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三终端叠层太阳能发电单元的制作方法

2021-11-03 20:46:00 来源:中国专利 TAG:


1.本发明涉及光伏发电,具体地说,涉及能将太阳能转换成电的太阳能发电单元。


背景技术:

2.随着气候变化、全球变暖和化石燃料枯竭,近几年来开发了众多技术以使用替代能源,尤其是可再生能源。
3.其中一种主要技术涉及利用光伏电池将太阳能转换成电。
4.太阳能电池包括其中吸收光以产生电子

空穴对的p

n结和用于在一侧收集电子且在另一侧收集空穴的相反电极。
5.为了提高太阳能电池的效率,有一种方式是将数个太阳能电池堆叠起来以形成多触点或叠层(tandem)太阳能电池。
6.已经开发了不同类型的叠层太阳能电池,但是每种构造都有一些缺陷。例如,双终端(2t)构造由于子电池串联连接而需要电流匹配,四终端(4t)构造导致更多的层和因此更高的成本,并可能会引发额外的寄生损耗。
7.三终端(3t)构造似乎减少了2t和4t终端本身的缺陷。但是,3t构造通常需要交叉指式背接触(interdigitated back contact ibc),由于它需要高质量的材料,例如具有较长扩散长度的n型材料,因而无法使用大量生产的低成本的perc电池(passivated emitter and rear cell)。
8.因此,本发明旨在提供一种太阳能发电单元,其在限制这样的太阳能发电单元的制造成本的同时提供高效率。


技术实现要素:

9.本发明涉及一种三终端叠层太阳能发电单元,其包括:
10.‑
由具有钙钛矿型晶体结构的化合物制成的并包括前侧和背侧的第一吸收层;
11.‑
包括前侧和背侧的第二吸收层;
12.‑
设置于第一吸收层的前侧的第一和第二叉指前接触,所述第一前接触具有第一极性,所述第二前接触具有第二极性;
13.‑
设置于所述第二吸收层的背侧的具有所述第一或第二极性的背接触;
14.‑
设置在所述第一和第二吸收层之间的界面层,所述界面层包括根据所述第一极性进行掺杂的半导体第一子层和根据所述第二极性进行掺杂的第二子层,并且所述界面层构造为允许极性不同于背接触极性的关联载流子从所述第二吸收层转移到所述第一吸收层,以被极性不同于所述背接触的极性的前接触所收集。
15.根据本发明的另一方面,所述界面层是隧道结层。
16.根据本发明的另一方面,所述界面层是由两个透明导电的氧化物子层制成的重组层。
17.根据本发明的另一方面,所述第二吸收层由晶体硅制成。
18.根据本发明的另一方面,所述第二吸收层由以下合金中的一种制成:
19.‑
iii

v族半导体合金;
20.‑
具有钙钛矿型晶体结构的化合物;
21.‑
铜铟镓硒“cigs”;
22.‑
碲化镉“cdte”。
23.根据本发明的另一方面,所述第一极性对应于以空穴作为关联载流子的p型极性,而且所述第二极性对应于以电子作为关联载流子的n型极性。
24.根据本发明的另一方面,所述背接触具有所述第一极性并包括背表面场,并且根据所述第一极性对所述第二吸收层进行掺杂。
25.根据本发明的另一方面,所述隧道结包括根据所述第一极性高度掺杂并设置为与所述第二吸收层的前侧接触的子层和根据所述第二极性掺杂并设置为与所述第一吸收层的背侧接触的子层。
26.根据本发明的另一方面,所述背接触具有所述第二极性,并且根据所述第二极性对所述第二吸收层进行掺杂。
27.根据本发明的另一方面,所述隧道结包括根据所述第二极性高度掺杂并设置为与所述第二吸收层的前侧接触的子层和根据所述第一极性掺杂并设置为与所述第一吸收层的背侧接触的子层。
28.根据本发明的另一方面,所述前接触和背接触是钝化接触。
29.根据本发明的另一方面,所述第一和第二前接触分别包括空穴传输层“htl”和电子传输层“etl”。
30.根据本发明的另一方面,空穴传输层由以下材料中的一种制成:
31.‑
镍的氧化物“nio
x”;
32.‑
钼的氧化物“moo
x”;
33.‑
钨的氧化物“wo
x”;
34.‑
2,2',7,7'

四[n,n

二(4

甲氧基苯基)氨基]

9,9'

螺二芴“spiro

ometad”;
[0035]

聚(三芳基胺)“ptaa”;
[0036]

聚(3

己基噻吩)“p3ht”;
[0037]

掺有聚(苯乙烯磺酸)的聚(3,4

乙烯二氧噻吩)“pedot:pss”;
[0038]

硫氰酸亚铜“cuscn”;
[0039]

钴的氧化物“coo
x”;
[0040]

铬的氧化物“cro
x”;
[0041]

碘化亚铜“cui”;
[0042]

硫化铜“cus”;
[0043]

铜的氧化物“cuo
x”;
[0044]

钒的氧化物“vo
x”,
[0045]
并且,电子传输层由以下材料中的一种制成:
[0046]

锡的氧化物“sno
x”;
[0047]

钛的氧化物“tio
x”;
[0048]

锌的氧化物“zno
x”;
[0049]

碳、c
60
及其衍生物;
[0050]

锆的氧化物“zro
x”;
[0051]

石墨;
[0052]

石墨烯;
[0053]

氧化石墨烯“rgo”。
[0054]
根据本发明的另一方面,所述前接触和背接触包括金属网格或透明导电氧化物网格。
[0055]
本发明还涉及一种制造三终端叠层太阳能发电单元的方法,其包括以下步骤:
[0056]

提供具有背面和前面的透光衬底;
[0057]

在衬底的前面上沉积具有第一或第二极性的背接触;
[0058]

在所述背接触上沉积第二吸收层;
[0059]

在所述第二吸收层上沉积隧道结的高度掺杂的半导电的第一子层;
[0060]

在第一子层上沉积隧道结的掺杂的半导电的第二子层;
[0061]

在第二子层上沉积由具有钙钛矿型晶体结构的化合物制成的第一吸收层;
[0062]

在第一吸收层上沉积第一和第二叉指前接触,第一前接触具有第一极性,第二前接触具有第二极性。
[0063]
本发明还涉及一种制造三终端叠层太阳能发电单元的方法,其包括以下步骤:
[0064]

提供基于晶体硅的光伏电池,其包括晶体硅层,所述晶体硅层包括前侧和与所述前侧相对的背侧,所述前侧构造为光射入所述晶体硅层的一侧,在所述晶体硅层的背侧设置有第一层组,在晶体硅层的前侧设置有第二层组;
[0065]

去除所述晶体硅光伏电池的第二层组;
[0066]

在晶体硅层的前侧上沉积隧道结的高度掺杂的半导电的第一子层;
[0067]

在第一子层上沉积隧道结的掺杂的半导电的第二子层;
[0068]

在所述第二子层上沉积由具有钙钛矿型晶体结构的化合物制成的第一吸收层;
[0069]

在所述第一吸收层上沉积第一和第二前叉指前接触,所述第一前接触具有第一极性,并且所述第二前接触具有第二极性。
[0070]
根据本发明的另一方面,去除所述第二层组的所述步骤包括使用氢氟酸或氢氟酸和硝酸的混合物进行的抛光步骤和/或蚀刻步骤。
[0071]
本发明还涉及一使三终端叠层太阳能发电单元的运行方法,其中,在所述第一和第二叉指前接触之间生成的电流被调节为使得由所述第一吸收层生成的电流与由所述第二吸收层生成的电流匹配。
附图说明
[0072]
图1是根据本发明的第一实施例的三终端叠层太阳能发电单元的图;
[0073]
图2是根据本发明的第二实施例的三终端叠层太阳能发电单元的图;
[0074]
图3是根据本发明的第三实施例的三终端叠层太阳能发电单元的图;
[0075]
图4是根据本发明的第四实施例的三终端叠层太阳能发电单元的图;
[0076]
图5是具有电流测量的三终端叠层太阳能发电单元的图;
[0077]
图6是根据本发明的第一实施例的用于获得三终端叠层太阳能发电单元的制造方
法的不同步骤的流程图;
[0078]
图7是根据本发明的第二实施例的用于获得三终端叠层太阳能发电单元的制造方法的不同步骤的流程图。
具体实施方式
[0079]
以下实现都是示例。尽管本说明书提及一个或更多个实施例,这并不意味着每个附图标记指的是同一实施例或特征仅适用于单个实施例。不同实施例的简单特征也可组合以提供其它实施例。
[0080]
本发明涉及一种包括三个终端的叠层太阳能发电单元。这样的叠层电池包括串联设置的两个不同的吸收层,该两个吸收层具有两个不同的带隙并构造为吸收光谱的不同部分。三个终端是通过在叠层太阳能发电单元的一侧上使用具有两个不同极性的两个叉指接触而获得的。在本例子中,叉指接触设置在叠层太阳能发电单元的前侧,这允许使用标准的现有电池作为叠层太阳能发电单元的背电池。而且,其中一个吸收层由具有钙钛矿型晶体结构的化合物制成,这以有限成本提供了高效率。
[0081]
图1示出了根据本发明的第一实施例的叠层太阳能发电单元1的不同的层。箭头3表示光的入射方向。层的前侧对应于首先受到光的照射的那一侧。因此,相对于背层,光首先达到前层。
[0082]
叠层太阳能发电单元1包括以下层:
[0083]

叉指前接触5a和5b;
[0084]

第一吸收层7;
[0085]

设置于第一吸收层7的背侧的界面层9;
[0086]

设置于界面层9的背侧的第二吸收层11;
[0087]

背表面场层13;
[0088]

钝化层15;
[0089]

背接触层17。
[0090]
现在将更详细地说明不同层的可行的构成。
[0091]
叉指前接触5a、5b可由分别具有第一极性和不同于第一极性的第二极性的两个交错状梳50a、50b制成。第一和第二极性指的是n型和p型的材料。第一和第二交错状梳50a、50b可分别指空穴传输层(htl)和电子传输层(etl)。
[0092]
p型层或htl可例如由以下元素中的一种制成:
[0093]

镍的氧化物“nio
x”;
[0094]

钼的氧化物“moo
x”;
[0095]

钨的氧化物“wo
x”;
[0096]

2,2',7,7'

四[n,n

二(4

甲氧基苯基)氨基]

9,9'

螺二芴“spiro

ometad”;
[0097]

聚(三芳基胺)“ptaa”;
[0098]

聚(3

己基噻吩)“p3ht”;
[0099]

掺有聚(苯乙烯磺酸)的聚(3,4

乙烯二氧噻吩)“pedot:pss”;
[0100]

硫氰酸亚铜“cuscn”;
[0101]

钴的氧化物“coo
x”;
[0102]

铬的氧化物“cro
x”;
[0103]

碘化亚铜“cui”;
[0104]

硫化铜“cus”;
[0105]

铜的氧化物“cuo
x”;
[0106]

钒的氧化物“vo
x”,
[0107]
n型层或etl可例如由以下材料中的一种制成:
[0108]

锡的氧化物“sno
x”;
[0109]

钛的氧化物“tio
x”;
[0110]

锌的氧化物“zno
x”;
[0111]

碳、c
60
及其衍生物;
[0112]

锆的氧化物“zro
x”;
[0113]

石墨;
[0114]

石墨烯;
[0115]

氧化石墨烯“rgo”。
[0116]
前接触5a、5b还包括由透明导电的氧化物[例如:氧化铟锡(ito)或氟掺杂氧化锡(fto)]或金属层(例如银层)制成的薄导电层51a、51b。薄导电层51a、51b分别布置在第一和第二交错状梳50a、50b的前侧。
[0117]
第一吸收层7由具有钙钛矿晶体结构的化合物制成。在本发明中,术语“钙钛矿”是指可用化学式

a
’‘
b
’‘
x’3表示的材料,其中,

a’是至少一个阳离子,

b’是至少一个阳离子,

x’是至少一个阴离子。阳离子

a’可以是有机的、无机的或有机

无机的阳离子。当阳离子

a’是有机的时,该有机阳离子可具有(r1r2r3r4n)n 或(r5r6n=ch—nr7r8)n 的化学式,其中,r是氢、未取代或取代的烷基,或未取代或取代的芳基,n等于或大于1(例如,

ch3nh3’ 称为ma,

hc(nh2)2’ 称为fa,

c(nh2)3’ 称为ga)。当阳离子

a’是无机的时,该阳离子可选自由以下构成的集合:ag 、li 、na 、k 、rb 、cs 、be2 、mg2 、ca2 、pb2 、sr2 、ba2 、fe2 、sc3 、y3 和la3 。该阳离子可以是单个或多个离子(例如:(mg,fe)sio3、ybacuo3)。
[0118]
当阳离子

a’是有机

无机的时,该阳离子可以是单个或多个离子,例如

a’=(m1n(r21

xr3x)(100

n)),其中,r优选地是如上述的有机阳离子,m优选地是如上所述构成的无机阳离子(例如:fa1

xgax

b
’‘
x’3、csx(manfa1

n)(100

x)

b
’‘
x’3)。
[0119]
阳离子

b’可以是选自以下集合中的金属阳离子:pb2 、sn2 、ge2 、bi2 、cu2 、au2 、ag2 、sb2 、nb2 、ti2 、mg2 、si2 、ca2 、sr2 、cd2 、ni2 、mn2 、fe2 、zr4 、co2 、pd2 、yb2 、eu2 、ce4 和tb4 。
[0120]
阴离子

x’可选自包括cl

、br

、i

、f

的卤化物阴离子集合、包括o2

、s2

、se2

、te2

的硫属阴离子集合或包括bf4

、pf6

、scn

的聚阴离子集合。该阴离子可以是单个或多个离子,例如

x’=(r1

xrx),其中,r是如上文所列出的阴离子。本发明还包括其它类型的可制备的钙钛矿:铜酸盐钙钛矿(la2

xbaxcuo4、yba2cu3o7、ba2mcu3o7,其中,m是例如pr、y、nd、sm、gd、dy、ho的稀土离子)。金属钙钛矿可基于rt3m结构生产,其中,r是稀土离子,t是过渡金属离子(pd、rh、ru),m是轻准金属(例如:b、c)。
[0121]
因此,上述关于材料范围的定义包括但不限于以下化合物:ch3nh3pbx3、csx(ch3
(nh2)2)1

xpbx3、csx((ch3nh3)y(ch3(nh2)2)1

y)(1

x)pbx3、axcsy((ch3nh3)z(ch3(nh2)2)1

z)1

ypbx3[其中,a是碱金属(li、na、k、rb)]、batio3、pbtio3、catio3、srtio3、pbzro3、srtio3、ktao3、knbo3、nanbo3、pb(mg1/3nb2/3)o3、pb(zn1/3nb2/3)o3、pb(mn1/3sb2/3)o3、pb(co1/3nb2/3)o3、pb(mn1/3nb2/3)o3、pb(ni1/3nb2/3)o3、pb(sb1/2sn1/2)o3、pb(co1/2w1/2)o3、pb(mg1/2w1/2)o3、linbo3、litao3、bitio3、natio3、nanbo3、knbo3、la1

xsrxmno3、la2nio4、la2coo4、gdbaco2o5、prbaco2o5、ndba1

xsrxcoo2o5、ba1

xsrxco1

yfeyo3、bicr1

xgaxo3、nanbo3、knbo3、lafeo3、lacoxfe1

xo3、la1

xsrxcoo3、lasrnio4、laxsrx

1feybiy

1o3、la2nio4、la2

xsrxcuo4、lasrni1

xalxo4、lamno3、lafeo3、lacoo3、lati1

xcuxo3、litao3、natao3、ktao3、cata2o6、srta2o6、bata2o6、(la1

xsrxcoo3、pr1

xsrxcoo3、sm1

xsrxcoo3、gd1

xsrxcoo3、tb1

xsrxcoo3、lacoo3、la1

xsrxmno3、laco1

xnixo3)。
[0122]
根据图1示出的第一实施例,界面层9可以指隧道结层9。
[0123]
隧道结层9包括根据第一极性进行掺杂的半导体第一子层9a和根据第二极性进行高度掺杂的半导体第二子层9b。
[0124]
第一子层9a例如是由镍的氧化物(nio
x
)、钼的氧化物(moo
x
)或钨的氧化物(wo
x
)制成的p型层。
[0125]
第二子层9b例如是由晶体硅制成并根据第二极性进行高度掺杂(例如以硼或磷掺杂)的n型层。
[0126]
根据图2示出的第二实施例,界面层90是指重组层90。重组层90包括由根据第一极性掺杂的透明导电的氧化物制成的半导体第一子层90a和由根据第二极性掺杂的透明导电的氧化物制成的半导体第二子层90b。其它层在第一和第二实施例中保持相同。
[0127]
在图1和图2的实施例中,第二吸收层11具有第一极性。第二吸收层11由晶体硅制成或由以下合金中的合金制成:
[0128]

iii

v族半导体合金;
[0129]

具有钙钛矿型晶体结构的化合物,如上述对第一吸收层7所描述的一样;
[0130]

铜铟镓硒“cigs”;
[0131]

碲化镉“cdte”。
[0132]
背表面场层13可以由铝制成。
[0133]
钝化层15可以由铝的氧化物/硅的氮化物(alo
x
/sin
x
)或硅的氧化物/硅的氮化物(sio
x
/sin
x
)制成。
[0134]
背接触层17可由铝制成并可通过丝网印刷获得。
[0135]
必须注意到,可在叠层太阳能发电单元的不同层上实现纹理化(texturing,前纹理化、背纹理化或内纹理化)。可以对所有接触进行钝化并且隧道结层9或重组层90可包括额外的层。然而,对于由钙钛矿制成的第一吸收层,可以不对前接触进行钝化。
[0136]
图3示出了叠层太阳能发电单元的第三实施例。
[0137]
在该第三实施例中,叠层太阳能发电单元1包括以下层:
[0138]

叉指前接触5a和5b;
[0139]

第一吸收层7;
[0140]

设置于第一吸收层7的背侧的界面层9’;
[0141]

设置于界面层9’的背侧的第二吸收层11’;
[0142]

发射极层12;
[0143]

钝化层15’;
[0144]

背接触层17’。
[0145]
在该实施例中,叉指前接触5a和5b和第一吸收层7可以与图1和图2示出的第一和第二实施例相同。
[0146]
界面层是隧道结层9’并包括根据第二极性(n型)掺杂的半导体第一子层9a’和根据第一极性(p型)高度掺杂的半导体第二子层9b’。
[0147]
第一子层9a’例如由锡的氧化物(sno
x
)、钛的氧化物(tio
x
)或锌的氧化物(zno
x
)制成。
[0148]
第二子层9b’例如由高度掺杂的晶体硅制成。
[0149]
根据图4示出的第四实施例,界面层是重组层90’,其包括由根据第一极性掺杂的透明导电的氧化物制成的半导体第一子层90a’和由根据第二极性掺杂的透明导电的氧化物制成的半导体第二子层90b’。其它层在第三和第四实施例中保持相同。
[0150]
在图3和图4的实施例中,第二吸收层11’具有第二极性(n型)。第二吸收层11’例如由晶体硅或钙钛矿或铜铟镓硒(cigs)或碲化镉(cdte)制成。
[0151]
根据第一极性对发射极层12进行掺杂。发射极层12例如由硼制成。
[0152]
钝化层15’由铝的氧化物/硅的氮化物(alo
x
/sin
x
)或硅的氧化物/硅的氮化物(sio
x
/sin
x
)制成。
[0153]
背接触层17’由例如铝制成。背接触层17’也可包括一定百分比的硅,并可通过气相沉积(pvd)获得。
[0154]
因此,叠层太阳能发电单元1允许极性与背接触极性不同的关联载流子从第二吸收层转移到第一吸收层,以被极性与背接触极性不同的前接触所收集。
[0155]
在图1和图2示出的第一和第二实施例的情况中,叠层太阳能发电单元1构造为允许与第二极性关联的载流子(电子)从第二吸收层转移到第一吸收层,以被与第二极性(n型)关联的前接触收集。
[0156]
在图3和图4示出的第三和第四实施例的情况中,叠层太阳能发电单元1构造为允许与第一极性关联的载流子(空穴)从第二吸收层转移到第一吸收层,以被与第一极性(p型)关联的前接触收集。
[0157]
选择第一吸收层7和第二吸收层11、11’的特征,尤其是它们的厚度,使得第一吸收层7产生的电流和第二吸收层11、11’产生的电流大致相同。
[0158]
而且,如图5所示,可监控在前接触5a、5b之间测得的电流i
ifc
和在前接触5a、5b与背接触17、17’之间的电流i
f

b
,来确定第一吸收层7生成的电流是否与第二吸收层11、11’产生的电流匹配,并从而在有差异或不匹配的情况下提取或重新注入一部分电流i
ifc
以优化叠层太阳能发电单元1的整体效率。本发明还涉及三终端叠层太阳能发电单元1的用途或其运行方法,其中,在第一和第二叉指前接触之间生成的电流被调节为使得第一吸收层7生成的电流与第二吸收层11、11’生成的电流匹配。
[0159]
图6示出了根据第一实施例的制造方法的不同步骤的流程图。
[0160]
第一步骤101是指提供具有背面和前面的透光衬底的步骤。
[0161]
第二步骤102是指在衬底的前面上沉积具有第一或第二极性的背接触层17、17’的步骤。背接触层可指铝层并可按照气相沉积技术来沉积。可替代地,可以丝网印刷该铝层。第二步骤102也可指沉积钝化层15、15’或发射极层12。
[0162]
第三步骤103是指在背接触层17、17’的前侧上(或也可能是在钝化层15、15’或发射极层12的前侧上)沉积相当于第二吸收层11、11’的吸收层的步骤。
[0163]
第四步骤104是指在第二吸收层11、11’的前侧上沉积隧道结的高度掺杂的半导电的第一子层9b、9b’、90b、90b’的步骤。
[0164]
第五步骤105是指在第一子层9b、9b’、90b、90b’的前侧上沉积隧道结的掺杂的半导电的第二子层9a、9a’、90a、90a’的步骤。
[0165]
第六步骤106是指在第二子层9a、9a’、90a、90a’的前侧上沉积由具有钙钛矿型晶体结构的化合物制成的相当于第一吸收层7的吸收层的步骤。
[0166]
第七步骤107是指在第一吸收层7的前侧上沉积第一和第二叉指前接触5a、5b的步骤,第一前接触5a具有例如n型极性的第一极性,第二前接触5b具有例如p型极性的第二极性。
[0167]
图7示出了根据第二实施例的制造方法的不同步骤的流程图。在该实施例中,目的在于改动现有的光伏电池以获得根据本发明的叠层太阳能发电单元。具体地说,选择现有的低成本的光伏电池,以限制叠层太阳能发电单元的整体成本。
[0168]
第一步骤201是指提供基于晶体硅的光伏电池的步骤,该光伏电池包括由晶体硅制成的吸收层、设置于晶体硅层的背侧的第一层组(例如背接触层等)和设置于晶体硅层的前侧的第二层组(例如前接触层等)。这样的光伏电池是大量生产的,并可以以低价格获得。
[0169]
第二步骤202是指去除晶体硅光伏电池的第二层组的步骤。可通过蚀刻和/或抛光工艺实现这样的去除。蚀刻品可以是氢氟酸或氢氟酸和硝酸的混合物。
[0170]
第三步骤203是指在晶体硅层的前侧上沉积隧道结的高度掺杂的半导电的第一子层的步骤。
[0171]
第四步骤204是指在第一子层上沉积隧道结的掺杂的半导电的第二子层的步骤。
[0172]
第五步骤205是指在第二子层上沉积由具有钙钛矿型晶体结构的化合物制成的第一吸收层的步骤。
[0173]
第六步骤206是指在第一吸收层上沉积第一和第二叉指前接触的步骤,第一前接触具有第一极性,第二前接触具有第二极性。
[0174]
要指出的是,可在不超出本发明范围的情况下,将其它步骤,尤其是沉积额外的层,添加到基于图6和7公开的制造方法中。
[0175]
由此,本发明允许获得一种高效的3t叠层太阳能发电单元,其在包括叉指前接触的叠层单元中包括与背光伏电池串联耦合的前光伏电池,该太阳能发电单元允许使用可用的大量生产的背电池以限制整体成本,并带来优化的效率/成本比。
再多了解一些

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