钙钛矿/硅串联光伏器件制造技术

串联光伏器件包括具有硅层的硅光伏电池、具有钙钛矿层的钙钛矿光伏电池、以及在钙钛矿光伏电池的后侧和硅光伏电池的前(向阳)侧之间的中间层。硅层的前侧具有纹理化的表面，其具有小于1μm或小于2μm的纹理化的表面中的结构的峰谷高度。纹理化的表面通过中间层或钙钛矿光伏电池的层平坦化。形成串联光伏器件包括：使硅光伏电池的含硅层纹理化，和将包括钙钛矿层的钙钛矿光伏电池可操作地结合到硅光伏电池，从而形成串联光伏器件并使硅光伏电池的含硅层的纹理化的表面平坦化。的含硅层的纹理化的表面平坦化。的含硅层的纹理化的表面平坦化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钙钛矿/硅串联光伏器件
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求题为“钙钛矿/硅串联光伏器件(PEROVSKITE/SILICON TANDEM PHOTOVOLTAIC DEVICE)”且于2019年8月12日提交的美国专利申请No.62/885,687的优先权，将其全部通过引用引入本文中。
[0003]政府支持声明
[0004]本专利技术是以在能源部授予的DE
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EE0006709和DE
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EE0008749下的政府支持完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。


[0005]本专利技术涉及串联光伏器件，其包括钙钛矿太阳能电池和硅太阳能电池。特别地，本专利技术涉及串联光伏器件的架构(结构)和组成电池的表面拓扑结构。

技术介绍

[0006]在基于硅的“串联”光伏技术中，另外的材料的太阳能电池堆叠在硅的顶上以更有效地利用整个太阳光谱。将钙钛矿太阳能电池堆叠在硅电池的顶上形成这样的钙钛矿/硅串联光伏器件。钙钛矿/硅串联器件典型地通过在硅电池的顶上逐层地溶液加工钙钛矿太阳能电池来制造。由于溶液工艺无法在粗糙表面(例如，微米级纹理，如在常规的硅太阳能电池中)的顶上沉积连续层，钙钛矿/硅串联光伏器件中使用的硅底部电池通常具有平坦的前表面，如图1A中所示。至少部分地由硅电池的平坦的前表面导致的该架构的缺点包括高的表面反射率和不能将光散射到硅底部电池中，这两者都减少串联光伏器件可吸收的光的量，并因此限制光生电流和器件效率。除了器件性能上的缺点外，用该架构制造的串联结构对于制造具有显著的成本障碍，至少部分地由于硅电池的平坦的前表面，其典型地通过成本高昂的化学机械抛光工艺形成。在一些情况下，使用常规的金字塔(角锥体)纹理化的硅底部电池，如图1B中所示，且钙钛矿顶部电池共形地沉积(例如，通过蒸发工艺)为金字塔形纹理。该架构降低反射损失，但典型地需要真空工艺，这增加制造成本并限制钙钛矿/硅串联器件的生产量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的创新方面包括钙钛矿/硅串联光伏器件，其利用纹理化的(织构化的)硅底部电池和溶液加工的(溶液处理的solution
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processed)钙钛矿顶部电池。硅底部电池以金字塔纹理化的表面为特征，其具有小于2μm或小于1μm的特征尺寸。使用该金字塔特征尺寸，表面足够粗糙以散射光从而减少反射损失，但仍足够光滑以溶液加工钙钛矿电池。优点包括溶液可加工性、高生产量、钙钛矿带隙可调性和提高的效率。在不对传统的硅光伏器件的制造工艺进行重大改变的情况下，可实现至少25％的整体电池效率。
[0008]在第一总体方面，串联光伏器件包括具有硅层的硅光伏电池、具有钙钛矿层的钙钛矿光伏电池、以及在钙钛矿光伏电池的后侧和硅光伏电池的前(向阳)侧之间的中间层。
硅层的前侧具有纹理化的表面，其具有小于1μm或小于2μm的纹理化的表面中的结构的峰谷高度(峰到谷的高度)。纹理化的表面通过所述中间层或钙钛矿光伏电池的层来平坦化。
[0009]第一总体方面的实施可包括以下特征的一个或多个。
[0010]纹理化的表面可通过钙钛矿光伏电池中的钙钛矿层或中间层来平坦化。在一些情况下，中间层是重组层。
[0011]在一些情况下，纹理化的表面具有角形突起。角形突起可为金字塔形的、倒金字塔形的或其组合。在一些情况下，纹理化的表面具有凹形区域。
[0012]硅光伏电池典型地是底部电池，并且钙钛矿光伏电池典型地是顶部电池。硅光伏电池可为硅异质结电池(例如，钝化发射极后(背面)接触电池、隧道氧化物钝化接触电池、铝背表面场电池、或其组合)。硅光伏电池、钙钛矿光伏电池或两者可包括电子接触堆栈(堆叠体，stack)、空穴接触堆栈或两者。
[0013]串联光伏器件可进一步包括光散射层。
[0014]在第二总体方面，形成串联光伏器件包括：对硅光伏电池的含硅层进行纹理化以产生具有在纹理化的表面中的结构的纹理化的表面，所述结构具有小于1μm或小于2μm的峰谷高度，且将包括钙钛矿层的钙钛矿光伏电池可操作地(可运行地)连接(耦合)到硅光伏电池，从而形成串联光伏器件并且将硅光伏电池的含硅层的纹理化的表面平坦化。
[0015]第二总体方面的实施可包括以下特征的一个或多个。
[0016]对含硅层进行纹理化可包括湿法化学蚀刻、等离子干法蚀刻或纳米压印光刻。湿法化学蚀刻的实例包括碱(碱性)化学蚀刻或酸(酸性)化学蚀刻。
[0017]钙钛矿光伏电池通过中间层(例如，重组层)可操作地(可运行地)连接(耦合)到硅光伏电池。
[0018]在一些情况下，将硅光伏电池的含硅层的纹理化的表面平坦化包括刮刀涂覆工艺。在一些情况下，将硅光伏电池的含硅层的纹理化的表面平坦化包括甚至中间层或在中间层上的钙钛矿层。
[0019]在第三总体方面，光伏模块包括第一盖件(覆盖物)、与第一盖相反的第二盖件、以及第一总体方面的串联光伏器件。串联光伏器件位于第一盖件和第二盖件之间。
[0020]第三总体方面的实施可包括以下特征的一个或多个。
[0021]在一些情况下，第一盖件、第二盖件或两者包括纹理化的玻璃。在一些情况下，光伏模块包括光散射层。
[0022]本公开内容的主题的一种或多种实施方式的细节在附图和说明书中阐述。所述主题的其他特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求中变得明晰。
附图说明
[0023]图1A描绘钙钛矿/硅串联器件，其具有在平坦的硅表面上的钙钛矿电池。图1B描绘钙钛矿/硅串联结构，其具有与纹理化的硅表面共形的钙钛矿电池。
[0024]图2A和2B分别描绘具有金字塔纹理化的硅底部电池和凸形纹理化的硅底部电池的钙钛矿/硅串联器件。
[0025]图3A和3B分别描绘具有通过钙钛矿层和通过重组层平坦化的金字塔形纹理化的硅底部电池的钙钛矿/硅串联器件。
[0026]图4描绘封装在模块中的串联器件。
[0027]图5A
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5D描绘不同的钙钛矿/硅串联器件。
[0028]图6A
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6D显示具有不同金字塔尺寸的硅表面纹理的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0029]图7A描绘如本文中所述制造的钙钛矿/硅串联器件。图7B是在添加PDMS光散射层之前的串联器件的横截面SEM图像。对于额外的细节，将Chen等，Joule 3,177
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190通过引用并入本文中。
具体实施方式
[0030]图1A描绘现有技术的串联器件100，包括钙钛矿顶部电池102和纹理化的硅底部电池104，分别描绘在上部和下部插图中。钙钛矿顶部电池102从其前(向阳)侧到后侧包括以下层：金属网格106、透明导电层108、电子接触堆栈110、钙钛矿吸收体112和空穴接触堆栈114。重组层116位于钙钛矿顶部电池102和硅底部电池104之间。钙钛矿顶部电池102的厚度典型地在约0.7μm至约3μm的范围内。钙钛矿吸收体112的厚度典本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.串联光伏器件，包括：包括硅层的硅光伏电池；包括钙钛矿层的钙钛矿光伏电池；以及在所述钙钛矿光伏电池的后侧和所述硅光伏电池的前侧之间的中间层，其中所述硅层的前侧具有纹理化的表面，其具有小于1μm或小于2μm的纹理化的表面中的结构的峰谷高度，并且所述纹理化的表面通过所述中间层或所述钙钛矿光伏电池的层平坦化。2.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述纹理化的表面通过所述钙钛矿光伏电池中的钙钛矿层平坦化。3.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述纹理化的表面通过所述中间层平坦化。4.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述中间层是重组层。5.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述纹理化的表面具有角形突起。6.权利要求5所述的串联光伏器件，其中所述角形突起为金字塔形、倒金字塔形或其组合。7.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述纹理化的表面具有凹形区域。8.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述硅光伏电池是底部电池，并且所述钙钛矿光伏电池是顶部电池。9.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述钙钛矿光伏电池进一步包括电子接触堆栈和空穴接触堆栈，并且所述硅光伏电池包括电子接触堆栈和空穴接触堆栈。10.权利要求1所述的串联光伏器件，其中所述硅光伏电池是硅异质结电池。11.权利要求10所述的串联光伏器件，其中所述硅电池是钝化发射极后接触电池、隧道氧化物钝化接触电池、铝背表面场电池或其组合。12.权利要求1所述的串联光伏器件，进一步包括光散射层。13.形成串联光伏...

【专利技术属性】
技术研发人员：于征汕，Z霍尔曼，陈波，黄劲松，
申请(专利权)人：北卡罗来纳大学教堂山分校，
类型：发明
国别省市：