一种硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池制造技术

本发明专利技术公开了一种硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，所述双异质结太阳电池的主体是由宽带隙的硫属化合物薄膜作为吸收层的顶电池和由窄带隙的钙钛矿薄膜作为吸收层的底电池构成。顶电池的基本结构为透明导电氧化物薄膜/窗口层/硫属化合物/电子反射层，底电池的基本结构为电子传输层/钙钛矿薄膜/空穴传输层。以这种结构为基础，可以构成两端双结串联结构和四端双结串联结构，还可以构成三端并联结构，而三端并联结构还可以制备成单面太阳电池和双面太阳电池。这一系列太阳电池的主要特点是能提高含有机钙钛矿薄膜的太阳电池的稳定性，使该结构获得的高转换效率得以长期保持。保持。保持。

【技术实现步骤摘要】
一种硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池


[0001]本专利技术属于半导体光伏太阳电池技术。

技术介绍

[0002]高效率、长寿命、低成本一直是太阳电池技术发展的方向。最近二十年来，太阳电池的技术有了巨大的发展，其中有一些非常成功的例子值得我们关注和思考。例如，硅太阳电池的基本结构由原来的同质结改进成了异质结；例如，
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族太阳电池由较简单的异质结n
‑
CdS/p
‑
CdTe/P
‑
ZnTe插入了三元系的ZnMgO, CdTeSe；例如，研制出了
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物半导体和晶体硅结合的太阳电池；例如，研制出了效率超过26%的钙钛矿太阳电池；例如，研制出了钙钛矿/晶体硅异质结太阳电池；例如出现了宽带隙钙钛矿/窄带隙钙钛矿的异质结太阳电池；另外，还提出了宽带隙的
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族薄膜/晶体硅结合的两结太阳电池。
[0003]这些新型太阳电池具有如下特点：研制和应用了新的材料，采用了异质结的结构，而新的异质结太阳电池打破了元素半导体和化合物半导体的界限，打破了有机半导体和无机半导体的界限，也打破了体电池和薄膜电池的界限。我们还注意到，南开大学等单位的模拟计算表明，1.7 eV的钙钛矿/1.1 eV晶体硅是最佳搭配的多结太阳电池，我们计算了1.6～1.8 eV的
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族薄膜/1.1 eV晶体硅的异质结太阳电池的最高理论效率高于34%，美国First Solar公司的研究中心对宽带隙/窄带隙异质结太阳电池的理论最高效率进行了大量的系统的计算，结果表明，1.6～1.95 eV的宽带隙材料/0.95～1.12 eV的窄带隙材料构成的双结太阳电池的理论最高效率高于44%。
[0004]显然，异质结太阳电池是未来的发展方向。然而，上述实验室研制状况仍然有不能令人满意地方。以最引人瞩目的钙钛矿太阳电池为例，尽管转换效率不断创造新纪录，但这些太阳电池的稳定性让人担忧。除了它们的某些基团的结构或组分会带来不稳定之外，一个根本的问题是，有机材料在紫外线的照射下的衰变。研究者们在提高有机钙钛矿材料抗紫外线辐射上进展甚微。我们由此认为，虽然钙钛矿/晶体硅异质结太阳电池、钙钛矿/钙钛矿两结太阳电池的转换效率超越了单结钙钛矿太阳电池，有望接近30%，但这类太阳电池的结构并不合理。不合理的关键点是，把抗紫外线辐射能力弱的有机材料放在太阳电池的最前面去接受紫外线的辐照。由此提出，稳定性更好的异质结太阳电池的结构是：宽带隙的抗紫外线辐射的无机半导体应该放在太阳电池的最前面，这一层半导体能够把紫外线和其他短波的光完全吸收了；在它的后面再安置带隙较窄的钙钛矿薄膜，即使后面的有机钙钛矿薄膜抗紫外线能力弱，因没有受到紫外和其他短波的辐射，工作寿命也会得到大大延长。
[0005]应该看到，研制这种异质结太阳电池的条件已经成熟。先，最近一些研究者已经研制出了能隙为1.2 eV，甚至更窄的钙钛矿薄膜。另外，硫属
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族半导体是很好的宽带隙材料，它们大都是直接带隙半导体，而且，带隙的宽度的分布从1.45 eV到2.7 eV；如果组成三元系化合物，其能隙可以调制到这个范围内的任何值。因此，我们认为宽带隙的
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族半导体/窄带隙的钙钛矿双异质结太阳电池能够具有高转换效率和高稳定性，是一种很有发展前景的太阳电池。

技术实现思路

[0006]在含钙钛矿材料的多结太阳电池中，存在的主要问题是有机材料作为顶电池在紫外线的照射下的衰降，而有机钙钛矿材料本身某些基团的结构或组分的不稳定也未根本解决。因此，本专利技术的目的是为了从器件设计层面改进含有机材料的多结太阳电池结构，提高电池的抗紫外辐照特性，从而获得较高的光电转化效率和稳定性。
[0007]为了实现本专利技术的目的，本专利技术的技术方案是采用硫属化合物作为吸收层的顶电池与钙钛矿作为吸收层的底电池构成双异质结太阳电池，其中硫属化合物为硫属元素与其他一种或多种元素形成的化合物，其能隙宽度为1.4~2.2 eV；钙钛矿薄膜为钙钛矿型的有机金属卤化物，其能隙宽度为0.9~1.2 eV。
[0008]在上述方案中，顶电池和底电池可以通过两端双结串联或四端双结串联输出电能，其中顶电池结构为：玻璃/透明导电氧化物薄膜/窗口层/硫属化合物/电子反射层，底电池结构为：电子传输层/钙钛矿薄膜/空穴传输层/金属电极。
[0009]对于两端双结串联结构，顶电池按照上述结构依次制作，顶电池制作完成后再沉积复合层如IZO/ITO，最后按照底电池的结构在复合层上直接制备底电池形成两端串联的一体化构型，其中复合层的作用为隧道结。
[0010]对于四端双结串联结构，顶电池背面具有透明背电极或金属栅线再涂覆绝缘透明胶层，随后制作底电池，制作完成后在电子传输层上沉积透明前电极或金属栅线，最后机械叠合底电池形成四端串联构型，值得注意的是：底电池的支撑基底不限于玻璃衬底，可以采用金属箔片，也可以采用有机衬底如聚酰亚胺等；透明前电极和透明背电极为导电氧化物薄膜或透明导电高分子薄膜，电阻率小于10
‑1欧姆/厘米，厚度为20~10000纳米；若顶电池和底电池都采用了金属栅线，为了有效减少栅线对太阳光的遮挡，需要对齐顶电池和底电池栅线图案。
[0011]上述方案中还可以进一步发展为顶电池和底电池通过三端双结并联输出电能，其中顶电池结构为：玻璃/透明导电氧化物薄膜/窗口层/硫属化合物/电子反射层，底电池与两端串联和四端串联不同，其结构为：空穴传输层/钙钛矿薄膜/电子传输层/背电极。
[0012]上述太阳电池还可再加以发展，根据底电池的背电极是否透明，这种双异质结太阳电池可以设计为单面电池，也可以设计为双面电池，如果底电池背电极为金属材料，则为单面太阳电池；如果底电池背电极采用n型透明导电氧化物薄膜，则电池变为双面太阳电池。
[0013]上述太阳电池，顶电池的电子反射层为p型材料，底电池的空穴传输层也为p型，顶电池和底电池的连接最好采用金属栅线作为公共电极引出，从而构成三端双结并联结构。具体而言，先按照顶电池结构制作好以后，在顶电池背面制作金属栅线再直接按照底电池的结构顺序制备底电池，且底电池的背电极可以为金属电极构成单面电池，也可以为n型透明导电氧化物薄膜构成双面电池；或机械叠合相同图案金属栅线为前电极的底电池构成单面电池，因顶电池和底电池都有金属栅线，需要对齐顶电池和底电池栅线图案，并且底电池的支撑基底不限于玻璃衬底，可以采用金属箔片，也可以采用有机衬底如聚酰亚胺等。
[0014]在上述方案中，顶电池的透明导电氧化物薄膜为n型的FTO或ZTO或ZnO基化合物，窗口层为CdS、ZnS、CdSe的一种或它们形成的三元合金或多元合金或ZnO基化合物，并且窗口层的能隙大于1.6 eV，厚度为20~200纳米。其中，ZnO基化合物可以是Zn1‑
x
Mg
x
O，Mg的含量
0.1≤x≤0.33；也可以是Zn1‑
x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于所述双异质结太阳电池由硫属化合物作为吸收层的顶电池与钙钛矿作为吸收层的底电池构成，其中硫属化合物为硫属元素与其他一种或多种元素形成的化合物，其能隙宽度为1.4~2.2 eV；钙钛矿薄膜为钙钛矿型的有机金属卤化物，其能隙宽度为0.9~1.2 eV。2.如权利要求1所述的硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于顶电池和底电池通过两端双结串联或四端双结串联输出电能，其中顶电池结构为：玻璃/透明导电氧化物薄膜/窗口层/硫属化合物/电子反射层，底电池结构为：电子传输层/钙钛矿薄膜/空穴传输层/金属电极。3.如权利要求2所述的硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于在顶电池和底电池通过复合层连接在一起形成两端串联的一体化构型，其中复合层为IZO/ITO，作为隧道结使用。4.如权利要求2所述的硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于顶电池背面具有透明背电极或金属栅线，底电池的电子传输层上具有透明前电极或金属栅线，顶电池和底电池通过绝缘透明胶层机械叠合形成四端串联构型，其中透明前电极和背电极为透明导电氧化物薄膜或透明导电高分子薄膜，其电阻率小于10
‑1欧姆/厘米，厚度为20~10000纳米。5.如权利要求1所述的硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于顶电池和底电池通过三端双结并联输出电能，其中顶电池结构为：玻璃/透明导电氧化物薄膜/窗口层/硫属化合物/电子反射层，底电池结构为：空穴传输层/钙钛矿薄膜/电子传输层/背电极。6.如权利要求5所述的硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于顶电池背面制作金属栅线再直接制备底电池或机械叠合相同金属栅线图案为前电极的底电池，并且采用透明导电氧化物薄膜作为底电池的背电极构成三端双结并联结构的双面电池，也可以采用金属作为底电池背电极构成三端双结并联的单面电池。7.如权利要求2和权利要求5所述的硫属化合物/钙钛矿薄膜双异质结太阳电池，其特征在于顶电池的透明导电氧化物薄膜为n型的FTO或ZTO或ZnO基化合物，窗口层为CdS、ZnS、CdSe...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫，冯良桓，武莉莉，曾广根，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：