方法，通过低压化学气相沉积形成减反层，通过电子束蒸发形成减反层，分别通过增加光程和增加光透过率解决了太阳电池光利用率较低的问题，实现了太阳电池光利用率的增加，进而提升太阳电池的光电转换效率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种高效太阳电池结构，其特征在于，包括：衬底、底电极、陷光层、光吸收层、减反层和顶电极，并依次叠加，形成叠层结构；
所述减反层用于增加太阳电池的光透过率，所述减反层包括多孔二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化锆或者氟化镁中的任意一种；
所述陷光层用于增加入射光在太阳电池内部的光程，所述陷光层包括金字塔结构或者凹坑阵列中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述衬底包括刚性衬底和柔性衬底；所述刚性衬底包括玻璃衬底；所述柔性衬底包括不锈钢衬底和聚酰亚胺衬底。
3.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，所述光吸收层用于吸收太阳光能，产生电子和空穴；所述光吸收层包括钙钛矿、硒化锑、铜铟镓硒、硅薄膜中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的太阳电池结构，其特征在于，所述底电极用于导出所述电子，所述底电极包括透明导电氧化物薄膜、透明导电金属薄膜、非氧化物类透明导电化合物薄膜、导电性粒子分散介电体薄膜或者导电碳材料薄膜中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的太阳电池结构，其特征在于，所述顶电极用于导出所述空穴，所述顶电极包括透明导电氧化物薄膜、透明导电金属薄膜、非氧化物类透明导电化合物薄膜、导电性粒子分散介电体薄膜或者导电碳材料薄膜中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，还包括空穴传输层，设置于所述吸收层与所述减反层之间；所述空穴传输层包括无机化合物或3-己基噻吩聚合物(P3HT)、富勒烯衍生物(PCBM)有机空穴传输材料中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，还包括电子阻挡层，设置于所述吸收层和所述空穴传输层之间，所述电子阻挡层包括氧化镍、聚(3,4-二氧乙基噻吩)掺杂聚对苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)、Spiro_OMeTAD或者PTAA中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于，还包括电子传输层，设置于所述吸收层与所述陷光层之间；所述电子传输层包括氧化锌、二氧化钛、石墨烯无机化合物或者富勒烯衍生物(PCBM)、全氟代聚对苯撑类有机电子传输材料中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的太阳电池结构，其特征在于还包括，还包括空穴阻挡层，设置于所述吸收层和所述电子传输层之间；所述空穴阻挡层包括二氧化钛、富勒烯衍生物(PCBM)、二氧化锡或者石墨烯(C60)中的至少一种。
10.一种高效太阳电池的制备方法，基于权利要求1-9任一项所述的高效太阳电池结构，其特征在于，所述底电极、陷光层、电子传输层、空穴阻挡层、光吸收层、电子阻挡层、空穴传输层、减反层和顶电极，依次叠加形成在所述衬底上；
所述制备方法包括：清洗所述衬底并吹干；利用溅射法在所述衬底上形成所述底电极；利用低压化学气相沉积发在所述底电极上形成所述陷光层；利用热蒸发法在所述陷光层上形成所述电子传输层；利用旋涂法在所述电子传输层上形成所述空穴阻挡层；利用溅射法在所述空穴阻挡层上形成所述光吸收层；利用旋涂法在所述光吸收层上形成所述电子阻挡层；利用热蒸发法在所述电子阻挡层上形成所述空穴传输层；利用电子束蒸发法在所述空穴传输层上形成所述减反层；利用电子束蒸发法在所述减反层上形成所述顶电极。
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