一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池制造技术

本发明专利技术涉及一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池的制作方法。叠层太阳能电池与单结太阳能相比，可以更好利用太阳光谱中短波的光子，取得更高效率。所述的硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池包括宽带隙的顶部钙钛矿太阳能电池和窄带隙的硅电池，自上而下依次包括减反层、透明顶电极、保护层、钙钛矿吸收层、电子传输层、中间层、Si异质结电池、金属电极。本发明专利技术采用在低温下制备了隧道结和钙钛矿吸收层。通过简单的、低成本的溶液法制备的硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池效率最终能达到22.22％，处于国内领先水平。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池
本专利技术涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池的制备方法。
技术介绍
太阳光谱的能量分布较宽，单一半导体材料的光电响应光谱范围相对于太阳光谱都太窄，从根本上制约了效率的提高。将不同禁带宽度的半导体材料组合起来形成多结半导体太阳能电池。分别吸收不同波长范围的入射光，顶层电池的能带最大，往下依次减少。多结半导体太阳能电池以其较高的转换效率，良好的温度特性，较低的环境污染和较大的成本降低空间等优势，已成为目前应用最具潜力的太阳能电池。自2013年6月至今，钙钛矿太阳能电池转换效率从14％迅速提升到22.1％，成为当前光伏领域的研究热点。钙钛矿材料具有特殊的ABX3晶体结构，即使产生大量晶体缺陷，仍能保持结构稳定，并有利于缺陷的扩散迁移；再者，钙钛矿材料具有高的迁移率，高的扩散长度与少子寿命，其电池具有较高开路电压(>1V)；在波长为300-900nm范围内，材料具有高的吸收系数。但由于其带隙较大，钙钛矿在近红外区的光谱响应较弱，制约了电池性能提升。硅电池场占有率高达90％，成本高，性能优异，带隙在为1.12eV比较适合做底电池；钙钛矿可以实现带隙可控，具有柔软性，和Si的晶格失配低容忍缺陷能力高，适合做顶电池。将成本较低的钙钛矿电池和技术最成熟的硅电池结合制备叠层电池，拓宽光谱响应，可以利用钙钛矿/晶硅异质结叠层电池结构，对近红外光子有较强吸收，实现电流匹配，提高电池开路电压，进而提升转换效率，被认为是一种很有潜力的高效电池新技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服钙钛矿太阳能电池在近红外区的光谱响应较弱，提升转换效率，提供了一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：所述的一种硅异质结/钙钛矿串联二电极太阳能电池，由顶层太阳能电池和底层太阳能电池以及串联上下两个电池的中间层；所述顶层太阳能电池采用的正式结构，包括电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、保护层、透明导电层；优选的，所述电子传输层为二氧化钛或者二氧化锡。优选的，所述顶层钙钛矿吸光层具有ABX3型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿,其中，A为甲基胺或甲脒胺，B为铅、锡或锑，X为碘、溴或氯，禁带宽度在1.55eV-1.8eV，x值为0.37-0.52。优选的，所述空穴传输层的材料为Spiro-OMeTAD(2，2’，7，7’-四[N，N-二(4甲氧基苯基)氨基]-9，9’-螺二芴)或PTAA(聚[双(4-苯基)(2，4，6三甲基苯基)胺]或P3HT(3-己基噻吩))。优选的，所述的保护层为氧化钼(MoOx)，由于磁控溅射的能量较高，容易损坏钙钛矿的光吸收层，所以在溅射透明电极时，采用热蒸发的方法在空穴传输层上沉积10nm～30nm的氧化钼。优选的，所述的透明导电层可以为利用磁控溅射设备溅射ITO薄膜，或者真空蒸镀方法制备的DMD透明电极(MoOX/Au/Ag/MoOX)。优选的，所述底层太阳能电池为商业化的N型平面硅电池与顶层太阳能电池相匹配；优选的，所述的中间层为磁控溅射的ITO，可以使用PEIE(聚乙氧基乙烯亚胺)和PEDOT(聚3,4-乙烯二氧噻吩)对硅电池上层ITO表面进行修饰。本专利技术提供一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池的制备方法，包括以下几个步骤：S01底层硅电池的制备：所用的硅基电池均为新奥有限公司提供；S02中间层的制备：在硅电池的上面使用磁控溅射了一层80nm的ITO薄膜；S03电子传输层的制备：将分散有TiO2纳米颗粒的乙醇溶液以3000rmp30s旋涂后150摄氏度退火30min，对于SnO2基底用SnO2·2H2O原液和去离子水按照一定比例进行混合均匀，利用匀胶机3000rpm*30s旋涂，再进行退火处理，形成SnO2薄膜；S04钙钛矿光吸收层的制备：首先配置两步法旋涂的前驱体，第一步先将碘化铅、溴化铅、碘化铯溶于N，N二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，70℃搅拌5小时，然后3000rpm旋涂在电子传输层上，70℃退火20min，第二步把碘甲胺、碘甲脒、溴甲胺按一定的比例溶于异丙醇中，室温搅拌2h。然后3000rmp旋涂在碘化铅上，在30％RH中150℃退火15min；S05空穴传输层的制备：spiro的氯苯溶液3000rmp旋涂在钙钛矿光吸收层上面；S06透明电极的制备：对于ITO透明电极而言，利用磁控溅射，功率200W溅射20min形成240nm的ITO薄膜；对于DMD透明电极，先是以每秒0.2-0.6埃蒸镀5nm的氧化钼，之后以0.1-0.2埃每秒蒸镀1nm的金，之后以每秒0.4埃蒸镀10nm的银，之后以每秒0.2-0.6埃蒸镀20nm的氧化钼；S07电极线的引出：底层Si电池的背面刷上银浆，用银线引出阴极；用刀片在顶电极上面用刀片割成3mm*4mm的矩形状的小电池，然后点上铟电极，大小为1mm*2mm,用探针压在金属铟上引出阳极。本专利技术涉及到钙钛矿电池和硅/钙钛矿二电极叠层电池的研发平台，制备出能带在1.5-1.8eV可以调控的低缺陷高光电学性能的钙钛矿薄膜，优化叠层电池中上下吸光层的能带及电流匹配问题，辅以合适的界面设计及工艺。在此基础上，进一步优化了ITO透明电极和减反射膜氟化镁的制备工艺，最终实现叠层电池转换效率>22％，处于国内顶尖水平。附图说明：图1制备基于硅异质结/钙钛矿叠层太阳能电池的技术路线图；图2基于硅异质结/钙钛矿二电极太阳能电池的结构示意图；图3优化硅异质结/钙钛矿叠层太阳能电池制备工艺，得到22％以上的高效率。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术实施方法作进一步说明。图1是制备基于硅异质结/钙钛矿叠层太阳能电池的技术路线图；以下实施例中钙钛矿太阳能电池的制备方法均以图1所示的技术路线为基础。请参阅图1所示，本专利技术提供一种基于硅异质结/钙钛矿二电极太阳能电池的结构示意图该结构由下至上依次包括：自下而上依次包括银电极(101)、异质结的Si电池(102)、ITO连接层(103)、二氧化锡电子传输层(104)、钙钛矿吸收层(105)、空穴传输层(106)、保护层(107)、透明顶电极(108)、铟电极(109)、减反层(110)。实施例一(基于不同钙钛矿禁带宽度的叠层效率优化)(1)商业化得n型异质结Si电池，尺寸为1cm*1cm；(2)在Si电池上用磁控溅射功率80nmITO薄膜作为上下电池的连接层；(3)溅射后的Si电池用乙醇溶液超声10min中，用氮气枪吹干之后，用紫外清洗机UV20min来增加溶液的润湿性能和去除表面的有机物；(4)电子传输层的制备：将SnO2·2H2O(购买自AlfaAesar)旋涂在Si衬底上，利用匀胶机3000rpm*30s旋涂，再进行退火处理150℃退火30min，形成致密的SnO2薄膜；3000rpm150摄氏度条件下退火30min。(5)不同带隙的钙钛矿吸收层的制备，首先配置两步法旋涂的前驱体，将不同质量的碘化铅和溴化铅溶于1mlN，N二甲基甲酰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池，其特征在于由顶层的钙钛矿太阳能电池和底层的硅异质结太阳能电池通过中间层串联起来。从顶层的钙钛矿电池引出一个电极，从硅异质结底部引出另一个电极，构成二电极的串联叠层太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池，其特征在于由顶层的钙钛矿太阳能电池和底层的硅异质结太阳能电池通过中间层串联起来。从顶层的钙钛矿电池引出一个电极，从硅异质结底部引出另一个电极，构成二电极的串联叠层太阳能电池。2.如权利要求1的一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池，其特征在于顶层钙钛矿吸光层具有ABX3型晶体结构的有机无机杂化钙钛矿，其中，A为甲基胺或甲脒胺，B为铅、锡或锑，X为碘、溴或氯，禁带宽度在1.55eV-1.8eV，x值为0.37-0.52，主要吸收短波长的光子。3.如权利要求1的一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池，其特征在于底层太阳能电池使用商业化Si电池，禁带宽度在1.12eV，主要吸收长波长的光子。4.如权利要求2所述的一种基于硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池，其特征在于包括以下步骤：(1)底层太阳能电池的制备：采用新奥公司生产的Si电池；(2)中间层ITO的溅射，采用磁控溅射方法在Si基电池上溅射的ITO薄膜；(3)电子传输层的制备：用SnO2·2H2O原液和去离子水按照一定比例进行混合均匀或者TiO2纳米颗粒，利用匀胶机3000rpm*30s旋涂，再进行退火处理，形成致密SnO2或者TiO2薄膜；(4)宽禁带钙钛矿层的制备：首先配置两步法旋涂的前驱体，将碘化铅、溴化铅、碘化铯溶于N，N二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，70℃搅拌5小时。将40mg碘甲脒和20mg碘甲胺溶于1ml的异丙醇中，室温搅拌2小时。用旋涂法在电子传输层上面制备钙钛矿活性光吸收层；(5)空穴传输层的制备：采用旋涂法在...

【专利技术属性】
技术研发人员：周欢萍，邱智文，徐梓淇，周宁，李能旭，陈怡华，赵冠超，李厉伟，孟原，郭铁，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11