一种基于背接触的叠层电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及太阳能电池生产技术领域，尤其涉及一种mwt型钙钛矿异质结叠层电池的结构设计与制备方法。


背景技术：

2.钙钛矿型太阳能电池是一种利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。从吸收原理上来说，由于钙钛矿材料的带隙比硅材料的高，且高度可调，能更有效地利用高能量的紫外和蓝绿可见光，而硅太阳电池可以有效地利用钙钛矿材料无法吸收的红外光。因此，如果能够通过叠层方式组合这些高效的单电池，可以突破传统硅光伏电池的理论效率极限，将进一步提升硅光伏电池的效率。
3.mwt（metal wrap through，金属穿孔卷绕）电池具有背接触结构，由于正面没有主栅，可有效降低遮光面积，同时大幅降低银浆耗量。且相较于其他背接触结构如ibc，工艺简单成本低，具有较好的性价比。
4.hit（heterojunction with intrinsic thinfilm）电池，又称hjt电池，具有高转换效率、低温度系数、低衰减、弱光性好等优点，但目前低温银浆耗量及其单价较高，占据bom成本最高比例，性价比相对较差。
5.因此，如何将mwt和钙钛矿hjt叠层电池技术相结合，从而既能够同时发挥mwt结构以及钙钛矿hjt叠层电池的优势，以提升叠层电池效率，又能够发挥mwt结构正面低银耗量的特点来降低叠层电池的制造成本，即成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明针对以上问题，提出了一种将mwt、钙钛矿和hjt电池技术结合，充分发挥钙钛矿hjt叠层电池能将吸收光谱拓展得更宽的优势，从而打破单结电池的效率限制的基于背接触的叠层电池及其制备方法。
7.本发明的技术方案为：所述叠层电池依次包括叠置的hjt底电池和钙钛矿顶电池；所述hjt底电池自上而下依次包括n+型掺杂非晶硅层8、第一本征非晶硅钝化层9、n型单晶硅衬底10、第二本征非晶硅钝化层11、p型掺杂非晶硅层12、背面tco层13以及背面栅线电极14；所述钙钛矿顶电池自上而下依次包括正面栅线电极1以及正面tco层2、顶电极缓冲层3、电子传输层4、钙钛矿吸光层5、空穴传输层6、隧穿层7；所述钙钛矿顶电池通过隧穿层7与hjt底电池连接。
8.所述隧穿层7为透明导电膜、微晶
‑
非晶薄膜或由sno2材料制成。
9.所述叠层电池中还开设有依次贯穿钙钛矿顶电池、隧穿层以及hjt底电池的贯穿孔，所述贯穿孔中设有孔内电极16，并且贯穿孔的内壁与孔内电极16之间设有孔内绝缘胶15。
10.按以下步骤进行制备：
s01、硅片清洗抛光：对n型单晶硅基底进行制绒和清洗，去除硅基底表面的机械损伤层和污染物，形成金字塔绒面；s02、双面沉积本征非晶硅层；s03、正面进行n+型掺杂非晶硅层8的沉积；s04、背面进行p型掺杂非晶硅层12的沉积；s05、在镀有p型掺杂非晶硅层12所在表面进行背面tco层13的沉积；s06、在镀有n+型掺杂非晶硅层8所在表面制备隧穿层7；s07、在隧穿层7上制备空穴传输层6；s08、在空穴传输层6上制备钙钛矿吸光层5；s09、在钙钛矿吸光层5上制备电子传输层4；s10、在电子传输层4上制备顶电极缓冲层3；s11、在顶电极缓冲层3上制备正面tco层2，得到叠层半成品电池；s12、对所得叠层半成品电池进行激光打孔；s13、孔内绝缘处理：通过印刷绝缘胶，将孔内壁及开孔外沿涂上绝缘胶；s14、丝网印刷堵孔浆料：将堵孔浆料从背面印刷入内壁固化有绝缘胶的孔中；s15、在背面tco层13上制备背面栅线电极14；s16、在正面tco层2上制备正面栅线电极1；完毕。
11.步骤s06中制备的隧穿层为透明导电膜ito。
12.步骤s06中制备的隧穿层是用微晶
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非晶薄膜反向重掺所做的隧穿结层。
13.步骤s06中制备的隧穿层由sno2材料制成。
14.本发明在叠层电池上进行打孔，正面栅线电极通过孔内电极绕穿到叠层电池的背面与背面原来的栅线电极构成背接触结构，将钙钛矿hjt叠层电池的制备与mwt背接触相结合，开创了一条mwt钙钛矿hjt叠层电池产品新的工艺路线，与钙钛矿hjt叠层电池产品相比，本发明提出的mwt钙钛矿hjt叠层电池产品结构以及工艺制备方法，具备如下有益效果：一、使钙钛矿hjt叠层电池的正面拥有更多受光面积，进一步提高效率，降低度电成本；二、mwt和钙钛矿hjt叠层电池具有结构性优势，可适配100微米厚度硅片，进一步降低成本；三、与传统钙钛矿hjt叠层电池相比，大幅降低了制备正面栅线电极时的低温银浆用量，而且这种背接触结构在组件封装时能将焊带式连接改进为导电芯板平面连接，简化焊接工艺的同时也提高了封装良率；四、有了孔内绝缘胶的保护，可以有效防止孔内电极造成漏电和寄生并阻的形成。
15.本发明将mwt、钙钛矿和hjt电池技术结合，充分发挥钙钛矿hjt叠层电池能将吸收光谱拓展得更宽的优势，从而打破单结电池的效率限制。但同时不可避免的，正面由于存在金属主栅线，将会对入射光产生一定遮挡，产生功率损失。而mwt技术的引入能够将正面的金属主栅线省去，提高叠层电池正面的受光面积。另一方面，钙钛矿hjt叠层电池所需低温银浆量较大且其单价较高，是bom成本中最高的，是产业化道路上需要解决的问题之一。mwt技术引入后，能够大幅度降低正面银浆耗量，利于产业化。
附图说明
16.图1是叠层电池的结构示意图，图2是叠层电池制备流程图；图中1是正面栅线电极，2是正面tco层，3是顶电极缓冲层，4是电子传输层，5是钙钛矿吸光层，6是空穴传输层，7是隧穿层，8是n+型掺杂非晶硅层，9是第一本征非晶硅钝化层，10是n型单晶硅衬底，11是第二本征非晶硅钝化层，12是p型掺杂非晶硅层，13是背面tco层，14是背面栅线电极，15是孔内绝缘胶，16是孔内电极。
具体实施方式
17.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
18.本发明如图1
‑
2所示，所述叠层电池依次包括叠置的hjt底电池和钙钛矿顶电池；所述hjt底电池自上而下依次包括n+型掺杂非晶硅层n+
‑
si(a)、第一本征非晶硅钝化层i
‑
si(a)、n型单晶硅衬底n
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si(c)、第二本征非晶硅钝化层i
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si(a)、p型掺杂非晶硅层p
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si(a)、背面tco层、背面栅线电极；所述钙钛矿顶电池自上而下依次包括正面栅线电极、正面tco层、顶电极缓冲层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、隧穿层；所述钙钛矿顶电池通过隧穿层与hjt底电池连接。
19.由于传统的钙钛矿hjt叠层电池正负电极分别设置在叠层电池的正反两面，无法形成背接触结构，且制备正面栅线电极时由于主栅的存在会使银耗量上升。从而导致成本增加，不利于叠层电池的产业化。
20.通过在半成品电池上进行打孔处理，并对孔内壁及孔口外沿进行绝缘保护。进行绝缘保护之后将正面栅线电极通过孔内电极绕穿到叠层电池的背面与背面原来的栅线电极构成背接触结构。正面由于没有了主栅，大大降低了正面银浆的用量。
21.任何双端叠层电池的界面都是关键的所在，上层电池都要和下层的电池晶格匹配，为了解决这个问题，要不就要选择晶格不会失配的材料，要不就要加上一个组分渐变的缓冲层。所谓的双端叠层电池只是电池最终引出的电极只有正负两极，实质上总共还是四端的，因为每个子电池必然有n和p端。作为串联结构，顶电池的下端和底电池的上端在内部是连在一起的，可以理解为一根导线把他们串在了一起。但作为“单片”制备的叠层电池，导线是不可行的。必须要引入“隧穿层”，将一个电池的多子与另一个子电池极性相反的多子结合，就像是用导线把它们连起来。
22.所述隧穿层为透明导电膜、微晶
‑
非晶薄膜或由sno2材料制成。
23.换言之，这层隧穿层可以是透明导电膜，比如ito。也可以是微晶
‑
非晶薄膜，比如使用反向的重掺硅做隧穿结层。也可以使用sno2这种材料，既能作为钙钛矿层的电子传输层，又能作为底层hjt电池的接触层，从而减去了“隧穿层”的单独制备。
24.所述叠层电池中还开设有依次贯穿钙钛矿顶电池、隧穿层以及hjt底电池的贯穿孔，所述贯穿孔中设有孔内电极16，并且贯穿孔的内壁与孔内电极16之间设有孔内绝缘胶15。
25.后续可以使得正面栅线电极与孔内电极连接，使其通过孔内电极绕穿到叠层电池
的背面与背面原来的栅线电极构成背接触结构，将钙钛矿hjt叠层电池的制备与mwt背接触相结合。其中，孔内绝缘胶化学性质稳定，不与各层物质发生反应，仅起到绝缘作用，可有效防止孔内电极造成漏电和寄生并阻的形成。
26.按以下步骤进行制备：s01、硅片清洗抛光：对n型单晶硅基底进行制绒和清洗，去除硅基底表面的机械损伤层和污染物，形成金字塔绒面；s02、双面沉积本征非晶硅层；从而在n型单晶硅衬底10的上下两侧制备出第一本征非晶硅钝化层9和第二本征非晶硅钝化层11；s03、正面进行n+型掺杂非晶硅层8的沉积；从而在第一本征非晶硅钝化层9之上制备出n+型掺杂非晶硅层8；s04、背面进行p型掺杂非晶硅层12的沉积；从而在第二本征非晶硅钝化层11之下制备出p型掺杂非晶硅层12；s05、在镀有p型掺杂非晶硅层12所在表面进行背面tco层13的沉积；从而在p型掺杂非晶硅层12之下制备出背面tco层13；s06、在镀有n+型掺杂非晶硅层8所在表面制备隧穿层7；具体制备方式：隧穿层（ito）：ito就是在in2o3中掺入了一定比例的sn元素。掺杂sn元素后隧穿层的透射率会下降，但是膜层的载流子迁移率则会增加。采用射频磁控溅射法在衬底上制备ito层，射频频率为13.56mhz，靶材为ito陶瓷靶（由90wt%的in2o3和10wt%的sno2烧结而成）。将衬底放在样品架上，调节衬底到靶材的距离为65mm，然后抽真空至7x10
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4pa，充入高纯o2和ar的混合气体。维持ar流量为170sccm，当气压升高至0.1pa时开始溅射镀膜。
27.隧穿层（in2o3）：in2o3膜层不含掺杂元素，具有较高的透射率，但是其载流子迁移率不高。采用射频磁控溅射法在衬底上制备in2o3膜层，射频频率为13.56mhz，靶材为陶瓷靶（由纯的in2o3组成）。将衬底放在样品架上，调节衬底到靶材的距离为80mm，然后抽真空至7.5x10
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4pa，充入高纯o2和ar的混合气体。维持ar流量为165sccm，当气压升高至0.1pa时开始溅射镀膜。
28.隧穿层（p+/n+双层晶硅薄膜组成的隧穿结）：采用等离子增强化学气相沉积（pecvd），以高氢稀释硅烷、硼烷为反应气体，沉积高质量的p+晶硅薄膜；以高氢稀释硅烷、磷烷为反应气体，沉积高质量的n+晶硅薄膜。p+/n+双层晶硅薄膜组成隧穿结.s07、在隧穿层7上制备空穴传输层6；具体制备方式：将镍源于铜源加入水中搅拌溶解，配制成旋涂液；将所述旋涂液旋涂在衬底上，然后在350℃
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550℃下进行烧结，得到空穴传输层。此制备方法不采用有机溶剂，从而避免了有机溶剂对人体及环境的危害。
29.s08、在空穴传输层6上制备钙钛矿吸光层5；具体制备方式：先利用微距离真空热蒸法制备具有双层结构的pbi2薄膜，接着用ch3nh3i蒸气处理pbi2薄膜，使其转化为双层结构的ch3nh3pbi薄膜，此薄膜就是钙钛矿吸光层。
30.s09、在钙钛矿吸光层5上制备电子传输层4；具体制备方式：采用热原子层沉积技术在钙钛矿吸光层上制备al掺杂的tio2膜作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层，优选的al:tio2掺杂浓度比例为1：99。
31.s10、在电子传输层4上制备顶电极缓冲层3；具体制备方式：
电子传输层上的顶电极缓冲层可以避免后续沉积tco层时离子对钙钛矿吸光层的破坏。我们采用溶液法制备al掺杂的zno溶液经旋涂在衬底并退火后形成顶电极缓冲层。另外，要求al的掺杂浓度要求为2mol%，这样能更好的调节电子传输层与tco层间的功函数匹配。
32.s11、在顶电极缓冲层3上制备正面tco层2，得到叠层半成品电池；具体制备方式：采用磁控溅射法pvd或者反应式等离子沉积rpd都可以制备tco层，本发明中选用的是rpd法，其有效粒子能量分布在20
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30ev，且衬底不暴露在等离子体中，因此对衬底表面损伤较小。rpd法利用特定的磁场控制等离子体的形状，从而产生稳定、均匀、高密度的等离子体。此离子源经磁场偏转后轰击到靶材上，将靶材原子轰击出来沉积到衬底上形成tco层。
33.s12、对所得叠层半成品电池进行激光打孔；s13、孔内绝缘处理：通过印刷绝缘胶，将孔内壁及开孔外沿涂上绝缘胶；形成孔内绝缘胶15；s14、丝网印刷堵孔浆料：将堵孔浆料从背面印刷入内壁固化有绝缘胶的孔中；形成孔内电极16；s15、在背面tco层13上制备背面栅线电极14；s16、在正面tco层2上制备正面栅线电极1；完毕。
34.步骤s06中制备的隧穿层可以是透明导电膜ito。也可以是用微晶
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非晶薄膜反向重掺所做的隧穿结层，即p+/n+双层晶硅薄膜组成的隧穿结。还可以是由sno2材料制成。从而既能作为钙钛矿层的电子传输层，又能作为底层hjt电池的接触层，从而减去了“隧穿层”的单独制备。
35.实施例一：本发明提供了一种mwt型钙钛矿hjt叠层电池产品，参阅图1和图2，其自上而下依次包括：正面栅线电极、正面tco、顶电极缓冲层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、隧穿层（ito）、n+型掺杂非晶硅层n+
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si(a)、第一本征非晶硅钝化层i
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si(a)、n型单晶硅衬底n
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si(c)、第二本征非晶硅钝化层i
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si(a)、p型掺杂非晶硅层p
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si(a)、背面tco层、背面栅线电极。
36.实施例二：本发明提供了一种mwt型钙钛矿hjt叠层电池产品，参阅图1和图2，其自上而下依次包括：正面栅线电极、正面tco、顶电极缓冲层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、隧穿层（in2o3）、n+型掺杂非晶硅层n+
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si(a)、第一本征非晶硅钝化层i
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si(a)、n型单晶硅衬底n
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si(c)、第二本征非晶硅钝化层i
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si(a)、p型掺杂非晶硅层p
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si(a)、背面tco层、背面栅线电极。
37.实施例三：本发明提供了一种mwt型钙钛矿hjt叠层电池产品，参阅图1和图2，其自上而下依次包括：正面栅线电极、正面tco、顶电极缓冲层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、隧穿层（p+/n+双层晶硅薄膜组成的隧穿结）、n+型掺杂非晶硅层n+
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si(a)、第一本征非晶硅钝化层i
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si(a)、n型单晶硅衬底n
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si(c)、第二本征非晶硅钝化层i
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si(a)、p型掺杂非晶硅层p
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si(a)、背面tco层、背面栅线电极。
38.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。