一种双面受光的太阳能电池及其制备方法和应用

1.本发明属于光伏技术领域，尤其涉及一种双面受光的太阳能电池及其制备方法和应用。


背景技术：

2.有机
‑
无机杂化钙钛矿太阳能电池因具有低成本、易制备和带隙可调节等优异的光电性能在国际上备受关注，并且发展迅速，单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从2009年的3.8％提升到2020年的25.5％，钙钛矿材料也被认为是最具潜力的下一代低成本太阳能电池的光吸收材料。
3.当前，钙钛矿/钙钛矿两端叠层太阳能电池是突破单结钙钛矿太阳能电池的shockley
‑
queisser极限的有效途径。在钙钛矿/钙钛矿两端叠层太阳能电池中，通过使用宽带隙的钙钛矿作为顶电池吸收短波长部分的太阳光，使用窄带隙的钙钛矿作为底电池吸收长波长部分的太阳光，可提高太阳光谱的利用率，降低单结电池中载流子的热弛豫损失，从而提高光电转换效率。
4.目前，现有的太阳能电池最主要、最关键的技术问题为：单面受光叠层电池的效率固定，在实际应用中由于无法充分利用来自地面的反射光，使得实际效率较低；其次要问题包括：1)单面受光叠层电池需要全面覆盖的金属背电极导致成本较高；2)单面受光叠层电池无法获得更大的短路电流密度；3)单面受光叠层电池的全覆盖金属在大面积制备中容易出现金属剥落的现象。
5.因此，目前亟待设计一种双面受光钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池，获得更高的短路电流，进而得到更高的太阳能电池光电转化效率。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的在于提供一种双面受光的太阳能电池，旨在解决背景技术中提出的问题。
7.本发明实施例是这样实现的，一种双面受光的太阳能电池，从受光正面至受光背面依次包括透明导电衬底、第一传输层、宽带隙钙钛矿层、第二传输层、隧穿复合层、第三传输层、窄带隙钙钛矿层、第四传输层、缓冲层、透明导电层和背面栅线电极。
8.作为本发明实施例的一个优选方案，所述透明导电衬底为氧化铟锡衬底、氧化铟钨衬底、掺氟氧化锡衬底、氧化铟锌衬底、掺铝氧化锌衬底中的任一种，但不限于此。
9.作为本发明实施例的另一个优选方案，所述第一传输层为空穴传输层，所述第二传输层为电子传输层，所述第三传输层为空穴传输层，所述第四传输层为电子传输层；
10.或者所述第一传输层为电子传输层，所述第二传输层为空穴传输层，所述第三传输层为电子传输层，所述第四传输层为空穴传输层；
11.其中，空穴传输层包含p型半导体材料；电子传输层包含n型半导体材料。
12.作为本发明实施例的另一个优选方案，所述隧穿复合层包含金属层和致密层；
13.其中，所述金属层包含金、钯、银、钛、铬、镍、铝、铜中的至少一种，但不限于此；所述致密层包含n型半导体材料或p型半导体材料。
14.金属层可以是连续的金属薄膜，也可以是金属纳米颗粒薄膜或非致密的金属岛状结构。金属层可以通过电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射、原子层沉积、旋涂、刮涂等沉积方法制得。致密层可通过物理沉积方法或化学沉积方法制备。物理沉积方法包括但不仅限于真空蒸发法、溅射、离子束沉积、脉冲激光沉积等；化学沉积方法包括但不仅限于化学气相沉积、原子层沉积、溶胶
‑
凝胶旋涂法等。
15.作为本发明实施例的另一个优选方案，所述p型半导体材料为氧化镍、氧化钼、氧化亚铜、碘化铜、酞菁铜、硫氰酸亚铜、氧化还原石墨烯、聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺]、2,2',7,7'
‑
四[n,n
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]
‑
9,9'
‑
螺二芴、聚3,4
‑
乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐、聚[双(4
‑
苯基)(4
‑
丁基苯基)胺]、聚乙烯基咔唑中的至少一种，但不限于此。
[0016]
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述n型半导体材料为氧化钛、氧化锡、氧化锌、富勒烯、石墨烯、富勒烯衍生物、[6,6]
‑
苯基
‑
c61
‑
丁酸甲酯中的至少一种，但不限于此。
[0017]
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述缓冲层包含氧化钼、氧化钒、2,9
‑
二甲基
‑
4,7
‑
联苯
‑
1,10
‑
邻二氮杂菲、氧化锡、氧化钛、氧化钨中的任意一种，但不限于此；
[0018]
缓冲层设计的目的是防止透明导电薄膜在沉积的过程中对下层材料造成破坏。缓冲层可以通过真空蒸发、磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、离子束沉积、脉冲激光沉积、旋涂、刮涂等沉积方法制得。
[0019]
所述透明导电层包含银纳米线、金属薄层、氧化铟锡薄膜、掺铝氧化锌薄膜、掺镓氧化锌薄膜、掺氟氧化锡薄膜、氧化铟钨薄膜和石墨烯薄膜中的至少一种，但不限于此；
[0020]
透明导电层的制备工艺是在受光背面生长，可以通过真空蒸发、磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、离子束沉积、脉冲激光沉积、旋涂、刮涂、3d打印、印刷、喷涂等方法制得。透明导电层是反射光进入叠层电池的关键技术。
[0021]
所述背面栅线电极包含金、钯、银、钛、铬、镍、铝、铜中的至少一种，但不限于此。
[0022]
背部栅线电极设计的目的是在不影响背光侧受光的情况下提高透明电极的导电性。背部栅线电极的制备方法可以是真空蒸发、溅射、原子层沉积、3d打印，丝网印刷，喷墨打印等。
[0023]
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述双面受光的太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：
[0024]
取一透明导电衬底，并在透明导电衬底上制备一层第一传输层；
[0025]
在第一传输层上沉积一层宽带隙钙钛矿，得到宽带隙钙钛矿层；
[0026]
在宽带隙钙钛矿层上制备一层第二传输层；
[0027]
在第二传输层上制备一层隧穿复合层；
[0028]
在隧穿复合层上制备一层第三传输层；
[0029]
在第三传输层上沉积一层窄带隙钙钛矿，得到窄带隙钙钛矿层；
[0030]
在窄带隙钙钛矿层上制备一层第四传输层；
[0031]
在第四传输层上制备一层缓冲层；
[0032]
在缓冲层上制备一层透明导电层；
[0033]
在透明导电层上设置背部栅线电极，得到所述太阳能电池。
[0034]
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述制备方法制得的太阳能电池。
[0035]
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的太阳能电池在太阳能发电中的应用。
[0036]
双面电池技术是通过有效利用在传统的太阳能电池中通常无法利用的来自地面的反射光，并最终提高太阳能电池的光电转化效率的一项技术。当前钙钛矿/钙钛矿两端叠层太阳能电池的短路电流密度主要受限于短路电流密度较小的单结部分。因此，将双面电池技术引入钙钛矿/钙钛矿两端叠层太阳能电池，可以有效增强窄带隙钙钛矿光吸收，进而提升窄带隙钙钛矿子电池的短路电流密度，与此同时可以通过降低宽带隙钙钛矿的带隙来提升宽带隙钙钛矿子电池的短路电流密度，最终可以实现叠层器件短路电流密度的大幅增加，进而得到更高的光电转换效率。
[0037]
本发明实施例提供的一种双面受光的太阳能电池，与现有技术相比，具有以下优势：1)采用透明导电层和栅线电极的设计取代全金属覆盖层大大降低材料成本；2)充分利用来自地面的反射光；3)利用反射光强度和调节宽带隙钙钛矿的带隙，实现短路电流密度的大幅增长。本发明有效结合了钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池和双面电池的优势，显著提升电池短路电流密度，进而实现更高的光电转换效率。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
[0039]
图2为本发明实施例1提供的太阳能电池的截面扫描电镜图。
[0040]
图3为本发明实施例1提供的太阳能电池的电流密度
‑
电压曲线图。
[0041]
图1和图2中，1
‑
透明导电衬底、2
‑
第一传输层、3
‑
宽带隙钙钛矿层、4
‑
第二传输层、5
‑
隧穿复合层、6
‑
第三传输层、7
‑
窄带隙钙钛矿层、8
‑
第四传输层、9
‑
缓冲层、10
‑
透明导电层、11
‑
背面栅线电极、a
‑
受光正面、b
‑
受光背面。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0043]
实施例1
[0044]
如附图1所示，该实施例提供了一种双面受光的太阳能电池，从受光正面a至受光背面b依次包括透明导电衬底1、第一传输层2、宽带隙钙钛矿层3、第二传输层4、隧穿复合层5、第三传输层6、窄带隙钙钛矿层7、第四传输层8、缓冲层9、透明导电层10和背面栅线电极11。
[0045]
具体的，该太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
[0046]
s1、取氧化铟锡衬底作为透明导电衬底1，并在透明导电衬底1上制备一层20nm左右的聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺]作为第一传输层2，该第一传输层2为空穴传输
层。
[0047]
s2、在第一传输层2上沉积一层厚度大约300nm的宽带隙钙钛矿，得到宽带隙钙钛矿层3。
[0048]
s3、在宽带隙钙钛矿层3上利用热蒸发制备一层厚度大约20nm的富勒烯作为第二传输层4，该第二传输层4为电子传输层。
[0049]
s4、使用原子层沉积法在第二传输层4上生长一层厚度大约30nm氧化锡作为致密层，并在致密层上采用热蒸发蒸镀厚度为1nm的金，以形成金属层，得到隧穿复合层5。
[0050]
s5、在隧穿复合层5上制备一层聚3,4
‑
乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐作为第三传输层6，该第三传输层6为空穴传输层。
[0051]
s6、在第三传输层6上沉积一层厚度大约700nm的窄带隙钙钛矿，得到窄带隙钙钛矿层7。
[0052]
s7、在窄带隙钙钛矿层7上利用热蒸发制备一层厚度大约30nm的富勒烯作为第四传输层8，该第四传输层8为电子传输层。
[0053]
s8、在第四传输层8上使用原子层沉积生长一层度大约20nm的氧化锡作为缓冲层9。
[0054]
s9、通过溅射在缓冲层9上生长一层厚度大约180nm的氧化铟锡作为透明导电层10。
[0055]
s10、在透明导电层10上利用热蒸发蒸镀一层厚度为150nm的铜作为背部栅线电极11，即可得到p
‑
i
‑
n结构的双面受光钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。
[0056]
实施例2
[0057]
如附图1所示，该实施例提供了一种双面受光的太阳能电池，从受光正面a至受光背面b依次包括透明导电衬底1、第一传输层2、宽带隙钙钛矿层3、第二传输层4、隧穿复合层5、第三传输层6、窄带隙钙钛矿层7、第四传输层8、缓冲层9、透明导电层10和背面栅线电极11。
[0058]
具体的，该太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
[0059]
s1、取氧化铟钨衬底作为透明导电衬底1，并在透明导电衬底1上制备一层20nm左右的2,2',7,7'
‑
四[n,n
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]
‑
9,9'
‑
螺二芴作为第一传输层2，该第一传输层2为空穴传输层。
[0060]
s2、在第一传输层2上沉积一层厚度大约300nm的宽带隙钙钛矿，得到宽带隙钙钛矿层3。
[0061]
s3、在宽带隙钙钛矿层3上利用热蒸发制备一层厚度大约20nm的石墨烯作为第二传输层4，该第二传输层4为电子传输层。
[0062]
s4、使用原子层沉积法在第二传输层4上生长一层厚度大约30nm氧化锌作为致密层，并在致密层上采用热蒸发蒸镀厚度为2nm的钯，以形成金属层，得到隧穿复合层5。
[0063]
s5、在隧穿复合层5上制备一层聚乙烯基咔唑作为第三传输层6，该第三传输层6为空穴传输层。
[0064]
s6、在第三传输层6上沉积一层厚度大约700nm的窄带隙钙钛矿，得到窄带隙钙钛矿层7。
[0065]
s7、在窄带隙钙钛矿层7上制备一层厚度大约30nm的[6,6]
‑
苯基
‑
c61
‑
丁酸甲酯作
为第四传输层8，该第四传输层8为电子传输层。
[0066]
s8、在第四传输层8上使用原子层沉积生长一层度大约20nm的氧化钼作为缓冲层9。
[0067]
s9、在缓冲层9上生长一层厚度大约180nm的银纳米线作为透明导电层10。
[0068]
s10、在透明导电层10上利用热蒸发蒸镀一层厚度为150nm的银作为背部栅线电极11，即可得到p
‑
i
‑
n结构的双面受光钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。
[0069]
实施例3
[0070]
如附图1所示，该实施例提供了一种双面受光的太阳能电池，从受光正面a至受光背面b依次包括透明导电衬底1、第一传输层2、宽带隙钙钛矿层3、第二传输层4、隧穿复合层5、第三传输层6、窄带隙钙钛矿层7、第四传输层8、缓冲层9、透明导电层10和背面栅线电极11。
[0071]
具体的，该太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
[0072]
s1、取掺氟氧化锡衬底作为透明导电衬底1，并在透明导电衬底1上制备一层20nm左右的氧化镍作为第一传输层2，该第一传输层2为空穴传输层。
[0073]
s2、在第一传输层2上沉积一层厚度大约300nm的宽带隙钙钛矿，得到宽带隙钙钛矿层3。
[0074]
s3、在宽带隙钙钛矿层3上制备一层厚度大约20nm的氧化钛作为第二传输层4，该第二传输层4为电子传输层。
[0075]
s4、在第二传输层4上生长一层厚度大约30nm碘化铜作为致密层，并在致密层上采用热蒸发蒸镀厚度为2nm的铬，以形成金属层，得到隧穿复合层5。
[0076]
s5、在隧穿复合层5上制备一层硫氰酸亚铜作为第三传输层6，该第三传输层6为空穴传输层。
[0077]
s6、在第三传输层6上沉积一层厚度大约700nm的窄带隙钙钛矿，得到窄带隙钙钛矿层7。
[0078]
s7、在窄带隙钙钛矿层7上利用热蒸发制备一层厚度大约30nm的富勒烯作为第四传输层8，该第四传输层8为电子传输层。
[0079]
s8、在第四传输层8上使用原子层沉积生长一层度大约20nm的氧化锡作为缓冲层9。
[0080]
s9、在缓冲层9上生长一层厚度大约180nm的氧化铟锌薄膜作为透明导电层10。
[0081]
s10、在透明导电层10上利用热蒸发蒸镀一层厚度为150nm的、铝作为背部栅线电极11，即可得到p
‑
i
‑
n结构的双面受光钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。
[0082]
实施例4
[0083]
如附图1所示，该实施例提供了一种双面受光的太阳能电池，从受光正面a至受光背面b依次包括透明导电衬底1、第一传输层2、宽带隙钙钛矿层3、第二传输层4、隧穿复合层5、第三传输层6、窄带隙钙钛矿层7、第四传输层8、缓冲层9、透明导电层10和背面栅线电极11。
[0084]
具体的，该太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
[0085]
s1、取氧化铟锌衬底作为透明导电衬底1，并在透明导电衬底1上利用热蒸发制备一层厚度大约20nm的富勒烯作为第一传输层2，该第一传输层2为电子传输层。
[0086]
s2、在第一传输层2上沉积一层厚度大约300nm的宽带隙钙钛矿，得到宽带隙钙钛矿层3。
[0087]
s3、在宽带隙钙钛矿层3上制备一层20nm左右的聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺]作为第二传输层4，该第二传输层4为空穴传输层。
[0088]
s4、使用原子层沉积法在第二传输层4上生长一层厚度大约30nm氧化亚铜作为致密层，并在致密层上采用热蒸发蒸镀厚度为1nm的金，以形成金属层，得到隧穿复合层5。
[0089]
s5、在隧穿复合层5上利用热蒸发制备一层厚度大约30nm的富勒烯作为第三传输层6，该第三传输层6为电子传输层。
[0090]
s6、在第三传输层6上沉积一层厚度大约700nm的窄带隙钙钛矿，得到窄带隙钙钛矿层7。
[0091]
s7、在窄带隙钙钛矿层7上制备一层聚3,4
‑
乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐作为第四传输层8，该第四传输层8为空穴传输层。
[0092]
s8、在第四传输层8上生长一层度大约20nm的2,9
‑
二甲基
‑
4,7
‑
联苯
‑
1,10
‑
邻二氮杂菲作为缓冲层9。
[0093]
s9、在缓冲层9上生长一层厚度大约180nm的掺镓氧化锌薄膜作为透明导电层10。
[0094]
s10、在透明导电层10上利用热蒸发蒸镀一层厚度为150nm的铜作为背部栅线电极11，即可得到n
‑
i
‑
p结构的双面受光钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。
[0095]
实施例5
[0096]
如附图1所示，该实施例提供了一种双面受光的太阳能电池，从受光正面a至受光背面b依次包括透明导电衬底1、第一传输层2、宽带隙钙钛矿层3、第二传输层4、隧穿复合层5、第三传输层6、窄带隙钙钛矿层7、第四传输层8、缓冲层9、透明导电层10和背面栅线电极11。
[0097]
具体的，该太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
[0098]
s1、取掺铝氧化锌衬底作为透明导电衬底1，并在透明导电衬底1上利用热蒸发制备一层厚度大约20nm的富勒烯作为第一传输层2，该第一传输层2为电子传输层。
[0099]
s2、在第一传输层2上沉积一层厚度大约300nm的宽带隙钙钛矿，得到宽带隙钙钛矿层3。
[0100]
s3、在宽带隙钙钛矿层3上制备一层20nm左右的聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺]作为第二传输层4，该第二传输层4为空穴传输层。
[0101]
s4、在第二传输层4上生长一层厚度大约30nm酞菁铜作为致密层，并在致密层上采用热蒸发蒸镀厚度为2nm的铬，以形成金属层，得到隧穿复合层5。
[0102]
s5、在隧穿复合层5上利用热蒸发制备一层厚度大约30nm的富勒烯作为第三传输层6，该第三传输层6为电子传输层。
[0103]
s6、在第三传输层6上沉积一层厚度大约700nm的窄带隙钙钛矿，得到窄带隙钙钛矿层7。
[0104]
s7、在窄带隙钙钛矿层7上制备一层聚3,4
‑
乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐作为第四传输层8，该第四传输层8为空穴传输层。
[0105]
s8、在第四传输层8上使用原子层沉积生长一层度大约20nm的氧化钨作为缓冲层9。
[0106]
s9、通过溅射在缓冲层9上生长一层厚度大约180nm的氧化铟钨薄膜作为透明导电层10。
[0107]
s10、在透明导电层10上利用热蒸发蒸镀一层厚度为150nm的铜作为背部栅线电极11，即可得到n
‑
i
‑
p结构的双面受光钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。
[0108]
其中，上述实施例1制得的太阳能电池的扫描电镜图如图2所示，其电流密度
‑
电压曲线如附图3所示，从图3可以看出，在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池单面受光时，其光电转换效率为25.8％；而本发明实施例通过引入双面电池技术后，在设计反射率为20％的情况下，短路电流密度明显提升，电池的光电转换效率已提升至31％；其表明，将双面电池的技术引入钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池，实现了更高的短路电流，进一步得到了更高的光电转换效率。
[0109]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。