一种太阳能电池

1.本发明涉及太阳能电池。


背景技术：

2.太阳能电池作为清洁能源目前已经得到广泛应用，特别是随着碳中和、节能减排成为国际社会的主流趋势，光伏发电作为清洁新能源中的重要一环获得了原来越多的关注。但是，当前太阳能电池的光利用效率仍未达到理想状态，仍然需要对太阳能电池的结构进行合理设计，提高电池效率。


技术实现要素：

3.为了克服上述技术问题，本发明提供了一种叠层太阳能电池，包括：
4.第一电池，其包括第一光电转换层，第一光电转换层包含具有第一带隙的第一光电转换材料，
5.第二电池，其包括第二光电转换层，第二光电转换层包含具有第二带隙的第二光电转换材料，其中，第一带隙与第二带隙不相等；
6.在第一光电转换层和第二光电转换层之间依次设置有第一电荷传输层、透明导电层、第二电荷传输层和多晶硅层，
7.其中，第二电荷传输层设置在多晶硅层和和透明导电层之间，且所述第二电荷传输层与所述多晶硅层的电荷传输性质相同。
8.本发明提出的太阳能电池中在第一光电转换层和第二光电转换层之间依次设置有第一电荷传输层、透明导电层、第二电荷传输层和多晶硅层，特别是第二电荷传输层的设置可以保护多晶硅层，能够有效传输同一类型的电荷，避免复合现象在界面或薄膜内部的发生，从而能有效的提升电池效率。本技术太阳能还具有结构简单，制作工艺简便，成本较低等特点。
9.在一种实施方式中，所述多晶硅层的多晶硅为p型多晶硅，厚度为1nm至100μm；
10.所述第二电荷传输层中的构成材料为p型电荷传输材料，厚度为0.1-100nm；优选地，p型电荷传输材料选自niox，x为0.1到10之间；cufeo2；cualo2；cuscn；cu2o；wo3；cui2；mos2；fes2；p3ht；spiro-meotad；poly-tbd；pfn、pedot:pss；ptaa；spiro-ttb中的一种或多种。
11.在一种实施方式中，所述第一电荷传输层中的构成材料为n型电荷传输材料；优选地，n型电荷传输材料选自tio2、sno2、zno、zro2、in2o3、cds、cdse、basno3、nb2o5、c60、pcbm中的一种或多种。
12.在一种实施方式中，所述多晶硅层的多晶硅为n型多晶硅，厚度为1nm至100μm；
13.所述第二电荷传输层中的构成材料为n型电荷传输材料，厚度为0.1-100nm；优选地，n型电荷传输材料选自tio2、sno2、zno、zro2、in2o3、cds、cdse、basno3、nb2o5、c60、pcbm中的一种或多种。
14.在一种实施方式中，所述第一电荷传输层中的构成材料为p型电荷传输材料；优选地，p型电荷传输材料选自niox，x为0.1到10之间；cufeo2；cualo2；cuscn；cu2o；wo3；cui2；mos2；fes2；p3ht；spiro-meotad；poly-tbd；pfn、pedot:pss；ptaa；spiro-ttb中的一种或多种。
15.在一种实施方式中，第一电荷传输层的厚度为1-500nm。
16.在一种实施方式中，第一电荷传输层的厚度大于第二电荷传输层的厚度。
17.在一种实施方式中，所述第二电荷传输层贴合所述多晶硅层远离第二光电转换层的表面，且位于所述多晶硅层之上；
18.所述透明导电层贴合所述第二电荷传输层远离第二光电转换层的表面，且位于所述第二电荷传输层之上。
19.在一种实施方式中，所述透明导电层的厚度为1-1000nm，材料选自tio2、sno2、zno、zro2、gzo、azo、izo、fto、ito、basno3、掺ti的sno2、掺zn的sno2中的一种或多种。
20.在一种实施方式中，第一光电转换材料选自钙钛矿、非晶硅、gainp、cdte、铜铟镓硒薄膜；优选地，第一光电转换材料为钙钛矿材料，带隙为1.40-2.3ev；优选地，第一光电转换层的厚度为1-5000nm；
21.第二光电转换材料选自单晶硅、多晶硅、gaas、cdte、钙钛矿；优选地，第二光电转换材料为单晶硅。
22.在一种实施方式中，所述太阳能电池由入光面包括叠层设置的：
23.顶部金属电极，
24.顶部透明导电层，
25.第三电荷传输层，
26.所述第一光电转换层，
27.所述第一电荷传输层，
28.所述透明导电层，
29.所述第二电荷传输层，
30.所述多晶硅层，
31.隧穿层，
32.所述第二光电转换层，
33.钝化层，和
34.底部金属电极；
35.其中，第三电荷传输层的构成材料与所述第二电荷传输层的构成材料具有相同的电荷传输性质。
36.在一种实施方式中，第三电荷传输层的厚度为1-500nm，优选地，厚度大于第二电荷传输层的厚度。
37.在一种实施方式中，第一光电转换层的厚度为100-1000nm；第一光电转换材料选自钙钛矿，带隙为1.40-2.3ev；
38.第二光电转换层的厚度为1-200μm；第二光电转换材料选自n型单晶硅。
39.在一种实施方式中，所述钙钛矿层的材料为三维abx3结构，其中，a包括ch(nh2)
2
、ch3nh
3
、c(nh2)
3
,cs

或rb

中的任意一种或至少两种的组合，b包括pb
2
、sn
2
或sr
2
中的任意
一种或至少两种的组合，x包括br-、i-或ci-中的任意一种或至少两种的组合。
40.在一种实施方式中，所述顶部透明导电层的厚度为0.1-1000nm，所述透明导电层的厚度为为0.1-1000nm，材料各自独立地选自tio2、sno2、zno、zro2、gzo、azo、izo、fto、ito、basno3、掺ti的sno2、掺zn的sno2中的一种或多种；
41.顶部金属电极和底部金属电极层的材质包括au、ag、al或cu中的一种或至少两种的组合；
42.第三电荷传输层的厚度为1-500nm，所述第二电荷传输层的厚度为1-100nm，构成材料各自独立地选自tio2、sno2、zno、zro2、in2o3、cds、cdse、basno3、nb2o5、c60、pcbm中的一种或多种；
43.第一电荷传输层的厚度为1-500nm，构成材料选自niox，x为0.1到10之间；cufeo2；cualo2；cuscn；cu2o；wo3；cui2；mos2；fes2；p3ht；spiro-meotad；poly-tbd；pfn、pedot:pss；ptaa；spiro-ttb中的一种或多种；优选地，第一电荷传输层的厚度大于第二电荷传输层的厚度；
44.所述多晶硅层的厚度为1nm至100μm，材料为n型多晶硅；
45.钝化层的厚度为0.1-500μm，材质包括sio2、氮化硅、氧化铝或氮氧化硅中一种或至少两种的组合；
46.隧穿层的厚度为0.1-100nm。
47.本技术提供一种制备太阳能电池的方法，包括：
48.形成第二电池，其包括第二光电转换层，第二光电转换层包含具有第二带隙的第二光电转换材料；
49.在第二光电转换层上依次形成多晶硅层、第二电荷传输层、透明导电层和第一电荷传输层；
50.形成第一电池，其包括第一光电转换层，第一光电转换层包含具有第一带隙的第一光电转换材料；其中，第一带隙与第二带隙不相等；
51.其中，第二电荷传输层通过热蒸发法、原子层沉积法、等离子体快速沉积法或溶液法形成。
52.在一种实施方式中，透明导电层通过物理气相沉积法形成。
附图说明
53.图1示出本技术的太阳能电池的一种实施方式的结构示意图。
54.图2示出实施例1和对比例1得到的太阳能电池的电流密度-电压曲线。
具体实施方式
55.下面通过附图和实施例对本技术进一步详细说明。通过这些说明，本技术的特点和优点将变得更为清楚明确。
56.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
57.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成
冲突就可以相互结合。
58.本技术提供一种太阳能电池，包括：
59.第一电池，其包括第一光电转换层，第一光电转换层包含具有第一带隙的第一光电转换材料，
60.第二电池，其包括第二光电转换层，第二光电转换层包含具有第二带隙的第二光电转换材料，其中，第一带隙与第二带隙不相等；
61.在第一光电转换层和第二光电转换层之间依次设置有第一电荷传输层、透明导电层、第二电荷传输层和多晶硅层，
62.其中，第二电荷传输层设置在多晶硅层和和透明导电层之间，且所述第二电荷传输层与所述多晶硅层的电荷传输性质相同；
63.第一电荷传输层设置在第一光电转换层和和透明导电层之间，第一电荷传输层与第二电荷传输层的电荷传输性质相反。
64.图1示出本技术的太阳能电池的一种实施方式。以下结合图1进一步描述本技术的太阳能电池。
65.本技术的太阳能电池为叠层结构，包括第一电池和第二电池，以及在第一电池和第二电池的光电转换层之间的中间结构。
66.第一电池包括第一光电转换层10，第一光电转换层10包含具有第一带隙的第一光电转换材料。第二电池包括第二光电转换层20，第二光电转换层20包含具有第二带隙的第二光电转换材料。第一电池位于第二电池的上方，使得第一光电转换层10位于第二光电转换层20的上方。在一种实施方式中，第一光电转换材料的第一带隙可以大于第二光电转换材料的第二带隙。当然，第一光电转换材料的第一带隙可以小于第二光电转换材料的第二带隙。不过，优选地采用第一种方式，也即，第一光电转换材料的第一带隙大于第二光电转换材料的第二带隙。
67.在一种实施方式中，第一光电转换材料可以选自钙钛矿、非晶硅、gainp、cdte、铜铟镓硒薄膜；优选地，第一光电转换材料为钙钛矿材料。
68.在一种实施方式中，第二光电转换材料可以选自单晶硅、多晶硅、gaas、cdte、钙钛矿；优选地，第二光电转换材料为单晶硅。第二光电转换层的厚度可以为1-500μm，例如1-200μm。
69.对于本技术来说，所述钙钛矿层的材料可以为abx3，其中，a包括fa、ma、cs或rb中的任意一种或至少两种的组合，b包括pb、sn或sr中的任意一种或至少两种的组合，x包括br、i或ci中的任意一种或至少两种的组合。所述钙钛矿层的带隙可以为1.40-2.3ev。所述钙钛矿材料组成的钙钛矿层厚度可以为1-5000nm，例如，所述钙钛矿层的厚度可以为100～1000nm，例如，厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。
70.在第一电池和第二电池的光电转换层10,20之间的中间结构至少包括：第一电荷传输层31、透明导电层32、第二电荷传输层33和多晶硅层34。特别是，在第一光电转换材料为钙钛矿材料，第二光电转换材料为单晶硅的实施方式中，可以由上至下(以入射光面作为上方)依次设置第一电荷传输层31、透明导电层32、第二电荷传输层33和多晶硅层34。
71.以下分别描述第一电荷传输层31、透明导电层32、第二电荷传输层33和多晶硅层
34。
72.在一种实施方式中，多晶硅层34的多晶硅为n型多晶硅，厚度为1nm至100μm。在一种实施方式中，多晶硅层34的多晶硅为p型多晶硅，厚度为1nm至100μm。该多晶硅层的形成方式可以包括通过低压化学气相沉积法(lowpressure chemical vapor deposition，lpcvd)或者等离子增强化学气相沉积法(plasmaenhanced chemical vapor deposition，pecvd)。
73.在本技术中，第二电荷传输层33设置在多晶硅层34和和透明导电层32之间，第二电荷传输层33的厚度小于透明导电层32的厚度；且所述第二电荷传输层33与所述多晶硅层34的电荷传输性质相同；第一电荷传输层31设置在第一光电转换层10和和透明导电层32之间，第一电荷传输层31与第二电荷传输层33的电荷传输性质相反。
74.在一种实施方式中，所述第二电荷传输层33贴合所述多晶硅层远离第二光电转换层的表面，且位于所述多晶硅层34之上。在多晶硅层34上形成第二电荷传输层33时，为了避免对多晶硅层产生的损伤，可以采用比较温和的工艺制备该第二电荷传输层33。在本技术中，第二电荷传输层33的厚度可以0.1-100nm，例如1-50nm，1-20nm。第二电荷传输层33在保护多晶硅层表面的同时，还能起到电荷传输的作用。第二电荷传输层33的制备方法可以包括热蒸发法，原子层沉积法(ald)、等离子体快速沉积法或者溶液法等。通过该第二电荷传输层33，可以保护多晶硅层在后续沉积薄膜时将损伤降低，从而达到优化界面，提升叠层电池效率的目的。
75.在本技术中，第二电荷传输层33的电荷传输性质可以根据多晶硅层34的性质进行调整。当多晶硅层34的多晶硅为p型多晶硅时，第二电荷传输层33中的构成材料为p型电荷传输材料；当多晶硅层的多晶硅为n型多晶硅时，第二电荷传输层中的构成材料为n型电荷传输材料。如此设置，可以保持电荷传输类型的一致性，目的是为了有效传输同一类型的电荷，避免复合现象在界面或薄膜内部的发生。
76.在本技术中，p型电荷传输材料可以选自niox，x为0.1到10之间；cufeo2；cualo2；cuscn；cu2o；wo3；cui2；mos2；fes2；p3ht；spiro-meotad；poly-tbd；pfn、pedot:pss；ptaa；spiro-ttb中的一种或多种。n型电荷传输材料可以选自tio2、sno2、zno、zro2、in2o3、cds、cdse、basno3、nb2o5、c60、pcbm中的一种或多种。
77.在本技术中，透明导电层32设置在第二电荷传输层33的上方。在一种实施方式中，所述透明导电层32贴合所述第二电荷传输层远离第二光电转换层的表面，且位于所述第二电荷传输层33之上。在一种实施方式中，所述透明导电层的厚度可以为1-1000nm，例如，1-100nm，如20nm。
78.在一种实施方式中，所述透明导电层32的材料可以选自tio2、sno2、zno、zro2、gzo、azo、izo、fto、ito、basno3、掺ti的sno2、掺zn的sno2中的一种或多种；优选地，可以为横向导电比较强的材料，例如ito，izo等。其制备方法可以是物理气相沉积法、溶液法、热蒸发法、电子束热蒸发、原子层沉积法；不过，一般可以采用物理气相沉积法。
79.在本技术中，透明导电层32中的材料与第二电荷传输层33中的材料不同。在本技术中，第一光电转换层10和第一光电转换层10之间还包含第一电荷传输层31。该第一电荷传输层31通常设置在透明导电层32的上方。在一种实施方式中，第一电荷传输层31贴合所述透明导电层32远离第二光电转换层的表面，且位于所述透明导电层32之上。
80.第一电荷传输层31和第二电荷传输层33虽然都是电荷传输层，但是，两者在制备方法、厚度等方面有不同的要求。在本技术中，第一电荷传输层31的厚度可以为1-500nm，例如1-100nm，如30nm。在一种实施方式中，第一电荷传输层31的厚度可以大于第二电荷传输层33的厚度。
81.第一电荷传输层31与第二电荷传输层33的电荷传输性质相反。当第二电荷传输层33的构成材料为n型电荷传输材料时，第一电荷传输层31中的构成材料为p型电荷传输材料；当第二电荷传输层33的构成材料为p型电荷传输材料时，第一电荷传输层31中的构成材料为n型电荷传输材料。如此设置，可以保持顶第二电池电流的一致性，使得包含第一光电转换层的第一电池向下传递的电荷种类，和包含第二光电转换层的第二电池向上传递的电荷种类是相反的。
82.在本技术中，p型电荷传输材料可以选自niox，x为0.1到10之间；cufeo2；cualo2；cuscn；cu2o；wo3；cui2；mos2；fes2；p3ht；spiro-meotad；poly-tbd；pfn、pedot:pss；ptaa；spiro-ttb中的一种或多种。n型电荷传输材料可以选自tio2、sno2、zno、zro2、in2o3、cds、cdse、basno3、nb2o5、c60、pcbm中的一种或多种。
83.第一电荷传输层31的制备方法可以为溶液法、热蒸发法、溅射法或者原子层沉积法等。
84.如图1所示，所述太阳能电池由入光面包括叠层设置的如下层：
85.顶部金属电极11，顶部透明导电层12，第三电荷传输层13，所述第一光电转换层10，
86.所述第一电荷传输层31，所述透明导电层32，所述第二电荷传输层33，所述多晶硅层34，
87.隧穿层21，所述第二光电转换层20，扩散硅层22，钝化层23，和底部金属电极24。
88.在本技术中，该多晶硅层34与第二光电转换层(单晶硅层)20之间可以存在隧穿层21。隧穿层21的形成方式包括高温热氧法、硝酸氧化法及臭氧氧化法。隧穿层的厚度可以为0.1-100nm。
89.在本技术中，第二光电转换层(单晶硅层)20远离隧穿层21一面可以形成扩散硅层22，其电荷传输性质与第二光电转换层(单晶硅层)的电荷传输性质相反。在一种实施方式中，第二光电转换层(单晶硅层)为n型单晶硅，扩散硅层22则为p型单晶硅。
90.扩散硅层22远离隧穿层21的表面可以设置钝化层23。钝化层23的厚度可以为0.1-500μm，材质包括sio2、氮化硅、氧化铝或氮氧化硅中一种或至少两种的组合。
91.扩散硅层22上插设有至少一个底部金属电极24。底部金属电极的材质包括au、ag、al或cu中的一种或至少两种的组合。
92.由此，形成包含第二光电转换层20的第二电池。
93.可以在第一光电转换层10上形成第三电荷传输层13，第三电荷传输层13和第一电荷传输层31分别从第一光电转换层里抽取不同类型的电荷输送到外电路，因此，该第三电荷传输层的构成材料与所述第二电荷传输层33的构成材料具有相同的电荷传输性质，与第一电荷传输层31的构成材料的电荷传输性质相反。当第二电荷传输层33的构成材料为n型电荷传输材料时，第三电荷传输层13中的构成材料为n型电荷传输材料；当第二电荷传输层33的构成材料为p型电荷传输材料时，第三电荷传输层13中的构成材料为p型电荷传输材
料。
94.在本技术中，p型电荷传输材料可以选自niox，x为0.1到10之间；cufeo2；cualo2；cuscn；cu2o；wo3；cui2；mos2；fes2；p3ht；spiro-meotad；poly-tbd；pfn、pedot:pss；ptaa；spiro-ttb中的一种或多种。n型电荷传输材料可以选自tio2、sno2、zno、zro2、in2o3、cds、cdse、basno3、nb2o5、c60、pcbm中的一种或多种。
95.第三电荷传输层13的厚度为1-500nm，且厚度大于第二电荷传输层33的厚度。第三电荷传输层13的制备方法可以为溶液法、热蒸发法、溅射法、原子层沉积法等。
96.可以在第三电荷传输层13上形成顶部透明导电层12。在一种实施方式中，顶部透明导电层12的厚度可以为0.1-1000nm，材料可以选自tio2、sno2、zno、zro2、gzo、azo、izo、fto、ito、basno3、掺ti的sno2、掺zn的sno2中的一种或多种。其制备方法可以是溅射法、溶液法、热蒸发法、电子束热蒸发、原子层沉积法；不过，一般可以采用溅射法。
97.可以在顶部透明导电层12上形成至少一个顶部金属电极11。顶部金属电极的材质包括au、ag、al或cu中的一种或至少两种的组合。
98.由此，可以形成包含第一光电转换层的第一电池。
99.根据需要，可以在第二电池和第一电池的各层之间设置其他层的，以调节或钝化界面，起到提升器件效率的作用。例如，可以在第三电荷传输层13和第一光电转换层10之间形成缓冲层14。缓冲层14的材质可以包括氧化钼、lif、c60、sno2、tio2、sio2等中的一种或至少两种的组合。缓冲层的形成方式包括ald、pecvd、旋涂法、溅射法或热蒸发法中的一种或至少两种的组合。还例如，可以在顶部透明导电层12上形成减反层(未示出)，减反层的材质可以包括lif、mgf2、si3n4、sio2或者二甲基硅氧烷聚合物等，其形成方式可以包括蒸镀法、溅射法或ald中的一种或至少两种的组合。
100.本技术提供一种制备太阳能电池的方法，包括：
101.形成第二电池，其包括第二光电转换层，第二光电转换层包含具有第二带隙的第二光电转换材料；
102.在第二光电转换层上依次形成多晶硅层、第二电荷传输层、透明导电层和第一电荷传输层；
103.形成第一电池，其包括第一光电转换层，第一光电转换层包含具有第一带隙的第一光电转换材料；其中，第一带隙与第二带隙不相等。
104.形成第一电池、第二电池以及第二光电转换层之间的多晶硅层和第一电荷传输层等的方法可以使用本领域已知的各种方法。不过，在本技术中，第二电荷传输层通过热蒸发法、原子层沉积法、等离子体快速沉积法或溶液法等温和方法形成，可以保护多晶硅层在后续沉积薄膜时将损伤降低，从而达到优化界面，提升叠层电池效率的目的。在一种实施方式中，透明导电层通过物理气相沉积法形成。
105.实施例1.
106.(1)将厚度为180μm的n型单晶硅作为衬底，进行常规的制绒，绒度为2至3微米，氢氟酸和rca标椎清洗。
107.(2)采用扩散炉设备在单晶硅衬底的正面进行磷扩散，形成p型发射极。
108.(3)采用lpcvd在单晶硅衬底的背面制备一层厚度为1nm超薄遂穿二氧化硅和磷掺杂的非晶硅，高温激活形成厚度为100nm的n型多晶硅。
109.(4)采用pecvd设备在p型发射极上沉积厚度为75nm的氮化硅层。
110.(5)采用丝网印刷在p型发射极侧形成ag电极。
111.(6)采用原子层沉积法在n型多晶硅上沉积一层5nm的电荷传输层sno2。
112.(7)通过磁控溅射在电荷传输层sno2上沉积一层15nm的透明导电层ito。
113.(8)通过磁控溅射法在ito上沉积一层40nm的电荷传输层nio。
114.(9)通过刮涂法在cualo2层上沉积2pacz，厚度为50nm。
115.(10)通过刮涂法制备钙钛矿吸光层cs
0.15
fa
0.85
pb(i
0.7
br
0.3
)3，带隙约为1.69ev，厚度为600nm。
116.(11)通过热蒸发法在钙钛矿层上沉积5nm的缓冲层c
60
。
117.(12)采用原子层沉积法在缓冲层上沉积一层20nm的电子传输层sno2。
118.(13)采用磁控溅射设备在sno2上沉积一层厚度为100nm的透明导电层izo。
119.(14)使用热蒸发法制备ag金属栅线层，厚度为100nm，完成电池制备。
120.对比例1
121.制备过程同实施例1，不同之处在于，不包含(6)，而是(7)通过磁控溅射直接在n型多晶硅上沉积一层15nm的透明导电层ito。
122.测试例
123.通过将实施例1和对比例1制备好的叠层电池放在光源强度为100mw/cm2的am1.5g标准模拟太阳光下，测试电池的电流密度-电压曲线进行测量，通过获得电池的开路电压voc，短路电流密度jsc，填充因子ff，来计算出电池的光电转换效率，结果如表1所示，实施例1和对比例1所得的叠层电池的电流密度-电压曲线如图2所示。
124.可以看出，经过实施例1中增加第二电荷传输层sno2，叠层电池的所有参数得到了明显的提升，光电转换效率从18.71％提升至23.99％。效率的提升有助于叠层电池将更多的光转换成电，同时也降低了系统的成本。
125.表1
[0126][0127]
以上结合了优选的实施方式对本技术进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本技术进行多种替换和改进，这些均落入本技术的保护范围内。