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CN111710746B - 一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构 - Google Patents

一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构 Download PDF

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CN111710746B CN202010558387.8A CN202010558387A CN111710746B CN 111710746 B CN111710746 B CN 111710746B CN 202010558387 A CN202010558387 A CN 202010558387A CN 111710746 B CN111710746 B CN 111710746B
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Abstract

本发明涉及一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，包括：底电池和钙钛矿顶电池；所述底电池为晶硅类‑PERC底电池或晶硅类‑PERT底电池；所述钙钛矿顶电池包括钙钛矿电池载流子传输层A、钙钛矿吸收层、钙钛矿电池载流子传输层B、透明导电膜和顶电极栅线；所述顶电极栅线位于透明导电膜顶部。本发明的有益效果是：这种钙钛矿/晶硅类‑PREC或钙钛矿/晶硅类‑PERT可以利用目前晶硅PREC或PERT太阳电池的生产线，只需做少量的改进，即可制备出良好的底电池，提高太阳电池效率，降低钙钛矿/晶硅叠层电池的生产成本；本结构可以形成可靠的全表面隧穿结接触，无整流效应；制备工艺完全兼容现有硅电池生产方法，可全表面均匀制备，工艺简单，可靠性强。

Description

一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，尤其包括一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构。
背景技术
近年来钙钛矿/晶硅叠层太阳电池得到了光伏界的广泛关注。由于叠层电池可以有效地利用太阳光谱，宽带隙的钙钛矿吸收太阳光短波部分从而降低热电子损失，窄带隙的晶硅吸收长波部分从而扩展太阳电池的光谱响应降低长波损失。双结太阳电池的理论效率远远高于晶硅单结太阳电池效率的理论极限29.4％。从能带匹配的角度考虑，钙钛矿和晶硅是比较理想的双结电池匹配。钙钛矿作为近年来发展迅速的新型太阳电池，表现出良好的发展前景，单结电池效率超过25％；晶硅太阳电池一直是光伏行业的支柱技术，实验室电池效率达到26.7％。利用钙钛矿/晶硅双结太阳电池，许多研究机构都取得了超过27％以上的效率，最高效率到达28％。
目前广泛应用在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池中的底电池是非晶/单晶异质结(HIT)太阳电池。HIT太阳电池虽然具有效率高，制备步骤少，温度系数低等特点，但由于设备成本高，所用材料昂贵，HIT太阳电池在实际生产中还是占很小的比例。钙钛矿/晶硅HIT叠层太阳电池存在两个技术难点：1)由于HIT是低温制备，不能承受后续钙钛矿太阳电池中的任何高温工艺，比如高温制备TiO2电子收集层；2)HIT太阳电池制备设备成本高和所用材料昂贵，不利于产业化推广。而在产业界广泛应用的电池结构是钝化发射极和背电极结构(p型PERC电池(p-PERC)或n型PERT电池(n-PERT))，因此从产业化的角度考虑，钙钛矿/晶硅PREC或钙钛矿/PERT是理想的选择。然而由于PERC或PERT上电极是由三氧化二铝(Al2O3)和氮化硅(SiNx)钝化，电流是横向流向栅线，通过栅线收集，这样的结构很难与钙钛矿形成两端结构的叠层电池，因为电流在中间无法连接。为解决这一问题，澳大利亚国立大学(ANU)开发了利用激光开口技术将钙钛矿顶电池和PERC底电池连接形成两端结构的叠层电池，取得23.6％的效率。然而这种激光开口技术复杂，较难在产业化中应用。但具有产业应用前景的钙钛矿/晶硅PREC或钙钛矿/晶硅PRET叠层太阳电池存在以下两个难点：1)钙钛矿顶电池和PREC底电池的电流无法直接连接；2)怎样形成钙钛矿顶电池和p-PREC或n-PERT底电池的中间隧穿结。
由此看出从钙钛矿/晶硅太阳电池产业化的角度来看，开发新型钙钛矿/晶硅p-PREC或n-PERT晶硅叠层电池结构具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构。
这种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构(如图1和图2所示)，包括：底电池和钙钛矿顶电池；所述底电池为晶硅类-PERC底电池(图1)或晶硅类-PERT底电池(图2)；所述钙钛矿顶电池包括钙钛矿电池载流子传输层A、钙钛矿吸收层、钙钛矿电池载流子传输层B、透明导电膜和顶电极栅线；所述顶电极栅线位于透明导电膜顶部；
所述晶硅类-PERT底电池(图1)从底部至顶部的结构依次为背电极栅线、钝化层A、钝化层B、n-型硅片、p型掺杂发射极、超薄隧穿介质层和重掺杂多晶硅化物薄膜；所述背电极栅线嵌入钝化层A和钝化层B底部与n-型硅片接触；所述p型掺杂发射极、超薄隧穿介质层和重掺杂多晶硅化物薄膜三层形成隧穿结；
所述晶硅类-PERC底电池(图2)从底部至顶部的结构依次为背电极栅线、钝化层A、钝化层B、p-型硅片、n型掺杂发射极、超薄隧穿介质层和重掺杂多晶硅化物薄膜；所述背电极栅线嵌入钝化层A和钝化层B底部与p-型硅片接触；所述n型掺杂发射极、超薄隧穿介质层和重掺杂多晶硅化物薄膜三层形成隧穿结。
作为优选，晶硅类-PERT底电池中(图1)重掺杂多晶硅化物薄膜中的高掺杂多晶硅的极性与p型掺杂发射极的极性相反；晶硅类-PERC底电池中(图2)重掺杂多晶硅化物薄膜中的高掺杂多晶硅的极性与n型掺杂发射极的极性相反；重掺杂多晶硅化物薄膜与底电池的发射极形成隧穿复合结，与顶电池的载流子传输层，即电子收集层(ETL)或空穴收集层(HTL)形成欧姆接触。
作为优选，所述背电极栅线由丝网印刷银浆加烧结制成。
作为优选，所述晶硅类-PERT底电池中钝化层A为氮化硅和氧化硅背钝化层，钝化层B为磷扩散背场层，p型掺杂发射极为扩硼层；超薄隧穿介质层为超薄氧化硅(SiOx)、超薄氧化铝(AlOx)或其他介质材料；重掺杂多晶硅化物薄膜为重掺n型多晶硅化物或多晶硅层(poly-SiOx、poly-SiNx、poly-SiCx、或poly-Si)。
作为优选，所述晶硅类-PERC底电池中钝化层A为氮化硅背钝化层，钝化层B为氧化铝背钝化层，n型掺杂发射极为扩磷层，超薄隧穿介质层可以是超薄氧化硅(SiOx)、超薄氧化铝(AlOx)或其他介质材料；重掺杂多晶硅化物薄膜为重掺p型多晶硅化物或多晶硅层(poly-SiOx、poly-SiNx、poly-SiCx、或poly-Si)。
作为优选，所述超薄隧穿介质层包括氧化硅、氧化铝和氮氧化硅等；硅化物的重要作用在于阻挡多晶硅化物中的掺杂原子显著扩散进去硅表面，避免形成常规pn结，确保形成隧穿结。
作为优选，重掺杂多晶硅化物薄膜为高温处理的多晶的或纳米晶的氧化硅、氮化硅或碳化硅，当然也可以是多晶硅(或纳米晶硅)；相比于多晶硅薄膜，硅化物薄膜的优点包括：在可见光及中红外光区吸收较低、折射率较低、同等厚度下方块电阻较低。
作为优选，重掺杂多晶硅化物薄膜如果是n型多晶硅化物，则有效掺杂浓度高于1×1018cm-3，优选高于1×1019cm-3；重掺杂多晶硅化物薄膜如果是p型多晶硅化物，则有效掺杂浓度高于5×1017cm-3，优选高于5×1018cm-3；重掺杂多晶硅化物薄膜的薄膜厚度为5～100nm，优选10～50nm。
作为优选，晶硅类-PERT底电池中的n-型硅片和晶硅类-PERC底电池中的p-型硅片为平面结构或绒面结构；所述平面结构先进行碱抛光，再进行高浓度的TMAH处理使其表面更光滑；所述绒面结构先对表面用酸溶液进行圆角化处理，然后再进行高浓度的TMAH处理使其表面更光滑。
本发明的有益效果是：
1)这种钙钛矿/晶硅类-PREC或钙钛矿/晶硅类-PERT可以利用目前晶硅PREC或PERT太阳电池的生产线，只需做少量的改进，即可制备出良好的底电池，提高太阳电池效率，降低钙钛矿/晶硅叠层电池的生产成本；本结构可以形成可靠的全表面隧穿结接触，无整流效应；制备工艺完全兼容现有硅电池生产方法，可全表面均匀制备，工艺简单，可靠性强。
2)采用了介质层和重掺杂多晶硅化物叠层结构形成隧穿结，可实现全表面载流子传输。相比于HIT底电池，本结构底电池可承受大于250℃的高温处理；相比于PERC或PERT电池，本结构无需经过开孔工艺，可以形成全表面载流子收集。
3)多晶硅化物的在可见光和近红外光的吸收较低，折射率合适，可以通过厚度调节光谱分布；表面经过独特的光滑处理，有利于硅化物薄膜的均匀沉积，有利于后继钙钛矿电池各功能层的沉积。
附图说明
图1为新型钙钛矿/类-PERT叠层太阳电池结构示意图；
图2为新型钙钛矿/类-PERC叠层太阳电池结构示意图。
附图标记说明：背电极栅线1、钝化层A2、钝化层B3、n-型硅片4、p型掺杂发射极5、超薄隧穿介质层6、重掺杂多晶硅化物薄膜7、钙钛矿电池载流子传输层A8、钙钛矿吸收层9、钙钛矿电池载流子传输层B10、透明导电膜11、顶电极栅线12、p型硅片13、n型掺杂发射极14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，包括：底电池和钙钛矿顶电池；所述底电池为晶硅类-PERC底电池；所述钙钛矿顶电池包括钙钛矿电池载流子传输层A8、钙钛矿吸收层9、钙钛矿电池载流子传输层B10、透明导电膜11和顶电极栅线12；所述顶电极栅线12位于透明导电膜11顶部；
所述晶硅类-PERC底电池从底部至顶部的结构依次为背电极栅线1、钝化层A2、钝化层B3、p-型硅片13、n型掺杂发射极14、超薄隧穿介质层6和重掺杂多晶硅化物薄膜7；所述背电极栅线1嵌入钝化层A2和钝化层B3底部与p-型硅片13接触；所述n型掺杂发射极14、超薄隧穿介质层6和重掺杂多晶硅化物薄膜7三层形成隧穿结。
重掺杂多晶硅化物薄膜7中的高掺杂多晶硅的极性与n型掺杂发射极14的极性相反，重掺杂多晶硅化物薄膜7与底电池的发射极形成隧穿复合结，与顶电池的载流子传输层，即电子收集层(ETL)或空穴收集层(HTL)形成欧姆接触。所述背电极栅线1由丝网印刷银浆加烧结制成。所述晶硅类-PERC底电池中钝化层A2为氮化硅背钝化层，钝化层B3为氧化铝背钝化层，n型掺杂发射极14为扩磷层，超薄隧穿介质层6可以是超薄氧化硅(SiOx)、超薄氧化铝(AlOx)或其他介质材料；重掺杂多晶硅化物薄膜7为重掺p型多晶硅化物或多晶硅层(poly-SiOx、poly-SiNx、poly-SiCx、或poly-Si)。
所述超薄隧穿介质层6包括氧化硅、氧化铝和氮氧化硅等；硅化物的重要作用在于阻挡多晶硅化物中的掺杂原子显著扩散进去硅表面，避免形成常规pn结，确保形成隧穿结。
重掺杂多晶硅化物薄膜7为高温处理的多晶的或纳米晶的氧化硅、氮化硅或碳化硅当然也可以是多晶硅(或纳米晶硅)；相比于多晶硅薄膜，硅化物薄膜的优点包括：在可见光及中红外光区吸收较低、折射率较低、同等厚度下方块电阻较低。重掺杂多晶硅化物薄膜7如果是n型多晶硅化物，则有效掺杂浓度高于1×1018cm-3，优选高于1×1019cm-3；重掺杂多晶硅化物薄膜7如果是p型多晶硅化物，则有效掺杂浓度高于5×1017cm-3，优选高于5×1018cm-3；重掺杂多晶硅化物薄膜7的薄膜厚度为5～100nm，优选10～50nm。
实施例2
钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，包括：底电池和钙钛矿顶电池；所述底电池为晶硅类-PERT底电池；所述钙钛矿顶电池包括钙钛矿电池载流子传输层A8、钙钛矿吸收层9、钙钛矿电池载流子传输层B10、透明导电膜11和顶电极栅线12；所述顶电极栅线12位于透明导电膜11顶部；
所述晶硅类-PERT底电池从底部至顶部的结构依次为背电极栅线1、钝化层A2、钝化层B3、n-型硅片4、p型掺杂发射极5、超薄隧穿介质层6和重掺杂多晶硅化物薄膜7；所述背电极栅线1嵌入钝化层A2和钝化层B3底部与n-型硅片4接触；所述p型掺杂发射极5、超薄隧穿介质层6和重掺杂多晶硅化物薄膜7三层形成隧穿结；
重掺杂多晶硅化物薄膜7中的高掺杂多晶硅的极性与p型掺杂发射极5的极性相反；重掺杂多晶硅化物薄膜7，与底电池的发射极形成隧穿复合结，与顶电池的载流子传输层，即电子收集层(ETL)或空穴收集层(HTL)形成欧姆接触。所述背电极栅线1由丝网印刷银浆加烧结制成。所述晶硅类-PERT底电池中钝化层A2为氮化硅和氧化硅背钝化层，钝化层B3为磷扩散背场层，p型掺杂发射极5为扩硼层；超薄隧穿介质层6为超薄氧化硅(SiOx)、超薄氧化铝(AlOx)或其他介质材料；重掺杂多晶硅化物薄膜7为重掺n型多晶硅化物或多晶硅层(poly-SiOx、poly-SiNx、poly-SiCx、或poly-Si)。
所述超薄隧穿介质层6包括氧化硅、氧化铝和氮氧化硅等；硅化物的重要作用在于阻挡多晶硅化物中的掺杂原子显著扩散进去硅表面，避免形成常规pn结，确保形成隧穿结。
重掺杂多晶硅化物薄膜7为高温处理的多晶的或纳米晶的氧化硅、氮化硅或碳化硅当然也可以是多晶硅(或纳米晶硅)；相比于多晶硅薄膜，硅化物薄膜的优点包括：在可见光及中红外光区吸收较低、折射率较低、同等厚度下方块电阻较低。重掺杂多晶硅化物薄膜7如果是n型多晶硅化物，则有效掺杂浓度高于1×1018cm-3，优选高于1×1019cm-3；重掺杂多晶硅化物薄膜7如果是p型多晶硅化物，则有效掺杂浓度高于5×1017cm-3，优选高于5×1018cm-3；重掺杂多晶硅化物薄膜7的薄膜厚度为5～100nm，优选10～50nm。
晶硅类-PERT底电池中的n-型硅片4和晶硅类-PERC底电池中的p-型硅片13为平面结构或绒面结构；所述平面结构先进行碱抛光，再进行高浓度的TMAH处理使其表面更光滑；所述绒面结构先对表面用酸溶液进行圆角化处理，然后再进行高浓度的TMAH处理使其表面更光滑。
实施例3
底电池为平面型n-PERT电池，表面制备氧化硅，磷掺杂非晶硅的厚度为20nm，经过700℃快速退火10～300s，形成隧穿结，接触电阻率为10～20mΩ.cm2，方阻为1000Ω/sq。在隧穿结上依次制备厚度为1～300nm的电子传输层(可以是但不局限于TiO2、SnO2、ZnO、PCBM、C60、Nb2O5、SrTiO3、ICBA、ICTA等材料)、厚度为50～1500nm钙钛矿薄膜(ABX3，其中A为MA(甲胺)、FA(甲脒)、5-AVA(5-异戊酸铵)或CS及其组合，B为Cu、Ni、Fe、Co、Mn、Cr、Cd、Sn、Pb、Pd、Ge、Eu或Yb及其组合，X为I、Br或Cl其组合)、厚度为1～300nm的空穴传输层(可以是但不局限于spiro-OMeTAD、NiOx、CuI、CuSCN、NiOx、PEDOT:PSS、CuCSN、Graphene oxide、Cu2O、CuO、CuCaO2、P3HT、VOx等材料)。在已经制备好空穴传输层上制备在ITO(氧化铟锡)、FTO(掺氟氧化锡)、ATO(氧化锡锑)或透明金属电极，最后制备栅线电极。
实施例4
底电池为平面型n-PERT电池，表面制备氧化硅，磷掺杂非晶硅的厚度为100nm，经过700℃快速退火10～300s，形成隧穿结，接触电阻率为5～15mΩ.cm2，方阻为60Ω/sq。在隧穿结上依次制备厚度为1～300nm的电子传输层(可以是但不局限于TiO2、SnO2、ZnO、PCBM、C60、Nb2O5、SrTiO3、ICBA、ICTA等材料)、厚度为50～1500nm钙钛矿薄膜(ABX3，其中A为MA(甲胺)、FA(甲脒)、5-AVA(5-异戊酸铵)或CS及其组合，B为Cu、Ni、Fe、Co、Mn、Cr、Cd、Sn、Pb、Pd、Ge、Eu或Yb及其组合，X为I、Br或Cl其组合)、厚度为1～300nm的空穴传输层(可以是但不局限于spiro-OMeTAD、NiOx、CuI、CuSCN、NiOx、PEDOT:PSS、CuCSN、Graphene oxide、Cu2O、CuO、CuCaO2、P3HT、VOx等材料)。在已经制备好空穴传输层上制备在ITO(氧化铟锡)、FTO(掺氟氧化锡)、ATO(氧化锡锑)或透明金属电极，最后制备栅线电极。本发明采用SiOx-poly-Si结构与表面发射极形成隧穿结，无需激光开孔，无需金属电极和TCO。可承受高温，方阻低于TCO和金属电极。
本发明采用多晶硅化物材料(含多晶硅)；区别于异质结(HIT)；定义厚度5～100nm，定义掺杂浓度；定义掺杂原子部分扩散进入，优选10～30nm；本发明采用的硅片需进行表面处理，无论平面绒面都需要强制表面TMAH。
在通常的PERC或PERT太阳电池中两层电解质钝化层是绝缘材料，不能与顶电池形成电流通路。而本发明中两层电解质钝化层分别为超薄隧穿介质层6和重掺杂多晶硅化物薄膜7，载流子可以隧穿通过与顶电池形成电流通路。

Claims (3)

1.一种钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，其特征在于，包括：底电池和钙钛矿顶电池；所述底电池为晶硅类-PERC底电池或晶硅类-PERT底电池；所述钙钛矿顶电池包括钙钛矿电池载流子传输层A（8）、钙钛矿吸收层（9）、钙钛矿电池载流子传输层B（10）、透明导电膜（11）和顶电极栅线（12）；所述顶电极栅线（12）位于透明导电膜（11）顶部；
所述晶硅类-PERT底电池从底部至顶部的结构依次为背电极栅线（1）、钝化层A（2）、钝化层B（3）、n-型硅片（4）、p型掺杂发射极（5）、超薄隧穿介质层（6）和重掺杂多晶硅化物薄膜（7）；所述背电极栅线（1）嵌入钝化层A（2）和钝化层B（3）底部与n-型硅片（4）接触；所述p型掺杂发射极（5）、超薄隧穿介质层（6）和重掺杂多晶硅化物薄膜（7）三层形成隧穿结；
所述晶硅类-PERC底电池从底部至顶部的结构依次为背电极栅线（1）、钝化层A（2）、钝化层B（3）、p-型硅片（13）、n型掺杂发射极（14）、超薄隧穿介质层（6）和重掺杂多晶硅化物薄膜（7）；所述背电极栅线（1）嵌入钝化层A（2）和钝化层B（3）底部与p-型硅片（13）接触；所述n型掺杂发射极（14）、超薄隧穿介质层（6）和重掺杂多晶硅化物薄膜（7）三层形成隧穿结；
重掺杂多晶硅化物薄膜（7）为高温处理的多晶的氧化硅、氮化硅或碳化硅；重掺杂多晶硅化物薄膜（7）的薄膜厚度为10～50nm；
晶硅类-PERT底电池中的n-型硅片（4）和晶硅类-PERC底电池中的p-型硅片（13）为平面结构或绒面结构；所述平面结构先进行碱抛光，再进行高浓度的TMAH处理；所述绒面结构先对表面用酸溶液进行圆角化处理，然后再进行高浓度的TMAH处理；
所述晶硅类-PERT底电池中钝化层A（2）为氮化硅和氧化硅背钝化层，钝化层B（3）为磷扩散背场层，p型掺杂发射极（5）为扩硼层；超薄隧穿介质层（6）为超薄氧化硅或超薄氧化铝；重掺杂多晶硅化物薄膜（7）为重掺n型多晶硅化物；有效掺杂浓度高于1×1019cm-3；
所述晶硅类-PERC底电池中钝化层A（2）为氮化硅背钝化层，钝化层B（3）为氧化铝背钝化层，n型掺杂发射极（14）为扩磷层，超薄隧穿介质层（6）是超薄氧化硅或超薄氧化铝；重掺杂多晶硅化物薄膜（7）为重掺p型多晶硅化物；有效掺杂浓度高于5×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，其特征在于：所述背电极栅线（1）由丝网印刷银浆加烧结制成。
3.根据权利要求1所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，其特征在于：重掺杂多晶硅化物薄膜（7）为高温处理的纳米晶的氧化硅、氮化硅或碳化硅。
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