二維材料增強的太陽能電池結構及其製作方法與流程

2023-08-06 08:21:31 1

本發明涉及一種太陽能電池及其製備方法，尤其涉及一種二維材料增強的太陽能電池及其製備方法，屬於太陽能電池技術領域。

背景技術：

近年來，能源問題作為一個日益顯著的問題，引起了研究和產業界的廣泛關注。其中，太陽能發電作為有前景的潔淨新能源對人類社會的可持續發展將發揮著極其重要的作用，因此吸引了越來越多研究人員的參與，可以廣泛應用於航空、民用以及軍事領域。目前商業化的太陽能電池產品中，晶體矽(單晶和多晶)太陽能電池的市場份額最大，一直保持在85％以上的市場佔有率。

矽晶太陽能電池具有諸多優勢，其研究與生產也已經相對穩定和成熟，光電轉換效率較高，在未來的一段時間內新能源包括光伏發電的巨大需求將會促使矽晶太陽能電池產業的高速發展的勢頭依然保持強勁。儘管矽晶太陽能電池具有諸多優勢，但矽材料成本還是相對較高，這使其在價格方面處於較為不利的地位。同時，新一代的各種太陽能電池(有機太陽能電池、敏化太陽能電池、石墨烯異質結太陽能電池、薄膜太陽能電池等)也在迅猛發展，光電轉換效率迅速提高，成本進一步降低，也對矽晶太陽能電池的地位提出了挑戰。因此，為提升矽晶太陽能電池的競爭力，提高其光電轉換效率是其中一種最為直接的方式。另外一方面，二維半導體材料的研究表明二維半導體的內量子效率可以達到90％以上，表明二維半導體材料可以成為很好的下轉換材料。二維碳化矽和二維二硫化鉬隨著層數減小，逐漸成為直接禁帶半導體，螢光效率也隨之提升。單層二硫化鉬的能帶為1.8ev，單層碳化矽的能帶為2.5ev，都為直接禁帶半導體，因此二維碳化矽和二維二硫化鉬可以成為很好的下轉換材料。由於二維碳化矽的合成實現不久(專利zl201410511422.5)，關於二維碳化矽在下轉換材料提升太陽能電池轉換效率的報導還沒有，本發明首次在矽晶太陽能電池中引入二維二硫化鉬、二維碳化矽等具有下轉換效應的二維材料層，可以提高太陽能電池對紫外光的吸收利用率，有助於提高太陽能電池的光電轉換效率。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種光電轉換效率極高且製備工藝簡單的二維材料增強太陽能電池及其製備方法。

本發明的採用二維材料增強的太陽能電池結構，是在已成型太陽能電池的絕緣減反層上增設有下轉換材料層，所述的下轉換材料層為二維碳化矽、二維二硫化鉬中一種或幾種混合的二維材料層。其中，所述的二維材料層即厚度僅幾個原子層的薄膜層，通常厚度不超過100nm；所述的二維碳化矽為超薄碳化矽材料，即厚度為5nm以下，其製備方法可參考zl201410511422.5，所述的二維二硫化鉬為單層或幾個原子層的二硫化鉬薄膜，可採用微機械剝離法、鋰離子插層剝離法、液相超聲剝離法、水熱法以及化學氣相沉積法等多種方法獲得。

上述技術方案中，所述的已成型太陽能電池為矽晶太陽能電池。行業中現有的矽晶太陽能電池其結構通常包括自下而上依次設置的背電極、制有p-n結的晶體矽片、絕緣減反層、正電極；可以是單晶矽太陽電池也可以是多晶矽電池；

本發明的太陽電池即是在矽晶太陽電池的製備過程中，在製作電極前，先在絕緣減反層上增設一層二維的下轉換材料層，所述的下轉換材料層是通過旋塗、浸泡或者噴淋前驅體溶液的方式附著在絕緣減反層上。

上述前驅體溶液為二維碳化矽、二維二硫化鉬中的一種或多種在水、乙醇或異丙醇(ipa)中形成的分散液。

所述的絕緣減反層為氧化鋁、氮化矽、二氧化矽中的一種；生長的方式為等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)、磁控濺射、熱蒸發、電子束蒸發或原子層沉積(ald)中的一種。

在太陽能電池製備過程中，獲得絕緣減反層後，先旋塗、浸泡或噴淋前驅體溶液，烘乾後在絕緣減反層上獲得下轉換材料層，再進行後續電極製備及燒結。

如在製備矽晶太陽能電池時：

將成品晶體矽片經過傳統的清洗、制絨、擴散制結、刻蝕，再用磁控濺射、熱蒸發、電子束蒸發、ald或者pecvd方法製備一層絕緣減反層，可以是氧化鋁、二氧化矽、氮化矽中的一種，然後在該絕緣減反層上旋塗或者噴淋上前驅體溶液，亦或將上述絕緣減反層表面浸入前驅體溶液中再取出；烘乾，最後將電極(背面電極、鋁背場和正電極)印刷及烘乾、燒結製備成矽晶太陽能電池。

本發明與現有技術相比具有的有益效果是：

與傳統的太陽能電池相比，在太陽能電池結構中引入下轉換層，利用二維碳化矽、二維二硫化鉬材料的下轉換效應，可以將太陽光中的紫外光波段降低到可見光波段以提供太陽能電池吸收，進而提高太陽能電池對紫外光和可見光的整體吸收利用率，有助於提高太陽能電池的光電轉換效率。且其製備工藝簡單，易於實現，只需在現有的製備工藝上做少量改動實現。

附圖說明

圖1為二維材料增強矽晶太陽能電池的結構截面示意圖；

圖2為二維碳化矽的pl曲線。

圖3為加入二維材料之後矽晶太陽能電池的電流－電壓曲線對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。

本發明的太陽能電池結構，是在傳統矽晶太陽能電池的製備過程中，在絕緣減反層上增設一層下轉換材料層，所述的下轉換材料層為二維碳化矽、二維二硫化鉬中一種或幾種混合的二維材料層。參照圖1，本發明的矽晶太陽能電池其結構自下而上包括電池背電極1、制有p-n結的晶體矽片2、絕緣減反層3、二維材料層4以及電池正電極5。其中二維材料中的二維碳化矽的pl曲線如圖2所示，在絕緣層上附著二維材料層，在光照情況下二維材料層吸收紫外光波段並將其轉換為可見光輸出到矽晶太陽能電池中。矽晶太陽能電池對可見光和紫外光波段的太陽光吸收效率更高，進而提高矽晶太陽能電池轉換效率0.2％以上，如圖3所示太陽能電池的開壓與短路電流有了顯著的提高，提高了太陽能電池的光電轉換效率。

實施例1：

1)將成品多晶矽晶體矽片經過傳統的清洗、制絨、擴散制結、刻蝕工藝；

2)將所得的晶體矽片用pecvd方法製備一層氮化矽絕緣減反層，厚度為100nm；

3)然後在絕緣減反層上旋塗二維碳化矽的乙醇分散液並烘乾，所述的二維碳化矽的乙醇分散液；