一種新型雙面薄膜太陽電池及其工業製造方法
2023-06-09 06:41:21 3
一種新型雙面薄膜太陽電池及其工業製造方法
【專利摘要】本發明屬高效低成本薄膜太陽電池領域，具體為一種新型雙面薄膜太陽電池及其工業製造方法。本發明首先雷射分割TCO-1（前電極和電子傳導體（ETM）），在經過雷射分割後的TCO-1導電玻璃上（帶隙寬度>3.2eV，電子親合勢約~4.8eV）雙源共蒸發沉積ABX3（A=CH3NH3等，B=Pd，Sn等，X=I，Cl，Br等）鈣鈦礦吸收層（200-400nm厚，帶隙寬度1.5eV，電子親合勢3.93eV），再將樣品轉移到PECVD設備中沉積梯度摻雜p/p+型氫化矽基薄膜（5~30nm厚，帶隙寬度1.8~2.0eV，電子親合勢3.45eV），以構建背面電場，緊接著樣品進行第二道雷射分割後轉移到真空設備中製備沉積TCO-2（ITO或ZnO等），最後將完成所述工序的樣品進行第三次雷射分割，構建複合柵線電極。最終實現高效率低成本的新型雙面採光太陽電池。
【專利說明】-種新型雙面薄膜太陽電池及其工業製造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型雙面薄膜太陽電池及其工業製造方法，具體涉及一種P型矽 基薄膜替代現有技術中普遍使用的昂貴的有機空穴傳導體（Spiro-OMeTAD)並將背面金屬 電極替換為諸如ΙΤ0透明導電薄膜的窗口電極的鈣鈦礦太陽電池及其製造方法，屬高效低 成本薄膜太陽電池領域。
【背景技術】
[0002] 在太陽電池是利用光伏效應將太陽能直接轉換為電能的一種裝置。從二十世紀70 年代中期開始地面用太陽電池商品化以來，矽就作為基本的電池材料佔據著主導地位，而 且可以確信這種狀況在今後較長一段時期內不會發生根本性改變。從材料物理學上講，矽 材料並不是最理想的光吸收層材料，一方面因為矽的禁帶寬度（1. 12eV)同太陽光譜並非完 全匹配；另一方面，矽是間接帶隙半導體材料，其光吸收係數不高。因此，具有更好太陽光譜 匹配和更高光吸收係數進而實現更高光電轉換效率的光吸收材料和太陽電池器件是長期 的研發熱點。
[0003] 自2009年以來一類以金屬齒化物與有機燒氨雜化的|丐鈦礦（perovskite)結構 半導體為光吸收層的所謂鈣鈦礦太陽電池引起人們注意。文獻"A. Kojima，K. Teshima， Y. Shirai, T. Miyasaka, J. Am.Chem.Soc.2009，131，6050." 首先報導了採用鈣鈦礦 材料作為吸收層的太陽電池；文獻"M.M.Lee, J. Teuscher, Τ· Miyasaa, Τ· Ν· Murami, Η. J. Snaith, Science (2012)，'、"Mingzhen Liu, Michael B. Johnston & Henry J. Snaith,Nature (2013)" 和 "Dianyi Liu and Timothy L. Kelly, Nature (2013)"跟進 報導並在較短的時間內其光電轉換效率從起初的4%迅速提高到15%以上並即將達到20%。 這種太陽電池的製造流程一般是首先在FT0導電玻璃上沉積Ti0 2或ΖηΟ (η型半導體)層， 然後在其上面利用溶液旋塗法或熱蒸發沉積ABX3 (A=CH3NH3等，B=Pd，Sn等，X=I，Cl，Br等） 鈣鈦礦結構半導體作為光吸收層，再旋塗一層Spiro-OMeTAD (p型有機空穴導體)，最後蒸 發一層Au或Pt作為背電極，形成n-i-p結構，迎光面為η型層（Ti02、ΖηΟ等)。如公布號 為CN103700769A (申請號為201310651418. 4)的中國專利申請文件所述，此類太陽電池都 是採用較為昂貴的有機分子導電材料（Spiro-OMeTAD、P3HT、PTAA、TAPC、ΝΡΒ、ΤΗ)等）作為 空穴傳導層（HTM)，同時還必須用昂貴的金（Au)或鉬（Pt)作為金屬背電極，這在很大程度 上增加了電池成本。文獻"Etgar, L. etal.，J. Am. Chem. Soc. 134，17396 - 17399 (2012) "報導過直接取消空穴傳輸材料的鈣鈦礦薄膜太陽電池，但光電轉換效率較低(最高 效率只有8%)。公布號為CN103746078A (申請號為201410040145. 4)的中國專利申請首先 提到將一些金屬滷化物(如Cul等）和金屬氧化物(如：CuO、Cu20、CuSCN、NiO、M〇0 X等）作為 此類太陽電池的P型層（HTM)材料。另一方面，在傳統非晶矽薄膜太陽電池中，p型摻雜矽 基薄膜的製備技術以及通過梯度摻雜（p/p+，n/n+)所構成的背面電場來提高載流子收集效 率的技術也較為成熟。基於此，本專利將P型摻雜矽基薄膜應用到鈣鈦礦結構薄膜太陽電 池中作為空穴傳導層（HTM)，替換後核心功能層的能帶結構(如附圖-1)，從能帶構型圖可 以看出，光生載流子可以實現有效的的選擇性分離和收集。
[0004] 發明目的：將P型摻雜矽基薄膜應用到鈣鈦礦結構薄膜太陽電池中避免昂貴的有 機分子導電材料(如Spiro-OMeTAD)而實現降低成本的目的；利用矽薄膜材料易和金屬鋁 (A1)、銀（Ag)或石墨碳（Graphite)甚至多種透明金屬氧化物（TC0)等形成歐姆接觸的優點 避免昂貴金屬Au和Pt的使用，進一步降低成本；通過建立p/p+或n/n+背電場提高載流子 收集效率而提高太陽電池光電轉換效率；利用P型摻雜矽基薄膜帶隙較寬的特點將鈣鈦礦 太陽電池背面金屬電極替換為諸如ΙΤ0透明導電薄膜的窗口電極，進而實現雙面採光來更 進一步提高和擴大該型薄膜太陽電池的光電轉換效率和實際應用範圍。
【發明內容】
[0005] 針對【背景技術】中普遍採用的有機分子（如Spiro-OMeTAD、P3HT、PTAA、TAPC、NPB、 ΤΗ)等）和無機化合物(如CuI、Cu0、Cu20、CuSCN、Ni0、Mo0x等）空穴傳導材料（HTM)，昂貴金 屬背電極（Au和Pt)，本發明提出採用p型摻雜矽基薄膜構建鈣鈦礦太陽電池的空穴傳導 層、ΙΤ0取代Au、Pt等昂貴金屬背電極、雙面採光器件結構的設計及集成串聯的大面積太陽 電池工業製備方法。
[0006] 米用文獻"M.M.Lee, J. Teuscher, T. Miyasaa, Τ· N. Murami, H. J. Snaith， Science (2012)，'、"Mingzhen Liu, Michael B. Johnston & Henry J. Snaith, Nature (2013)" 和 "Dianyi Liu and Timothy L. Kelly, Nature (2013)"所公開的器件結構和 工藝方法，首先雷射分割TC0-1，在經過雷射分割後的FT0導電玻璃(方塊電阻〈20Ω/ □) 或ZnO等TC0-1導電玻璃上(帶隙寬度>3. 2eV，電子親合勢約8eV)雙源共蒸發沉積ABX3 (A=CH3NH3等，B=Pd，Sn等，X=I，Cl，Br等）鈣鈦礦吸收層（200-400nm厚，帶隙寬度1. 5eV，電 子親合勢3. 93eV)。
[0007] 將完成[6]所述工序的樣品轉移到PECVD (等離子體增強化學氣相沉積）設備中 沉積梯度摻雜p/p+型氫化矽基薄膜（5-30nm厚，帶隙寬度1. 8-2. OeV，電子親合勢3. 45eV)， 以構建背面電場，該電場加速空穴收集並將擴散到i/p界面的光生電子反射回到n/i界面 而被收集。製備條件如表1所示。
[0008] 表lp/p+_Si :H背電場空穴傳導層的PECVD製備條件。
【權利要求】
1. 一種新型雙面薄膜太陽電池，其特徵是："採用P型摻雜矽基薄膜構建鈣鈦礦太陽電 池的空穴傳導層；再將鈣鈦礦太陽電池背面金屬電極替換為諸如ITO但不限於ITO的透明 導電薄膜的透明金屬氧化物窗口電極，最後實現雙面採光"。
2. 根據權利要求1中所述的p型摻雜矽基薄膜，其特徵在於與鈣鈦礦吸收層的能 帶匹配，光生載流子可以實現有效的選擇性分離和收集，並可建立P/P+或n/n+背電 場提高載流子收集效率而提高太陽電池光電轉換效率且避免昂貴的有機分子導電材料 (如Spiro-OMeTAD)而實現降低成本的目的，此外，易於和金屬鋁（A1)、銀（Ag)或石墨碳 (Graphite)甚至多種透明金屬氧化物（TC0)等形成歐姆接觸的優點避免昂貴金屬Au和Pt 的使用，可進一步降低成本。
3. 根據權利要求1中所述的透明金屬氧化物窗口，其特徵在於實現雙面採光來更進一 步提高和擴大該型薄膜太陽電池的光電轉換效率和實際應用範圍。
【文檔編號】H01L51/46GK104157789SQ201410429826
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】胡志華, 施光輝, 段良飛 申請人:雲南師範大學