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一种钙钛矿晶体硅叠层太阳电池及其制备方法 专利技术说明

作者:admin      2022-11-23 13:38:56     989

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及太阳电池技术领域,具体而言,涉及一种钙钛矿晶体硅叠层太阳电池及其制备方法。背景技术:2.随着不可再生资源的不断消耗,能源短缺问题已日益严重;同时由于不可再生资源不断消耗带来的污染问题也日益严重,人们迫切寻求一种可持续发展的清洁能源代替之。3.太阳能作为一种可再生的清洁能源,不仅资源丰富、还可免费开发利用、并且不会对环境带来污染、更不需要开采和运输,具有巨大的应用潜力和开发前景。4.太阳电池是对太阳能利用的最直接方式,太阳电池通过光电效应或光化学效应能够直接把光能转化成电能,被广泛应用于太阳能发电站、太阳电池幕墙、太阳能路灯、沙漠地区的绿化灌溉等等。5.由于晶体硅太阳电池技术、工艺相对成熟,电池转换率相对高且性能稳定一直在市场上占据着主导地位,晶体硅太阳电池的理论极限值为29.4%,现有开发的晶体硅太阳电池的最高转换效率为26.7%,非常接近理论极限值,主流晶体硅太阳电池的转换效率已经面临着瓶颈。6.迄今为止,研究者发现钙钛矿硅叠层太阳电池能够有效解决高能电子的热化损失问题,具有高达46%的极限效率,被认为是最有希望突破单结理论极限的新型光伏技术,其中钙钛矿硅叠层太阳电池的硅底电池结构是影响光电转换效率的重要因素,目前,大部分钙钛矿硅叠层太阳电池采用的是平面结构或者金字塔绒面结构的硅底电池,平面结构的硅底电池在钙钛矿和硅界面存在严重的反射,又严重依赖于入射光的波长和角度,这限制了它在实际工作中的能量转换效率,此外,平板结构还需要抛光处理,增加了生产的成本;金字塔绒面结构的硅底电池很难实现溶液法的钙钛矿良好覆盖,需要采用真空制备工艺,制备条件苛刻,同时难以实施对钙钛矿添加剂的钝化和稳定性的调控,即使通过降低金字塔尺寸和提高钙钛矿的厚度能够实现溶液法在金字塔绒面上的覆盖,但是降低金字塔尺寸会影响光学性能,提高钙钛矿厚度会因为载流子扩散长度不足而导致电池性能下降,由此可见,如何进一步提高太阳电池的光转换效率是一项亟待解决的问题。技术实现要素:7.本发明的目的在于提供一种钙钛矿晶体硅叠层太阳电池及其制备方法,使叠层太阳电池具有较好的光转换性能。8.为实现上述目的,本发明提供一种钙钛矿晶体硅叠层太阳电池,包括顶电池单元和底电池单元,其中,顶电池单元为钙钛矿电池,底电池单元为晶体硅电池,晶体硅电池以晶体硅片作为衬底,晶体硅片的正表面为黑硅纳米绒面结构。9.进一步地,黑硅纳米绒面结构为可以实现界面减反及高质量钙钛矿成膜的周期纳米列阵结构或随机纳米结构。优选地,晶体硅片的背表面为金字塔绒面结构。10.进一步地,黑硅纳米绒面结构为纳米洞、纳米线、纳米碗、纳米柱、纳米锥、纳米管、纳米球、纳米半球、纳米金字塔、纳米倒金字塔和纳米条中的一种。优选地,黑硅纳米绒面的特征尺寸小于1000nm。11.进一步地,顶电池为基于p-i-n或n-i-p结构的钙钛矿电池。12.进一步地,底电池为硅同质结或硅异质结晶体硅电池。优选地,晶体硅电池为bsf、perc、shj、topcon和ibc电池结构中的一种。13.本发明的另一方面提供了一种上述钙钛矿晶体硅叠层太阳电池的制备方法,包括以下步骤:14.s1、通过湿法或干法对晶体硅片进行制绒处理,使晶体硅片正表面形成黑硅纳米绒面结构;15.s2、在制绒后的的晶体硅片上制备晶体硅电池;16.s3、在晶体硅太阳电池上制备钙钛矿电池层。17.本发明通过溶液法使钙钛矿电池能够很好地覆盖于晶体硅电池的黑硅纳米绒面结构之上,且能提升钙钛矿的成膜质量,实现了晶体硅电池和钙钛矿电池的良好兼容,提升钙钛矿晶体硅叠层太阳电池的光转换效率。18.进一步地,在步骤s1中,湿法制绒的过程为:将晶体硅片先进行rca清洗,再将晶体硅片放入预处理液中处理,用去离子水冲洗后,晶体硅片的正表面形成黑硅纳米线结构。优选地,预处理液是氢氟酸、过氧化氢、硝酸银和异丙醇的混合物。19.进一步地,在步骤s1中,湿法制绒的过程为:将晶体硅片先进行rca清洗,再将晶体硅片放入预处理液中处理,用去离子水冲洗后,晶体硅片的正表面形成黑硅纳米线结构,用浓硝酸浸泡后,用去离子水冲洗,用氢氧化钠溶液处理后,晶体硅片的正表面形成开口的纳米黑硅结构。20.本发明具有以下有益效果:21.1、本发明提供的叠层太阳电池,在晶体硅片上制备黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面可以通过界面的折射率渐变来降低反射损失,并通过对短波段入射光的耦合提供顶电池带边的光吸收,还能通过提高入射光的散射,提高入射光的光程,有效地提高了底电池的近红外波段的光吸收能力。22.2、本发明提供的叠层太阳电池,在晶体硅片上制备黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面可以通过纳米限域效应促进钙钛矿晶粒的纵向生长,提高晶体质量,降低晶界数量和表面缺陷,促进载流子传输。23.3、本发明提供的叠层太阳电池,在晶体硅片上制备黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面的高色散分量可以提高钙钛矿和反溶剂的润湿性,促进钙钛矿的大面积制备,降低钙钛矿和反溶剂的用量,提高反溶剂的萃取能力。24.4、本发明提供的叠层太阳电池,在晶体硅片上制备黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面的低极性分量有利于提高界面对水氧的阻隔能力,防止空气中的水汽侵入。25.5、本发明提供的叠层太阳电池,在晶体硅片上制备黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面有助于释放钙钛矿薄膜内部退火过程中形成的残余应力,防止应力的堆积,提高离子迁移的活化能,提高长期稳定性。26.6、本发明提供的叠层太阳电池,在晶体硅片上制备黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面既可以采用湿法制备,也可以采用干法制备,兼容传统产线制备工艺,适合于规模化生产。附图说明27.图1为本发明优选实施例一制得的钙钛矿纳米绒面晶体硅叠层太阳电池的晶体硅底电池的黑硅纳米洞绒面结构(中间)与现有技术公开的的晶体硅底电池平面结构(左侧)和金字塔结构(右侧)对比图。28.图2为本发明优选实施例二制备钙钛矿纳米绒面晶体硅叠层太阳电池的过程示意图。29.图3为本发明优选实施例二制得的钙钛矿纳米绒面晶体硅叠层太阳电池的截面sem图。30.图4为本发明优选实施例三制得的钙钛矿纳米绒面晶体硅叠层太阳电池的截面sem图。31.图5为本发明优选实施例三制得的钙钛矿纳米绒面晶体硅叠层太阳电池的电流–电压曲线图。具体实施方式32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。33.本发明提供了一种钙钛矿晶体硅叠层太阳电池,由钙钛矿顶电池和晶体硅底电池组成,其中,钙钛矿顶电池为基于p-i-n或n-i-p结构的钙钛矿电池,晶体硅底电池为硅同质结或硅异质结晶体硅电池,晶体硅电池是以晶体硅片作为衬底的,晶体硅片的正表面为黑硅纳米绒面结构,黑硅纳米绒面结构可以为周期纳米列阵结构也可以是随机纳米结构。本发明提供的钙钛矿晶体硅叠层太阳电池,能够通过溶液法将钙钛矿电池较好地覆盖于晶体硅电池的黑硅纳米绒面结构之上,实现了晶体硅电池和钙钛矿电池的良好兼容,以使太阳电池具有较好的的光转换效率。34.优选地,晶体硅电池为bsf、perc、shj、topcon和ibc电池结构中的一种,晶体硅片的背表面为金字塔绒面结构。35.实施例一36.本实施例提供的钙钛矿晶体硅叠层太阳电池是通过以下步骤制得:37.s1、选用n型抛光面晶体硅片作为衬底,进行rca清洗,用hf去除氧化层,采用反应离子刻蚀得到黑硅纳米洞绒面结构;38.s2、将得到的黑硅纳米绒面衬底进行rca清洗,随后利用浓硝酸处理晶体硅片两面生成氧化硅;再利用pecvd在双面氧化硅层上分别沉积p和b掺杂的非晶硅薄膜前驱体,在管式炉中,温度控制在800-1000℃下退火10-90min,使薄膜晶化、激活掺杂原子形成n-和p-型多晶硅层;39.s3、用hf去除氧化层,利用ald双面沉积氧化铝,并退火,注入氢;利用热蒸发沉积缓冲层;利用pvd在沉积tco复合层;利用旋涂在n-型多晶硅层表面沉积meo-2pacz空穴传输层;利用旋涂在meo-2pacz表面沉积钙钛矿薄膜;利用热蒸发在钙钛矿表面沉积c60和bcp电子传输层;利用磁控溅射在bcp表面沉积izo透明电极;在izo表面和背面利用磁控溅射沉积金属框电极。40.图1示出了本实施例制得的基于黑硅纳米绒面结构太阳电池(中间)与基于平面结构(左侧)和金字塔结构(右侧)制得的太阳电池的整体示意图,由图1可知,本实施例制得的黑硅纳米绒面结构相对与平面结构和金字塔结构具有较低的光反射,有效降低了光的反射损失。41.实施例二42.如图2所示,本实施例提供的钙钛矿晶体硅叠层太阳电池是通过以下步骤制得:43.s1、选用n型抛光面晶体硅片作为衬底,进行rca清洗,将晶体硅片放入预处理液中,处理温度为25℃,处理时间为3min,再用去离子水冲洗2min,得到黑硅纳米线结构,再用浓硝酸浸泡3min,除去表面残留的银,用去离子水冲洗2min;44.优选地,在步骤s1中,预处理液是氢氟酸、过氧化氢、硝酸银和异丙醇的混合物,氢氟酸、过氧化氢和异丙醇的体积比为1:24:5,硝酸银的浓度为96μmol/l,氢氟酸的质量浓度为40%,过氧化氢的质量浓度为30%,浓硝酸的质量浓度为68%。45.s2、将得到的黑硅纳米绒面衬底进行rca清洗,随后利用pecvd在硅片两面利用笑气先沉积氧化硅;再利用pecvd分别在两面氧化硅层上沉积p和b掺杂的非晶硅薄膜前驱体,在管式炉中,温度控制在800-1000℃下退火10-90min,使薄膜晶化、激活掺杂原子形成n-和p-型多晶硅层;46.s3、用hf去除氧化层,利用ald双面沉积氧化铝,并退火,注入氢;利用热蒸发沉积缓冲层;利用pvd在沉积tco复合层;利用旋涂在n-型多晶硅层表面沉积六水合硝酸镍薄膜,并300℃退火形成氧化镍薄膜空穴传输层;利用旋涂在氧化镍表面沉积钙钛矿薄膜;利用热蒸发在钙钛矿表面沉积c60和bcp电子传输层;利用磁控溅射在bcp表面沉积izo透明电极;在izo表面和背面利用磁控溅射沉积金属框电极。47.如图2所示,在本实施例制得的钙钛矿晶体硅叠层太阳电池中包括正面金属电极,厚度约为100-200nm,正面减反射层,厚度约为80-100nm,缓冲层,厚度约为10-20nm,钙钛矿电子传输层,厚度约为10-20nm,钙钛矿活性层,厚度约为400-500nm,钙钛矿空穴传输层,厚度约为15-20nm,中间复合层,厚度约为10-15nm,n型传输层,厚度约为10-20nm,钝化层,厚度约为10-15nm,晶体硅层,厚度为200-270um,钝化层,厚度约为10-15nm,p型传输层,厚度约为20-30nm,背面电极,厚度约为200-250nm。48.如图3示出了本实施例制得的基于黑硅纳米线绒面结构上兼容钙钛矿电池截面sem图,由图可知,钙钛矿电池较好地覆盖于纳米绒面结构之上。49.实施例三50.本实施例提供的钙钛矿晶体硅叠层太阳电池是通过以下步骤制得:51.s1、选用n型抛光面晶硅片作为衬底,进行rca清洗,用hf去除氧化层,将硅片放入预处理液中,处理温度为25℃,处理时间为3min,再用去离子水冲洗2min,得到纳米线结构,再用浓硝酸浸泡3min,除去表面残留的银,用去离子水冲洗2min,用质量分数为5%的氢氧化钠处理20s,对纳米线进行扩孔,得到黑硅纳米碗结构;52.优选地,在步骤s1中,预处理液是氢氟酸、过氧化氢、硝酸银和异丙醇的混合物,氢氟酸、过氧化氢和异丙醇的体积比为1:24:5,硝酸银的浓度为96μmol/l,氢氟酸的质量浓度为40%,过氧化氢的质量浓度为30%,浓硝酸的质量浓度为68%,氢氟酸、盐酸和水的体积比为3:5:12;53.s2、将得到的黑硅纳米绒面衬底进行rca清洗,随后利用浓硝酸处理硅片两面生成氧化硅;再利用pecvd在双面氧化硅层上分别沉积p和b掺杂的非晶硅薄膜前驱体,在管式炉中,温度控制在800-1000℃下退火10-90min,使薄膜晶化、激活掺杂原子形成n-和p-型多晶硅层;54.s3、用hf去除氧化层,利用ald双面沉积氧化铝,并退火,注入氢;利用热蒸发沉积缓冲层;利用pvd在沉积tco复合层;利用旋涂在n-型多晶硅层表面沉积meo-2pacz空穴传输层;利用旋涂在meo-2pacz表面沉积钙钛矿薄膜;利用热蒸发在钙钛矿表面沉积c60和bcp电子传输层;利用磁控溅射在bcp表面沉积izo透明电极;在izo表面和背面利用磁控溅射沉积金属框电极。55.如图4示出了本实施例制得的基于纳米碗绒面结构上兼容钙钛矿电池截面sem图,由图可知,钙钛矿电池较好地覆盖于纳米绒面结构之上。56.根据图5,对本实施例制得的钙钛矿晶体硅叠层太阳电池进行性能测试,相关数据如下:[0057] voc(v)ff(%)jsc(ma/cm2)pce(%)正扫1.8080.019.327.8反扫1.8081.919.328.5[0058]由上述数据可知,实施例三得到的太阳电池的开路电流为1.80v,光转化效率达到28.5%,具有较优的光转化效率。[0059]值得一提的是,本发明还可以在晶体硅片的正表面制备纳米柱、纳米锥、纳米管、纳米球、纳米半球、纳米金字塔、纳米倒金字塔或纳米条等结构单元,也能够实现钙钛矿电池的良好覆盖和兼容,得到具有较好光转化效率的太阳电池。优选地,黑硅纳米绒面的特征尺寸小于1000nm。[0060]最后应说明的是,以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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