公开一种基于钙钛矿的太阳能电池，其包含安置在缓冲层上的透明电极，所述缓冲层在所述电极沉积期间保护所述钙钛矿免受损害。所述缓冲材料通过使用低温原子层沉积、化学气相沉积或脉冲化学气相沉积沉积。在一些实施例中，所述钙钛矿材料可作为多电池太阳能电池结构中的吸收层操作。在一些实施例中，所述钙钛矿材料可作为单结太阳能电池结构中的吸收层操作。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含金属氧化物缓冲层的太阳能电池和制造方法关于联邦政府资助研究的声明本专利技术在政府支持下在由能源部(DepartmentofEnergy)授予的合同DE-EE0006707号下进行。政府在本专利技术中享有一定权利。相关申请的交叉参考本案要求2016年9月20日提交的美国临时专利申请序列号62/397,293(代理人案号：146-065PR1)和2016年9月22日提交的美国临时专利申请序列号62/398,220(代理人案号：146-065PR2)的优先权，其中的每一个以引用的方式并入本文中。如果在本申请与以引用的方式并入的一或多个案件中的用语中存在可能影响本案中的权利要求的解释的任何矛盾或不一致，则本案中的权利要求应被解释为与本案中的用语一致。
本专利技术大体上涉及太阳能电池，并且更确切地说，涉及用于太阳能电池的透明电极的形成。
技术介绍
太阳能电池是将入射光的能量直接转换成电的光电半导体装置。光在太阳能电池的吸收层中被吸收，其引起自由电载流子(即，电子和空穴)的产生。自由电载流子产生跨越装置端的电压，所述电压可以用于直接为电力系统供电或储存在电存储系统(例如，电池等)中以供稍后使用。为了在吸收材料中产生自由载流子对，光子必须具有大于材料能带隙(EG)的能量。材料的EG是其价带顶部(束缚电子聚居的最高能级)与其导带底部(自由电子聚居的最低能级)之间的能量差。当光子被吸收时，其能量给予束缚电子-空穴对，这解放了电子并且使得其能够从价带进入导带。光子的能量与其波长成反比(Ep＝hc/λ，其中Ep为光子能量，h为普朗克常量(Planck'sconstant)，c为光速，并且λ为波长)；因此，较长波长光(例如，红光)的光子能量比较短波长光(例如，蓝光)低。因此，用于吸收光的半导体的选择对太阳能电池的效率具有相当大的影响。硅可能是目前最常使用的太阳能电池材料，这是由于其EG相对低，制造基础设施高度发展，并且与其它半导体材料相比成本低。不利的是，硅并不有效吸收光。另外，由于自由电子和自由空穴倾向于分别占据导带底部和价带顶部的能级，电子空穴对从较高能量光子接收的任何额外能量以在被称作“热化”的过程中转移到半导体材料中的热量形式损失。热化损失既降低太阳能电池的能量转换效率又使装置温度升高，温度升高可能导致劣化和寿命问题。能量转换效率和热化损失均可以通过在“串联太阳能电池”配置中组合不同材料而改良。串联太阳能电池是堆叠结构，其包含由具有相对较高EG的材料制成的顶部光伏部分和由具有相对较低EG的材料制成的底部光伏部分。换句话说，串联太阳能电池具有两个p-n结和两个不同的带隙。当光入射到太阳能电池上时，高能量光子首先在顶部中被吸收，而较低能量光子通过顶部以在底部光伏部分中被吸收。这使得能够吸收较宽光谱的光，由此提高能量转换效率，超过单结效率极限。另外，降低了因底部电池中吸收高能量光子而导致的热化损失。取决于顶部太阳能电池的材料的EG，基于硅的串联太阳能电池的基本效率极限可能高达大约39％，显著高于单结硅太阳能电池的理论效率极限33.7％。钙钛矿是用于单结太阳能电池和串联太阳能电池结构两者的最具吸引力的材料之一。近年来，基于单结钙钛矿的太阳能电池效率变得极具竞争性。其快速上升是特性的独特组合的结果，所述特性如由本征缺陷的良性性质实现的强光学吸收和长双极扩散长度。另外，基于钙钛矿的太阳能电池具有宽的可调带隙和溶液可加工性，这使得其对于用作串联太阳能电池配置中的顶部电池尤其具有吸引力，所述串联太阳能电池配置具有包含如硅、硒化铜铟镓(CIGS)等的较低EG材料的底部电池。因此，其展现实现提高效率同时继续压低模块成本的行业目标的途径。在机械堆叠四端配置和单片集成(monolithicallyintegrated)二端和三端配置中均已展示基于钙钛矿的串联太阳能电池。堆叠串联结构取得最大成功，最近到达超过24％的功率转换效率，因为架构简化装置制造，允许硅表面纹理化，并且不需要电流匹配。然而，单片集成串联结构具有更大前景，这是因为其具有较少半透明电极层的事实。然而，迄今为止，单结太阳能电池和基于钙钛矿的太阳能电池的商业可行性均由于热不稳定性和环境不稳定性而受限。另外，基于钙钛矿的单片串联太阳能电池的效率持续落后其机械堆叠对应物，这主要因为难以在基于钙钛矿的顶部电池上沉积透明电接触件，其中透明电接触件适用作高透射性窗层。由于制造约束，光在进入钙钛矿之前必须首先通过标准架构中的空穴传输层(例如，螺环-OMeTAD)或倒置架构中的电子受体层(例如，[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM))，这导致相当大的寄生损失。另外，为了沉积高度透明并且导电的电极(例如，氧化铟锡(ITO)等)，需要缓冲层来保护钙钛矿和有机载流子提取层免受因溅射粒子的高能量而导致的损害。然而，现有技术缓冲层由于其与钙钛矿组合物的化学反应性而具有不良长期稳定性。此外，现有技术缓冲层受使填充因子和开路电压降低的低效率困扰。现有技术中迄今仍未满足适用作太阳能电池中的窗层并且易于形成在钙钛矿太阳能电池结构上的高质量、高度透明电接触件。
技术实现思路
本专利技术能够实现高转换效率的基于钙钛矿的太阳能电池，其环境稳定并且商业上可行。本专利技术的实施例使用安置在基于钙钛矿的吸收层表面上的缓冲层来在其表面上的电接触件形成期间对其进行保护，其中缓冲层与钙钛矿材料基本上不反应，能量上良好排列以充当载流子提取层，并且足够薄以减少光学吸收。本专利技术的实施例尤其适用于单电池太阳能电池结构和多电池太阳能电池结构(例如，串联太阳能电池等)。本专利技术的一说明性实施例是安置在玻璃衬底上的单结太阳能电池，其中太阳能电池包含基于钙钛矿的吸收层(即，电池)、ITO的下部电接触件和充当太阳能电池的窗层的基本上透明的上部电接触件。上部电接触件包括溅射沉积于包含双层金属氧化物的缓冲物上的ITO层。金属氧化层通过低温原子层沉积而沉积于钙钛矿吸收层上。在一些实施例中，所述缓冲层使用脉冲化学气相沉积来沉积。在一些实施例中，钙钛矿层被包括为如串联太阳能电池的多电池太阳能电池结构中的多个吸收层之一。在一些实施例中，钙钛矿层被包括为具有包含硅的底部电池的串联太阳能电池中的顶部吸收层。在一些实施例中，钙钛矿层被包括为串联太阳能电池中的顶部吸收层，所述串联太阳能电池具有包含除硅外的材料，如CIGS、特征在于比顶部电池的钙钛矿的EG低的第二钙钛矿和类似物的底部电池。在一些实施例中，太阳能电池结构包括作为增加钙钛矿的环境稳定性的阻挡层操作的缓冲层。在一些实施例中，太阳能电池结构包括仅具有一层金属氧化物的缓冲层。在这些实施例中的一些中，缓冲物由氧化锡组成。在一些实施例中，缓冲层使用化学气相沉积来沉积。在一些实施例中，缓冲层使用脉冲化学气相沉积来沉积。在一些实施例中，提供缓冲层以使得其与卤化物基本上不反应。在一些实施例中，太阳能电池结构包括作为太阳能电池中的载流子提取层操作的缓冲层。本专利技术的一实施例是太阳能电池100，其操作用于将第一光信号124转换成电能，所述太阳能电池包括：包含第一材料112的第一吸收层110，第一材料是钙钛矿并且具有第一能带隙；与第一吸收层电连通的电接触件122，电接触件对于第一波长范围基本透明，第一光信号包括在第一波长范围内的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种太阳能电池(100)，其操作用于将第一光信号(124)转换成电能，所述太阳能电池包括：包含第一材料(112)的第一吸收层(110)，所述第一材料是钙钛矿并且具有第一能带隙；与所述第一吸收层电连通的电接触件(122)，所述电接触件对于第一波长范围基本透明，所述第一光信号包括在所述第一波长范围内的光；和在所述电接触件与所述第一吸收层之间的缓冲层(116)，所述缓冲层包含含有第一金属氧化物的第一层(118)。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.20 US 62/397,293;2016.09.22 US 62/398,2201.一种太阳能电池(100)，其操作用于将第一光信号(124)转换成电能，所述太阳能电池包括：包含第一材料(112)的第一吸收层(110)，所述第一材料是钙钛矿并且具有第一能带隙；与所述第一吸收层电连通的电接触件(122)，所述电接触件对于第一波长范围基本透明，所述第一光信号包括在所述第一波长范围内的光；和在所述电接触件与所述第一吸收层之间的缓冲层(116)，所述缓冲层包含含有第一金属氧化物的第一层(118)。2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一金属氧化物是氧化锡。3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一金属氧化物选自由以下组成的群组：氧化锌、氧化锌锡、氧化钛、氧化镍、氧化铂、氧化钨和氧化钒。4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述缓冲层进一步包括包含第二金属氧化物的第二层(120)。5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中第一金属氧化物是氧化锡并且所述第二金属氧化物是氧化锌锡。6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述缓冲层操作用于从所述第一吸收层提取电子。7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述缓冲层与卤化物基本上不反应。8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述缓冲层与所述第一吸收层的第一表面(S1)基本上共形。9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一材料包含铯。10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其进一步包含含有第二材料(630)的第二吸收层(602)，所述第二材料(630)具有小于所述第一能带隙的第二能带隙，其中所述第一吸收层和第二吸收层是单片集成的并且共同限定单片集成串联太阳能电池(600)。11.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：K·A·布什，A·F·帕尔姆斯特伦，M·D·麦吉，S·F·本特，
申请(专利权)人：小利兰斯坦福大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国,US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。