一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池及其制备方法，基板玻璃（1）上设有一组叠层太阳能电池单元，每个单元包括：a.底电池，它是由导电金属层（2）、CIGS背光吸收层（3）、In2S3缓冲层（4）、窗口层（5）和中间电极层（6a）组成；b.前电池，它是由催化电极（7）、空穴传输层（8）、钙钛矿层（9）、致密绝缘层（10）和前电极（6b）组成；d.导电金属层上设有绝缘区P1使相邻电池单元的正极隔开；e.设置串联通道P3前电极（6b）和导电金属层（2）连接，电池输出正负电极设在基板两侧。本发明专利技术的有点在于光吸收利用率高，叠层电池输出电流相互匹配，串联结构无损失，输出电压及光电转换效率高；一方面调节底电池铜铟镓硒层，实现对太阳光的最佳匹配吸收，极大的提高太阳能电池的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
，具体是一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳能电池是直接将光能转换成电能的元件，由于太阳辐射光谱的范围（0～4eV）非常宽，根据光伏效应原理，由单一半导体材料构成的单节太阳能电池，仅能将太阳能辐射光谱中的一部分光能转换成电能，太阳能的有效利用率低，且输出电压低。解决上述问题的有效手段是将太阳能电池器件材料与太阳光的能量宽度匹配，按能隙从大到小的顺序从外向内里叠合，让波长最短的光被最外边的宽带隙电池利用，波长较长的光能投射进入让窄能隙电池利用，用各节电池充分吸收与其禁带宽度匹配的太阳光谱波段的光子能力，从而实现太阳光伏最大化有效利用，具有这种结构的太阳能电池称为叠层电池。钙钛矿太阳能电池作为新型高效太阳电池目前光电转换效率已达到22％。其主要由导电基体、致密层/绝缘层、钙钛矿层、空穴传输层（HTM）和催化对电极组成，钙钛矿层作为吸收层，在电池中起着至关重要的作用。以CH3NH3PbI为例，钙钛矿薄膜作为直接带隙半导体，禁带宽度为1.55eV电导率为10-3S/m，载流子迁移率为50cm2/(V·s)吸收系数105，消光系数较高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收400～800nm以内的太阳光,与窄带隙的铜铟镓硒太阳能电池（简称CIGS）进行叠层，将能获得更高转化效率的电池（30%）。铜铟镓硒是四元化合物半导体材料，随着镓组分X从0到1变化，其禁带宽度从1.04eV到1.69eV变化，当X=0.13时，CuIn0.87Ga0.13Se2的禁带宽度接近1.1eV，除吸收太阳光中可见光谱范围，还可吸收700～1200nm的太阳光谱。叠层铜铟镓硒和钙钛矿电池结构中，顶层钙钛矿用于吸收短波长太阳光，底层窄带隙材料用于吸收长波长太阳光。同样光照条件下，单节铜铟镓硒太阳能电池的电流密度可达25mA/cm2以上，而单节钙钛矿电池的电流密度同样可达25mA/cm2以上，因此铜铟镓硒和钙钛矿电池形成叠层后光生电流较好匹配，无能量损失。近期，德国巴登符腾堡州太阳能暨氢能研究中心（ZSW）的科学家们制造出效率为17.8%的钙钛矿/CIGS机械式叠层组成的薄膜太阳能电池。美国加州大学杨阳教授课题组制备出效率为15.5%的钙钛矿/CIGS四电极端点叠层太阳能电池(YangY,andChenQ,etal.ACSnano,2015,9(7)：7714-7721)。中国电子科技集团公司第十八研究所利用旋涂钙钛矿的方法制备出了一种柔性CIGS/钙钛矿叠层太阳能电池（公布号：CN105470388A）。所述的CIGS采用的CdS作为缓冲层。中国科学院重庆绿色智能技术研究院采用四端串联的方式制备了一种高效CIGS/钙钛矿串联太阳能电池（公布号：CN106129053A），该叠层电池采用外部导线将半透明钙钛矿太阳能电池的阳极和CIGS的阴极链接起来，得到高效串联电池。北京科技大学公布了一种柔性CIGS/钙钛矿叠层太阳能电池（公布号：CN106558650A），采用化学浴沉积（CBD）CdS作为缓冲层。尽管已经报道了很多尝试方法制备CIGS/钙钛矿叠层太阳能电池，然而归结现有的叠层电池制备过程一种方法是先在基底制备一个完整的太阳能电池，再在另外一个基底制备第二个电池的各功能区，两基底重叠形成各自单独引线的叠层电池器件；另一种方法是依次在CIGS上引入中间复合层叠加制得钙钛矿电池，实现叠层电池内部串联。但是这两种叠层太阳能电池不能达到两种电池最佳状态，制备方法及采用CdS的制备方法有局限性，无法规模化制备和实现。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决现有技术中存在的叠层太阳能电池不能达到两种电池最佳状态，制备方法及采用CdS的制备方法有局限性，无法规模化制备和实现的缺点，提供一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池及其制备方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，包括一个基板玻璃，基板玻璃上设有一组依次串联的叠层太阳能电池单元，其特征在于每个叠层太阳能电池单元包括：a.底电池，它是由依次设置在基板玻璃上的导电金属层、CIGS背光吸收层、In2S3缓冲层、窗口层和中间电极层组成；b.前电池，它是由依次设置在中间电极层上的催化电极、空穴传输层HTM、钙钛矿层、致密绝缘层和前电极组成；c.前电极上依次设有中间层压胶膜和盖板玻璃，叠层的底电池和前电池两侧分别设有边缘密封胶；d.基板玻璃上的导电金属层上设有绝缘区P1，使相邻的两个叠层电池单元的底电池的正极隔开；e.设置叠层太阳能电池单元的串联通道P3，其一端与本叠层太阳能电池单元的前电极相连、另一端与相邻的叠层太阳能电池单元的导电金属层连接，形成正负极串联，叠层太阳能电池单元的一侧设有由致密层绝缘层制成的电池绝缘区P2，P2将串联通道P3与本叠层太阳能电池单元隔开。在上述技术方案的基础上，有以下进一步的方案：所述的大面积铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池的输出正电极与负电极通过划线工艺都集中在导电基板上；所述基板玻璃为厚度10～40mm的钠钙玻璃、导电PET（导电PET是在PET基底材料上溅射透明氧化铟锡ITO导电薄膜镀层并经高温退火处理得到的产品），所述钠钙玻璃中钠的质量百分比含量为5～30%；所述Mo/CZ++导电金属层2的厚度为0.2～3.5μm；所述CIGS背光吸收层厚度为0.5～5μm，其禁带宽度为1.0～1.2eV；所述缓冲层为厚度0.02～3μm的In2S3；所述窗口层为厚度0.02～5μm的i-ZnO；所述中间电极层为厚度0.01～1μm的AZO；所述催化电极为厚度0.01～0.1μm的Au、Pt或C；所述空穴传输层HTM厚度为100～200nm的spiro-MeOTAD（中文名称，2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴）；所述钙钛矿层厚度为200～300nm为CH3NH3PbI3-xClx（中文名称，甲胺氯代碘化铅）；所述致密绝缘层厚度为10～100nm、粒径5～50nm、透光率>90%的TiO2/Al2O3；所述前电极为厚度0.5～2mm的AZO；所述胶体为厚度0.5～3mm的EVA膜、Surlyn膜或紫外固化胶。本专利技术还提供了一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1).清洗导电基板；2).采用磁控溅射在基底玻璃上制备Mo/CuZn导电金属层；3）.采用激光工艺完成一组P1划线，将金属导电层绝缘切割为一组制作叠层太阳能电池单元的部分，形成宽度为30～100nm的P1区；4).采用磁控溅射在导电金属层上依次沉积Cu、In与Ga层，得到CuInGa层，再在CuInGa层上采用热蒸镀工艺蒸镀Se，再经过500~600℃快速热处理（RTP）工艺，形成CIGS背光吸收层；或采用共蒸工艺在导电金属上同时沉积形成CIGS背光吸收层；5).通过真空蒸发沉积或化学沉积与溅射沉积在CIGS背光吸收层上依次制备InS/CdS缓冲层与i-ZnO窗口层；6).通过直流磁控溅射法在i-ZnO窗口层上沉积一层AZO薄膜，作为中间电极层；7).采用磁控溅射在中间电极层上沉积Au、Pt或C，形成催化电极，完成底电池的制作；8).采用旋涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，包括一个基板玻璃（1），基板玻璃上设有一组依次串联的叠层太阳能电池单元，其特征在于每个叠层太阳能电池单元包括：a.底电池，它是由依次设置在基板玻璃（1）上的导电金属层（2）、CIGS背光吸收层（3）、In2S3缓冲层（4）、窗口层（5）和中间电极层（6a）组成；b.前电池，它是由依次设置在中间电极层（6a）上的催化电极（7）、空穴传输层HTM（8）、钙钛矿层（9）、致密绝缘层（10）和前电极（6b）组成；c. 前电极（6b）上依次设有中间层压胶膜（12）和盖板玻璃（13），叠层的底电池和前电池两侧分别设有边缘密封胶（11）；d.基板玻璃（1）上的导电金属层（2）上设有绝缘区P1，使相邻的两个叠层电池单元的底电池的正极隔开；e.设置叠层太阳能电池单元的串联通道P3，其一端与本叠层太阳能电池单元的前电极（6b）相连、另一端与相邻的叠层太阳能电池单元的导电金属层（2）连接，形成正负极串联，叠层太阳能电池单元的一侧设有由致密层绝缘层制成的电池绝缘区P2，P2将串联通道P3与本叠层太阳能电池单元隔开。

【技术特征摘要】
1.一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，包括一个基板玻璃（1），基板玻璃上设有一组依次串联的叠层太阳能电池单元，其特征在于每个叠层太阳能电池单元包括：a.底电池，它是由依次设置在基板玻璃（1）上的导电金属层（2）、CIGS背光吸收层（3）、In2S3缓冲层（4）、窗口层（5）和中间电极层（6a）组成；b.前电池，它是由依次设置在中间电极层（6a）上的催化电极（7）、空穴传输层HTM（8）、钙钛矿层（9）、致密绝缘层（10）和前电极（6b）组成；c.前电极（6b）上依次设有中间层压胶膜（12）和盖板玻璃（13），叠层的底电池和前电池两侧分别设有边缘密封胶（11）；d.基板玻璃（1）上的导电金属层（2）上设有绝缘区P1，使相邻的两个叠层电池单元的底电池的正极隔开；e.设置叠层太阳能电池单元的串联通道P3，其一端与本叠层太阳能电池单元的前电极（6b）相连、另一端与相邻的叠层太阳能电池单元的导电金属层（2）连接，形成正负极串联，叠层太阳能电池单元的一侧设有由致密层绝缘层制成的电池绝缘区P2，P2将串联通道P3与本叠层太阳能电池单元隔开。2.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，其特征在于，所述的大面积铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池的输出正电极与负电极通过划线工艺都集中在导电基板上。3.根据权利要求1所述的一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，其特征在于，所述基板玻璃（1）为厚度10～40mm的钠钙玻璃、导电PET，所述钠钙玻璃中钠的质量百分比含量为5～30%。4.根据权利要求1或3所述的一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，其特征在于，所述Mo/CZ++导电金属层（2）的厚度为0.2～3.5μm；所述CIGS背光吸收层厚度为0.5～5μm，其禁带宽度为1.0～1.2eV；所述缓冲层为厚度0.02～3μm的In2S3；所述窗口层为厚度0.02～5μm的i-ZnO；所述中间电极层为厚度0.01～1μm的AZO。5.根据权利要求1或3所述的一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，其特征在于，所述催化电极为厚度0.01～0.1μm的Au、Pt或C；所述空穴传输层HTM厚度为100～200nmspiro-MeOTAD；所述钙钛矿层厚度为200～300nm为CH3NH3PbI3-xClx。6.根据权利要求1或3所述的一种铜铟镓硒钙钛矿叠层太阳能电池，其特征在于，所述致密绝缘层厚度为10～100nm、粒径5～50nm、透光率>90%的TiO2/Al2O3。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭寿，何早阳，徐根保，刘小雨，张鑫根，
申请(专利权)人：凯盛光伏材料有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34