具有透明导电氧化物结材料的两端叠层太阳能电池的简化结构的制作方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36497293发布日期:2023-12-27 19:43阅读:0来源:国知局
具有透明导电氧化物结材料的两端叠层太阳能电池的简化结构的制作方法

1.本发明涉及光伏器件领域,特别是硅异质结上的2端钙钛矿叠层型光伏电池。
2.本发明涉及一种简化的结构,其具有与常规叠层结构的(光电)性质相当的(光电)性质。


背景技术:

3.太阳能电池能够将太阳辐射的谱域的一部分转换为能量。
为了增加这种转换的产率,可以制造具有叠层架构的结构,该叠层架构包括两个子集(即下部电池和上部电池),这两个子集在不同的谱域中吸收。
4.许多构造都是可能的。
例如,下部电池
10可以是由钙钛矿、cigs(cu(in,ga)se2)制成的电池,或者下部电池可以由以下组成:硅基电池,例如具有同质结或硅异质结(het-si或shj,代表“硅异质结太阳能电池”)的硅基电池,perc(“钝化发射极和背面接触”)或topcon(“隧道氧化物钝化接触”)类型,或具有磷双重扩散的n型pert电池。
5.例如,上部电池
30
可以是钙钛矿、基于iii-v族材料(algaas、galnp、gaas)的有机或多结电池(mjsc)。
6.两个子电池可以根据nip/nip(图
1a)或pin/pin(图
1b)方案堆叠在一起。
7.例如,在硅异质结上的2端钙钛矿型叠层结构的情况下,nip型结构通常从背面到正面(图
1a)包括:
[0008]-下部电池
10,包括n掺杂的非晶硅层
11、设置在两个本征非晶硅层
13、14之间的晶体硅衬底
12、p掺杂的非晶硅层
15,-复合区
20,
[0009]-上部电池
30,包括:n型层
33、由钙钛矿材料制成的活性层
31、p型层
32。
[0010]下部电极
40
和上部电极
50
以及电触点
60、70
完成了该结构。
[0011]在pin型结构的情况下,p型层和n型层颠倒(图
1b)。
[0012]叠层结构的每个子电池
10、30
包括能够根据电荷的极性来分离和选择电荷的层。
[0013]两个子电池之间的复合区
20
被称为“复合结”,因为该复合区能够使电荷复合。
通常,该复合区由透明导电氧化物层或隧道结(两个非常掺杂的层,一个是n型,另一个是p型)形成。
该复合区能够使子电池串行连接,从而能够增加子电池的电压。
对于nip结构叠层(图
1a),该复合区应该使得在上部电池
30
中产生的电子与在下部电池
10中产生的空穴复合,而对于pin结构(图
1b)则相反。
[0014]然而,这些叠层结构需要许多步骤来制造,这增加了制造成本以及层和界面的数量,可能降低性能(通过增加串联电阻、接触电阻、不期望的复合等)。
[0015]已经表明,包括钙钛矿上部电池以及基于晶体硅和多晶硅的下部电池的类nip叠层结构可以通过将上部电池直接定位在下部电池上而工作(shen等人,“in situ recombination junction between p-si and tio2 enables high-efficiency monolithic perovskite/si tandem cells”,science advances,
2018;
4:eaau9711)。
更特
别地,通过ald将n型tio2层直接沉积在下部电池的p掺杂硅上。
然后,沉积钙钛矿层和由ptaa制成的p型层。
由于tio2的ald层与下部电池的p掺杂硅之间的低接触电阻率,使得该结构的工作成为可能。
[0016]类似地,通过在下部电池的p型层上直接沉积由钙钛矿制成的上部电池的n型sno2层,已经制造了硅异质结上的钙钛矿叠层结构(zheng等人,“large area efficient interface layer free monolithic perovskite/homo-junction-silicon tandem solar cell with over 20
%efficiency”,energy environ.sci.,2018,11,2432-2443)。
[0017]然而,到目前为止,还没有简化的在基于非晶硅和晶体硅的硅异质结上的钙钛矿叠层结构。
事实上,非晶硅/晶体硅异质结对工艺过程中使用的温度非常敏感。
此外,钙钛矿活性层的沉积通常通过液体方式进行,因此在很大程度上依赖于该钙钛矿活性层沉积在其上的衬底以及所实施的制造步骤,这使得对其架构的修改非常难以进行。


技术实现要素:

[0018]本发明旨在提出一种基于非晶硅和晶体硅的硅异质结上的两端钙钛矿叠层结构,该结构具有良好的电性能,并且制造更简单且成本更低。
[0019]为此,本发明提供了一种2端叠层结构,该结构从背面到正面包括:
[0020]-具有硅异质结(基于非晶硅和晶体硅)的第一太阳能电池,该第一太阳能电池包括由掺杂的非晶硅制成的第一p型层和设置在第一本征非晶硅层和第二本征非晶硅层之间的n型掺杂的晶体硅衬底,
[0021]-结层,
[0022]-钙钛矿型第二太阳能电池,包括由钙钛矿材料制成的活性层和第二p型层,
[0023]第一太阳能电池或第二太阳能电池中的一个太阳能电池还包括n型层,
[0024]结层由透明导电氧化物制成,
[0025]并且,结层与第一太阳能电池的第二本征非晶硅层和第二太阳能电池的第二p型层接触或者与第一太阳能电池的由掺杂的非晶硅制成的第一p型层和第二太阳能电池的有源层接触,
[0026]结层用作第一太阳能电池或第二太阳能电池中的另一个太阳能电池中的n型层。
[0027]本发明与现有技术的本质区别在于使用由透明导电氧化物(tco,代表“透明导电氧化物”)制成的结材料,该结材料不仅用作复合结,而且用于叠层结构中的一个电池的电荷选择(n型接触)。
因此,即使两个子电池中的一个子电池没有n型层,叠层结构也能工作;该n型层的功能则通过由透明导电氧化物本身制成的层来确保。
[0028]与常规的叠层太阳能结构相比,这种简化的结构制造起来更简单。
制造过程的步骤数量的减少使得制造成本降低。
[0029]根据第一变型,叠层结构是nip型。
第二电池没有n型层。
换句话说,第二电池通过由钙钛矿材料制成的活性层和第二p型层形成。
由钙钛矿材料制成的活性层则与由tco制成的结层直接接触,该结层因此用作nip型叠层结构的n型层。
[0030]根据该第一变型,该结构可以从背面到正面包括:
[0031]-具有基于非晶硅和晶体硅的硅异质结的第一太阳能电池,该第一太阳能电池从背面到正面包括:-n掺杂的非晶硅层、第一本征非晶硅层、晶体硅衬底、第二本征非晶硅层
和由掺杂的非晶硅制成的第一p型层,
[0032]-由n型tco制成的结层,
[0033]-钙钛矿型第二太阳能电池,该钙钛矿型第二太阳能电池从结层到正面包括:由钙钛矿材料制成的活性层和第二p型层,该第二p型层优选由ptaa制成。
[0034]这种架构具有几个优点:(p)a-si:h/tco界面具有良好的复合性能,并且与下部电池的堆叠体一样,该界面是均匀的,tco上的钙钛矿层的沉积也是均匀的。
[0035]根据第二变型,叠层结构是pin型的。
第一电池没有n型层:第一电池由衬底和p型层(p型层是堆叠体从背面开始的第一层)形成,衬底由晶体硅制成,衬底两侧被本征非晶硅层覆盖。
在由晶体硅制成的衬底和由tco制成的结层之间没有n型层:结层与第二本征非晶硅层直接接触。
[0036]根据该第二变型,该结构可以从背面到正面包括:
[0037]-具有基于非晶硅和晶体硅的硅异质结的第一太阳能电池,该第一太阳能电池从背面到正面包括:由掺杂的非晶硅制成的第一p型层、第一本征非晶硅层、晶体硅衬底、第二本征非晶硅层、由n型tco制成的结层,
[0038]-钙钛矿型第二太阳能电池,该钙钛矿型第二太阳能电池从结层到正面包括p层,该p层优选由ptaa或tfb制成;由钙钛矿材料制成的活性层;和n型层,该n型层优选由sno2制成或由pcbm/sno2或pcbm/bcp双层形成。
[0039]这里的钙钛矿型上部电池由常规电池组成(即,钙钛矿层沉积在p型层上)。
这种电池是已知的,并且可以用常规工艺容易地制造。
[0040]有利地,结层具有2至
30nm的厚度。
[0041]有利地,结层具有高于
10s.cm-1的电导率。
[0042]根据有利的变型,结层由ito制成。
[0043]根据另一有利变型,结层由azo、zno、iwo、izo、izro或sno2-x制成,其中x大于0且严格小于
2。
[0044]有利地,钙钛矿材料具有式csxfa1-xpb(i1-ybry)3型(x<
0.20
;0<y<
1)。
[0045]本发明的其他特征和优点将从以下补充描述中显现。
[0046]不用说,给出该补充描述仅仅是为了说明本发明的目的,而不应以任何方式被解释为对该目的的限制。
附图说明
[0047]通过阅读参照附图仅仅为了提供信息和非限制目的而给出的对实施例的描述,将更好地理解本发明,其中:
[0048]现有技术中已经讨论过的图
1a示意性地且以截面表示了两端nip型叠层结构。
[0049]现有技术中已经讨论过的图
1b示意性地且以截面表示了两端pin型叠层结构。
[0050]图
2a示意性地且以截面表示了根据本发明的特定实施例的简化的两端nip型叠层结构。
[0051]图
2b示意性地且以截面表示了根据本发明的另一特定实施例的简化的两端pin型叠层结构。
[0052]图
3a、3b和
3c是表示eqe和“1-rtot”值随波长变化的曲线图(其中rtot对应于电池
堆叠体的总反射(没有正面的金属化),这些曲线图通过对叠层结构的光学模拟获得,该叠层结构具有由ito制成的pin或nip型薄(12nm)结并且分别具有两个抛光面,或一个有纹理的背面或两个有纹理的面;

参考’对应于常规的叠层结构,而

简化’对应于根据本发明的特定实施例的简化的叠层结构;简化的叠层结构与常规结构的不同之处在于在子电池中的一个子电池中不存在具有n极性的层。
[0053]图中所示的不同部分不一定按照统一的比例绘制,以使图更具可读性。
[0054]在下文的描述中,当考虑到叠层器件和测试结构如图所示定向时,取决于定向的术语,诸如结构的“顶部”/“上部”、“底部”/“下部”等适用。
具体实施方式
[0055]首先,参照图
2a和图
2b,图
2a和图
2b表示了简化的叠层结构
100。
[0056]叠层结构
100
从背面到正面(即,旨在接收由箭头表示的光辐射的面)包括多层堆叠体,该多层堆叠体形成:
[0057]-第一电池
110(或用于“底部电池”的下部电池),该第一电池
110具有基于非晶硅和晶体硅的硅异质结(het-si或shj,代表“硅异质结太阳能电池”),第一电池
110位于背面,
[0058]-由透明导电氧化物制成的结层
120(也称为结和复合层),该结层
120
旨在与叠层结构
100
的两个子电池电接触并使电荷能够复合,
[0059]-钙钛矿型第二电池
130(或用于“顶部电池”的上部电池),该钙钛矿型第二电池
130
位于正面。
[0060]叠层结构
100
可以是nip型(图
2a)或pin型(图
2b)结构。
[0061]更特别是,nip型(或具有标准发射极)结构从背面到正面包括(图
2a):
[0062]-具有基于非晶硅和晶体硅的硅异质结的第一太阳能电池
110;该第一太阳能电池
110从背面到正面包括:n掺杂的非晶硅层(也称为n掺杂的氢化非晶硅层并且也表示为(n)a-si:h)111、设置在两个本征非晶硅层
113、114(也称为(i)a-si:h或本征氢化非晶硅层)之间的掺杂的晶体硅衬底
112(典型地,n掺杂的晶体硅衬底,也表示为c-si(n))和p掺杂的非晶硅层
115(对于p掺杂的氢化非晶硅,也表示为(p)a-si:h)。
[0063]-由n型透明导电氧化物(也称为缩写tco)制成的结层
120,
[0064]-钙钛矿型第二太阳能电池
130,该钙钛矿型第二太阳能电池
130
从结层
120
到正面包括由钙钛矿材料制成的活性层
131和p型层
132,
[0065]对于该nip型结构,第二电池
130
的有源层
131与结层
120
直接接触,因此第二电池
130
不具有介于有源层
131与结层
120
之间的层。
[0066]更特别是,pin型(或具有反向发射极)结构从背面到正面包括(图
2b)多层堆叠体,该多层堆叠体形成:
[0067]-具有基于非晶硅和晶体硅的硅异质结的第一太阳能电池
110,该第一太阳能电池
110从背面到正面包括:p掺杂的非晶硅层
115((p)a-si:h)、第一本征非晶硅层
113((i)a-si:h)、n型掺杂的晶体硅衬底
112(衬底c-si(n))和第二本征非晶硅层
114((i)a-si:h),
[0068]-由tco制成的结层
120
[0069]-钙钛矿型第二太阳能电池
130,该钙钛矿型第二太阳能电池
130
从结层到正面包括p型层
132、由钙钛矿材料制成的活性层
131、n型层
133。
[0070]对于该pin型结构,第一电池
110的第二本征非晶硅层
114与结层
120
直接接触;因此,第一电池
110没有介于第二本征非晶硅层
114与结层
120
之间的层。
[0071]在这些不同的变型中,由tco制成的结层
120
可以具有2至
30nm,并且优选地在
2nm至
15nm之间的厚度。
[0072]例如,由tco制成的结层
120
的电导率高于
10s.cm-1。
[0073]结层
120
可以由氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)、铝掺杂的氧化锌(azo)、氧化铟钨(iwo)、氧化铟锌(izo)、锆掺杂的氧化铟(izro)或二氧化锡(sno2-x,其中0<x<
2)制成。
[0074]由tco制成的结层
120
的带隙的范围为从
2.8至
4ev。
[0075]由ito制成的结层
120
具有从-4.2至-5.2ev的导带。
对于其他上述掺杂的氧化物,导带的范围为从-4至-5.2ev。
[0076]优选地,结层
120
由ito制成。
[0077]可以将下部电池的硅衬底
12抛光或纹理化(例如,该硅衬底可以包括2μm金字塔形式的纹理)。
下部电池的非晶层具有几纳米的厚度,因此该非晶层将呈现衬底纹理的形状。
[0078]例如,层
111和
115的p/n型掺杂水平在
1018至
1019/cm3之间。
[0079]第二钙钛矿电池的n型层
133被称为“电子传输层”(或eil,代表“电子注入层”或etl,代表“电子输送层”)。
[0080]例如,n型层
133是金属氧化物,诸如氧化锌(zno)、铝掺杂的氧化锌(也称为azo(zno:al))、氧化钛(tio2)或氧化锡(sno2)。n型层
133也可以由
[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯和sno2(pcbm/sno2)或
[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯和浴铜灵(pcbm/bcp)的叠层组成。
[0081]第二太阳能电池
130
的活性层
131的钙钛矿材料具有通式abx3,其中a表示一种或多种一价有机阳离子,诸如铵,如甲基铵或甲脒,或一价金属阳离子,如铯或铷;b表示二价金属阳离子,如pb、sn、ag或它们的混合物;x表示一种或多种卤素阴离子。
[0082]更特别是,钙钛矿材料可以具有特定的式h2nchnh2pbx3或ch3nh3pbx3,其中x为卤素。
例如,钙钛矿材料可以由甲基铵碘化铅ch3nh3pbi3组成。
优选地,钙钛矿材料具有式csxfa1-xpb(i1-ybry)3。
[0083]第二电池
130
的p型层
132也被称为“空穴传输层”(或htl,代表“空穴输送层”)。
[0084]例如,p型层
132是有机化合物,如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)、[
聚(双
4-苯基
}{2,4,6-三甲基苯基
}
胺)](ptaa)、[
聚(n,n’‑
双(4-丁基苯基)-n,n’‑
双(苯基)-联苯胺
](聚tpd)、2,2’,7,7’‑

[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基
]-9,9’‑
螺二芴(螺ometad)、n4,n4’‑
双(4-(6-((3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基)己基)苯基)-n4,n4’‑
二苯基-[1,1’‑
联苯
]-4,4’‑
二胺(otpd)、聚
[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-共-(4,4’‑(n-(4-仲丁基苯基)二苯胺)](tfb)或芘;或者金属氧化物,诸如氧化钼、氧化钒或氧化钨。p型层
132也可以从磷酸盐、硅烷或羧酸获得。
[0085]叠层结构
100
还可以包括:
[0086]-第一电极
140(下电极),该第一电极
140
设置在背面处;下电极
140
可以有利地是不透明的或具有有限的透明度,例如透明导电氧化物,诸如特别是ito、ioh(氢化的氧化铟)或azo,
[0087]-第二电极
150(上电极),该第二电极
150
设置在器件的正面上;第二电极是导电的并且光学透明的,以便使光子传递直到上部电池
130
的有源层
131。
该电极
150
可以由透明导
电氧化物,典型地氧化铟锡(ito)或铝掺杂的氧化锌(zno:al)制成,或者该电极
150
可以由包括例如银纳米线的透明导电聚合物形成,
[0088]-在背面的接触垫
160
和在正面的接触垫
170
;接触垫可以例如由金、铝或银(例如通过蒸发沉积,或者通过丝网印刷、喷墨印刷等印刷)制成。
[0089]一个实施例的说明性而非限制性示例:
[0090]使用crowm软件对不同结构进行了光学模拟,同时考虑了层的光学指数、厚度和表面条件(完全平坦、有纹理等)。
这些模拟用am1.5太阳光谱在
310至
1200nm之间进行。
通过椭圆偏振法从实验层中提取了光学指数。
[0091]表1列出了nip型架构的模拟层的厚度(nm)。
[0092][0093]表2列出了pin型架构的模拟层的厚度(nm)。
[0094][0095]模拟中使用的钙钛矿是csxfa1-xpb(i1-ybry)3型(其中x<
0.20
;0<y<
1),当表面条件改变时,使用了两种不同的厚度来获得两个子电池之间较小的电流差异。
[0096]图
3a、图
3b和图
3c表示通过对表1和表2的不同叠层结构的光学模拟获得的eqe和
1-rtot值。
[0097]所公开的结果对应于如下的叠层结构,其中上部电池的活性层是钙钛矿材料,该钙钛矿材料当正面被抛光时厚度为
250nm并且当将其纹理化时厚度为
415nm。
[0098]这项光学模拟研究表明,无论纹理如何,具有由ito制成的结的简化的nip和pin叠
层结构都是可行的。
事实上,从光学角度来看,这些简化的结构与常规的完整结构只有很少的差异,并且具有相同的光学势。
[0099]此外,下表3列出了通过光学模拟获得的jsc和rtot的值,对于ff=
75%和voc=
1.8v的估计pce。
该表显示,产生的短路电流非常相似。
[0100]
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