一种晶硅钙钛矿叠层太阳电池的制备方法与流程

1.本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种晶硅钙钛矿叠层太阳电池的制备方法。


背景技术：

2.晶硅太阳电池的带隙为1.12ev，能量等于或高于1.12ev的入射光子可被硅衬底吸收产生电子-空穴对，即光生载流子，而多余能量会以热量形式耗散掉。但是，能量低于1.12ev的入射光子则无法被硅衬底吸收，也就无法产生光生载流子，进而造成光谱能量损失；其中，所有能量损失中50％以上是以光谱能量损失的形式浪费掉的。为了减少光谱能量损失，有效方式是设计多结太阳电池，这样，在共用入射光的条件下，不同带隙材料的p-n结可吸收不同能量入射光子，以拓宽光谱的吸收范围，从而有利于提高太阳电池的开路电压和短路电流，进而有利于提高太阳电池的电池效率。
3.其中，叠层太阳电池中，晶硅/钙钛矿叠层太阳电池是最具代表性的一种。钙钛矿材料由于具有吸收系数高、吸收边陡峭以及带隙宽度可调的优点，是非常理想的光电材料；而且，与带隙宽度为1.12ev的晶硅相比，钙钛矿材料的带隙宽度在1.5～2.3ev之间可调，有利于降低光谱能量损失，十分适合作为叠层太阳电池的顶电池材料。另外，目前制备的钙钛矿电池的厚度小于1μm，基本不会吸收长波段光子，从而能有效地实现均匀分光，具有良好的透光性，以使不被吸收的入射光进入底电池而被充分吸收，有利于降低光谱能量损失。
4.现有晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的制备方法，如公开号cn110767777a提供的一种低成本的高效叠层太阳电池的制备方法，其在电子传输层和钙钛矿薄膜沉积之后，将聚-3己基噻吩、小分子空穴传输材料或无机空穴传输材料旋涂至钙钛矿薄膜层表面，形成空穴传输层。这种旋涂法虽然便捷，但是空穴传输层的颗粒尺寸和膜层致密性难以控制；而且旋涂法的产能低，无法大批量同时旋涂；同时旋涂法对资源的浪费很大，有80％的资源在旋涂的时候被甩出去，而无法被利用。再如公开号cn113013277a提供的一种晶硅钙钛矿叠层太阳电池及其制备方法，其底电池为常规隧穿氧化钝化接触结构，顶电池的空穴传输层采用热蒸发法制备。该制备方法的缺点是热蒸发法对温度和真空度的要求较高，导致膜层的形貌和微观结构难以控制。可见，现有晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的制备方法所制得的空穴传输层的膜层致密性、形貌和微观结构难以得到控制，导致钙钛矿顶电池的转换效率和稳定性较差，并容易导致钙钛矿顶电池与晶硅底电池的匹配性能差，进而导致光生载流子在金属电极附近的复合损失较多，限制了晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的电池效率的提升。
5.此外，近年来，非化学计量比过渡金属氧化物由于在新型高性能光电或光催化装置中的优异光电学性质而备受关注。其中，非化学计量比氧化钼(moo
x
，2≤x≤3)由于具有无毒、大带隙和深电子态的优点，有望作为一种空穴传输材料候选物应用于新型钙钛矿太阳电池中。然而若采用上述现有的制备方法来制备moo
x
空穴传输层，则moo
x
形貌、组分和微观结构极易受到控制参数和环境条件的影响，进而限制了其在新型钙钛矿太阳电池中的实际应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种晶硅钙钛矿叠层太阳电池的制备方法，以解决现有叠层太阳电池中光生载流子复合损失较多的问题，以提高所得的晶硅钙钛矿叠层太阳电池的金属电极对载流子的收集能力，进而提升电池效率。
7.基于此，本发明公开了一种晶硅钙钛矿叠层太阳电池的制备方法，其制备步骤如下：包括如下制备步骤：
8.步骤s1，晶硅底电池的制备：
9.步骤s11，在n型晶体的硅衬底的前表面制备p 发射极；
10.步骤s12，在硅衬底的背表面依次制备隧穿氧化硅和掺杂多晶硅后，对掺杂多晶硅的背面局部进行选择性掺杂以形成重掺杂区域，即得选择性背表面场；
11.步骤s13，在选择性背表面场的背表面和p 发射极的前表面分别制备第一钝化层和第二钝化层后，在重掺杂区域和p 发射极上分别制备向外延伸的第一金属电极和第二金属电极；
12.步骤s2，钙钛矿顶电池的制备：
13.步骤s21，在透明粘合层的前表面依次制备叠层的电子传输层和钙钛矿吸收层；
14.步骤s22，采用电化学法在钙钛矿吸收层的前表面制备moo
x
空穴传输层；
15.步骤s23，在电子传输层的背表面和moo
x
空穴传输层的前表面分别制备向外延伸的第三金属电极和第四金属电极；
16.步骤s3，采用透明粘合层将钙钛矿顶电池堆叠于晶硅底电池的前表面。
17.优选地，所述步骤s12中，所述重掺杂区域采用激光掺杂法或二次扩散掺杂法制得。
18.进一步优选地，所述步骤s12中，所述重掺杂区域采用激光掺杂法制得。
19.优选地，所述掺杂多晶硅的掺杂浓度大于2
×
10
19
cm-3
、结深小于0.3μm，重掺杂区域的掺杂浓度大于2
×
10
20
cm-3
、结深大于0.2μm；
20.所述隧穿氧化硅的厚度为0.5～2nm；所述掺杂多晶硅的厚度为50～200nm。
21.优选地，所述步骤s22中，所述moo
x
空穴传输层的制备步骤为：采用电化学法通过电压扫描方式在fto镀膜玻璃基板上沉积形成moo
x
空穴传输层，再将moo
x
空穴传输层置于钙钛矿吸收层的前表面；
22.所述moo
x
空穴传输层的厚度为20～80nm。
23.优选地，所述步骤s21中，所述电子传输层的制备步骤为：在透明粘合层的表面旋涂溶解有二氧化钛或富勒烯衍生物材料的溶液，以固化形成电子传输层；
24.所述电子传输层的厚度为20～80nm。
25.优选地，所述钙钛矿吸收层的厚度为300～600nm。
26.优选地，所述步骤s11中，所述p 发射极的表面浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm-3
、结深为0.3～1μm。
27.优选地，所述步骤s11中，在制备p 发射极之前，还包括先选取n型单晶硅衬底，对硅衬底进行去损伤层和清洗后，对硅衬底进行制绒的步骤。
28.优选地，所述第一钝化层为氢化氮化硅，第一钝化层的厚度为50～150nm；
29.所述第二钝化层为氧化硅/氢化氮化硅的叠层结构，第二钝化层中氧化硅的厚度
为1～10nm、氢化氮化硅的厚度为50～150nm。
30.与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
31.本发明中，钙钛矿顶电池的空穴传输层采用moo
x
薄膜，并通过一种新的可控的电化学法，能够制备出均匀、平滑的非化学计量比moo
x
空穴传输层，采用该电化学法所得的moo
x
空穴传输层的化学计量比、形貌和微观结构仅需通过简单的物理/化学参数即可得到有效调控，以提升该moo
x
空穴传输层的氧空位浓度、致密性及结晶度，从而改善钙钛矿作为顶电池的性能的转换效率，并提升其稳定性，且该电化学法还具有廉价和便于大面积应用的优点，有利于规模化生产；同时，本发明的晶硅底电池还采用选择性背表面场结构；这样，能大大提高该钙钛矿顶电池与晶硅底电池的匹配性能，进而有效避免光生载流子在金属电极附近的复合损失，得到一种具有更高载流子收集效率的晶硅钙钛矿叠层太阳电池，进而有效提升该晶硅钙钛矿叠层太阳电池的电池效率。
附图说明
32.图1是实施例1的一种硅基钙钛矿叠层太阳能电池的结构示意图。
33.附图标号说明：第一金属电极1，第一钝化层2，掺杂多晶硅3，重掺杂区域4，隧穿氧化硅5，硅衬底6，p 发射极7，第二钝化层8，第二金属电极9，透明粘合层10，第三金属电极11，电子传输层12，钙钛矿吸收层13，moo
x
空穴传输层14，第四金属电极15。
具体实施方式
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.实施例1
36.本实施例的一种晶硅钙钛矿叠层太阳电池的制备方法，参照图1，该晶硅钙钛矿叠层太阳电池包括依次叠设的晶硅底电池、透明粘合层10和钙钛矿顶电池，其制备方法包括以下步骤：
37.步骤1，晶硅底电池的制备：
38.步骤11，硅衬底6和p 发射极7的制备：选取n型单晶硅衬底6，在去损伤层和清洗之后，对硅衬底6进行制绒，然后，在硅衬底6的前表面制备p 发射极7。本实施例的一种示例为，将去损伤层和清洗后的硅衬底6放置于naoh和异丙醇的混合溶液中进行制绒，其中，naoh碱溶液的浓度为1％～3％，异丙醇溶液的浓度为2％～10％；采用扩散法通入硼源以形成p 发射极7，其中，p 发射极7的表面浓度为1
×
10
19
～5
×
10
19
cm-3
、结深为0.3～1μm。
39.步骤12，选择性背表面场的制备：硅衬底6的背表面经刻蚀之后，先制备一层隧穿氧化硅5，再在隧穿氧化硅5的背表面沉积一层掺杂多晶硅3，然后，对掺杂多晶硅3的背表面局部进行选择性掺杂以形成重掺杂区域4，即得选择性背表面场。
40.其中，隧穿氧化硅5优选为采用lpcvd法制备，隧穿氧化硅5的厚度为0.5～2nm。其中，掺杂多晶硅3和重掺杂区域4优选为磷掺杂，重掺杂区域4优选为激光掺杂法或二次扩散掺杂法；掺杂多晶硅3的厚度为50～200nm，掺杂多晶硅3的掺杂浓度大于2
×
10
19
cm-3
、结深小于0.3μm，重掺杂区域4的掺杂浓度大于2
×
10
20
cm-3
、结深大于0.2μm。
41.步骤13，钝化层、第一金属电极1和第二金属电极9的制备：在选择性背表面场的背
表面和p 发射极7的前表面分别制备第一钝化层2和第二钝化层8，然后，采用对钝化层具有烧穿性的金属浆料，在重掺杂区域4和p 发射极7上分别制备向外延伸的第一金属电极1和第二金属电极9，得到具有选择性背表面场的晶硅底电池。
42.本实施例的一种示例为，在选择性背表面场的背表面沉积一层氢化氮化硅作为第一钝化层2，其中，第一钝化层2的厚度为50～150nm，并在p 发射极7的前表面沉积氧化硅/氢化氮化硅的叠层结构作为第二钝化层8，其中，第二钝化层8中氧化硅的厚度为1～10nm、氢化氮化硅的厚度为50～150nm；第一金属电极1和第二金属电极9优选为采用丝网印刷法制备。
43.步骤2，钙钛矿顶电池的制备：
44.步骤21，电子传输层12的制备：在透明粘合层10的前表面制备电子传输层12。
45.本实施例的一种示例为，在透明粘合层10的表面旋涂溶解有二氧化钛或富勒烯衍生物材料的溶液，以固化形成电子传输层12；其中，电子传输层12的厚度为20～80nm。
46.步骤22，钙钛矿吸收层13的制备：在电子传输层12的前表面制备钙钛矿吸收层13。
47.本实施例的一种示例为，把金属卤化物和有机卤化物溶于有机溶剂中，进行搅拌，以得到钙钛矿前驱体溶液，然后将钙钛矿前驱体溶液旋涂在电子传输层12上，经退火处理后得到钙钛矿吸收层13；其中，钙钛矿吸收层13的厚度为300～600nm。
48.步骤23，moox空穴传输层14的制备：采用电化学法在钙钛矿吸收层13的前表面制备moox空穴传输层14。其中，若无特殊说明，该moox空穴传输层14中x的取值范围为2≤x≤3。
49.本实施例的一种示例为，采用电化学法通过电压扫描方式在fto镀膜玻璃基板上沉积形成moox空穴传输层14，电压分别为-1.2v至-0.8v和-0.5v至1.0v，进而将该moox空穴传输层14设置于钙钛矿吸收层13的前表面；其中，moox空穴传输层14的厚度为20～80nm。
50.步骤24，第三金属电极11和第四金属电极15的制备：在电子传输层12的背表面和moox空穴传输层14的前表面分别制备向外延伸的第三金属电极11和第四金属电极15，得到具有moox空穴传输层14的钙钛矿顶电池。
51.本实施例的一种示例为，采用丝网印刷法制备第三金属电极11和第四金属电极15，其中，第三金属电极11和第四金属电极15的材质为金属ag。
52.步骤3，最后，通过透明粘合层10将钙钛矿顶电池堆叠于晶硅底电池的前表面，钙钛矿顶电池和晶硅底电池独立连接，即得本实施例的晶硅钙钛矿叠层太阳电池，其结构如图1所示，下往上依次为第一金属电极1、第一钝化层2、掺杂多晶硅3、重掺杂区域4、隧穿氧化硅5、硅衬底6、p 发射极7、第二钝化层8、第二金属电极9、透明粘合层10、第三金属电极11、电子传输层12、钙钛矿吸收层13、moox空穴传输层14和第四金属电极15。
53.本实施例的上述晶硅钙钛矿叠层太阳电池的制备方法中，通过对各层的材质、厚度、制备方法以及择性背表面场与p 发射极7的掺杂浓度和结深进行优选和优化，以提高钙钛矿顶电池与晶硅底电池的匹配性能，进而更好地避免光生载流子在金属电极附近的复合损失，大大提高所得的晶硅钙钛矿叠层太阳电池的载流子收集效率和电池效率。
54.本实施例中晶硅钙钛矿叠层太阳电池的晶硅底电池为n型晶硅topcon结构，且晶硅底电池的背表面采用选择性背表面场结构；同时，钙钛矿顶电池的前表面采用电化学法来制备moox空穴传输层14结构，使moox空穴传输层14的化学计量比、形貌和微观结构仅需
通过简单的物理/化学参数即可得到有效调控，以提升该moox空穴传输层14的氧空位浓度、致密性及结晶度，得到均匀、平滑的moox空穴传输层14，以改善钙钛矿作为顶电池的性能的转换效率，并提升其稳定性。如此，本实施例的制备方法能大大提高该钙钛矿顶电池与晶硅底电池的匹配性能，进而有效避免光生载流子在金属电极附近的复合损失，得到本实施例的一种具有更高载流子收集效率的晶硅钙钛矿叠层太阳电池，进而有效提升该晶硅钙钛矿叠层太阳电池的电池效率。此外，该电化学法还具有廉价和便于大面积应用的优点，有利于晶硅钙钛矿叠层太阳电池的规模化生产。
55.尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
56.以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。