CN120456726A - 一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构及其制备方法，属于光伏技术领域。本专利所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构以二氧化锡薄膜作为复合层，减少了电池制备的费用成本；本专利所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法中，复合层和电子传输层可采用相同制备方法，减少了制备过程的设备成本；以本发明提供的电池结构和制备方法获得的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池制备成本较低、光电转换效率较高。

Description

一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池 结构及其制备方法

技术领域

本发明属于光伏技术领域，特别涉及一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构及其制备方法。

背景技术

由于太阳光谱能量分布较宽，单结太阳能电池无法实现对太阳光的充分利用。构建叠层电池结构可以提高电池对太阳光的吸收范围，提高太阳光的利用率，是提高太阳电池的光电转换效率、突破单结太阳电池理论极限的有效途径。在常见的叠层电池结构中，钙钛矿/晶硅叠层电池由于具有较高的光电转换效率、较低的生产成本等优点在光伏器件领域备受关注。

钙钛矿/晶硅叠层太阳电池由钙钛矿顶电池和晶硅底电池组成，两个电池单元之间通过隧穿复合层串联。目前应用于钙钛矿/晶硅叠层太阳电池中的隧穿复合层主要为铟基透明导电氧化物，存在着制备成本较高的问题。

二氧化锡具有较高的功函数，成本较低，透过较好，具有作为钙钛矿/晶硅叠层太阳电池中复合层的潜力。同时，二氧化锡材料制备方法多样，磁控溅射法、溶液法、反应等离子体沉积法等技术均可获得均匀性较好、质量较高的二氧化锡薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构及其制备方法，即以二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构及其制备方法，解决了现有的钙钛矿晶硅叠层太阳电池存在制备成本较高的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构，包括晶硅底电池和钙钛矿顶电池，所述晶硅底电池和钙钛矿顶电池之间设有二氧化锡薄膜作为隧穿复合层。

所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池为正式叠层结构，其具体结构从上到下依次为：受光面电极银栅线，第一透明导电层，空穴传输层，钙钛矿吸光层，电子传输层，二氧化锡复合层，P型掺杂硅空穴传输层，第一本征非晶硅钝化层，N型单晶硅层，第二本征非晶硅钝化层，N型掺杂硅电子传输层，第二透明导电层和背光面银电极。结构示意图见附图1。

所述第一透明导电层、第二透明导电层为氧化铟基透明导电氧化物材料，采用氧化铟锡(ITO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟锌(IZO)或氧化铟铈(ICO)中的一种或几种材料制成。

所述空穴传输层为P型半导体材料，采用氧化钼、氧化镍、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9‘-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)中的一种或几种材料制成。

所述电子传输层为二氧化锡薄膜，通过控制生长过程制备参数，获得区别于隧穿复合层的性能。

所述第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层分别为受光面、背光面本征非晶硅钝化层。

本发明提供的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法包括以下步骤：

步骤1、选用N型<100>CZ硅片作为衬底，将硅片在氢氟酸中浸泡，以去除表面氧化层，获得电池结构中的N型单晶硅层。

步骤2、取步骤1中备好的硅片，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在该硅片的受光面和背光面分别制备本征非晶硅钝化层，分别为第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层。

步骤3、取步骤2中备好的硅片，在受光面的第一本征非晶硅钝化层上，同样采用PECVD技术，在其上制备P型掺杂硅空穴传输层。

步骤4、取步骤3备好的硅片，在背光面第二本征非晶硅钝化层上利用PECVD技术制备N型掺杂硅电子传输层。

步骤5、取步骤4备好的硅片，在P型掺杂硅空穴传输层上生长二氧化锡复合层、电子传输层。

步骤6、取步骤5制备好电子传输层的样品，在其上使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，经100-120 ℃退火后获得钙钛矿吸光层。

步骤7、取步骤6制备好钙钛矿吸光层的样品，在其上使用旋涂法制备空穴传输层。

步骤8、取步骤7制备好的样品，在其上使用反应等离子体沉积（RPD）技术生长第一透明导电层、第二透明导电层。

步骤9、取步骤8制备的样品，采用热蒸发技术制备受光面电极银栅线和背光面银电极。

所述步骤5中二氧化锡复合层、电子传输层的制备方法包括磁控溅射、旋涂法、原子层沉积、反应等离子体沉积等。

本发明提出的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构及其制备方法具有以下优点：

（1）本发明采用二氧化锡作为钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构的隧穿复合层，制备成本低，薄膜均匀性好，可见光透过率高，具有较多的复合中心；

（2）本发明钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构中，二氧化锡复合层和电子传输层可采用相同制备方式，节省了设备成本；

（3）本发明方法制备的以二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池，制备成本较低、光电转换效率较高。

附图说明

图1是以二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构示意图；

图1中，1是受光面电极银栅线，2是第一透明导电层，3是空穴传输层，4是钙钛矿吸光层，5是电子传输层，6是二氧化锡复合层，7是P型掺杂硅空穴传输层，8是第一本征非晶硅钝化层，9是N型单晶硅层，10是第二本征非晶硅钝化层，11是N型掺杂硅电子传输层，12是第二透明导电层，13是背光面银电极。

图2是实施例4中以二氧化锡薄膜作为复合层、以ICO作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的IV曲线。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

实施例一

本实施例提供的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、选用N型<100>CZ硅片作为衬底，将硅片在2%的氢氟酸中浸泡1min，以去除表面氧化层，获得电池结构中的N型单晶硅层。

步骤2、取步骤1中备好的硅片，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在该硅片的受光面和背光面分别制备7 nm和10 nm的本征非晶硅钝化层，分别为第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层。

步骤3、取步骤2中备好的硅片，在受光面的第一本征非晶硅钝化层上，同样采用PECVD技术，在其上制备12 nm的P型掺杂非晶硅空穴传输层。

步骤4、取步骤3备好的硅片，在背光面第二本征非晶硅钝化层上利用PECVD技术制备N型重掺杂非晶硅电子传输层。

步骤5、取步骤4备好的硅片，在P型掺杂非晶硅空穴传输层上采用旋涂法制备二氧化锡复合层、电子传输层，其中制备二氧化锡复合层采用5000 r/min的转速，制备电子传输层采用2000 r/min的转速。

步骤6、取步骤5制备好电子传输层的样品，在其上使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，经100 ℃退火后获得钙钛矿吸光层。

步骤7、取步骤6制备好钙钛矿吸光层的样品，在其上使用旋涂法制备空穴传输层。

步骤8、取步骤7制备好的样品，在其上使用反应等离子体沉积（RPD）技术生长第一透明导电层、第二透明导电层。

步骤9、取步骤8制备的样品，采用热蒸发技术制备受光面电极银栅线和背光面银电极。

实施例二

本实施例提供的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、选用N型<100>CZ硅片作为衬底，将硅片在2%的氢氟酸中浸泡2min，以去除表面氧化层，获得电池结构中的N型单晶硅层。

步骤2、取步骤1中备好的硅片，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在该硅片的受光面和背光面分别制备6 nm和8 nm的本征非晶硅钝化层，分别为第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层。

步骤3、取步骤2中备好的硅片，在受光面的第一本征非晶硅钝化层上，同样采用PECVD技术，在其上制备10 nm的P型掺杂微晶硅空穴传输层。

步骤4、取步骤3备好的硅片，在背光面第二本征非晶硅钝化层上利用PECVD技术制备N型掺杂微晶硅电子传输层。

步骤5、取步骤4备好的硅片，在P型掺杂微晶硅空穴传输层上采用磁控溅射法制备二氧化锡复合层、电子传输层，其中制备二氧化锡复合层采用1.2 sccm H₂掺杂，制备电子传输层采用40 sccm O₂掺杂。

步骤6、取步骤5制备好电子传输层的样品，在其上使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，经100 ℃退火后获得钙钛矿吸光层。

步骤7、取步骤6制备好钙钛矿吸光层的样品，在其上使用旋涂法制备空穴传输层。

步骤8、取步骤7制备好的样品，在其上使用反应等离子体沉积（RPD）技术生长第一透明导电层、第二透明导电层。

步骤9、取步骤8制备的样品，采用热蒸发技术制备受光面电极银栅线和背光面银电极。

实施例三

本实施例提供的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、选用N型<100>CZ硅片作为衬底，将硅片在2%的氢氟酸中浸泡1min，以去除表面氧化层，获得电池结构中的N型单晶硅层。

步骤2、取步骤1中备好的硅片，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在该硅片的受光面和背光面分别制备7 nm和10 nm的本征非晶硅钝化层，分别为第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层。

步骤3、取步骤2中备好的硅片，在受光面的第一本征非晶硅钝化层上，同样采用PECVD技术，在其上制备12 nm的P型重掺杂非晶硅空穴传输层。

步骤4、取步骤3备好的硅片，在背光面第二本征非晶硅钝化层上利用PECVD技术制备N型掺杂非晶硅电子传输层。

步骤5、取步骤4备好的硅片，一部分，在P型重掺杂非晶硅空穴传输层上采用反应等离子体沉积制备二氧化锡复合层、电子传输层，其中制备二氧化锡复合层采用1.2 sccmH₂掺杂，制备电子传输层采用40 sccm O₂掺杂；另一部分，在P型重掺杂非晶硅空穴传输层上采用反应等离子体沉积制备ICO复合层、二氧化锡电子传输层。

步骤6、取步骤5制备好电子传输层的两种样品，在其上使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，经100 ℃退火后获得钙钛矿吸光层。

步骤7、取步骤6制备好钙钛矿吸光层的两种样品，在其上使用旋涂法制备空穴传输层。

步骤8、取步骤7制备好的两种样品，在其上使用反应等离子体沉积（RPD）技术生长第一透明导电层、第二透明导电层。

步骤9、取步骤8制备的两种样品，采用热蒸发技术制备受光面电极银栅线和背光面银电极。

实施例四

本实施例提供的一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、选用N型<100>CZ硅片作为衬底，将硅片在2%的氢氟酸中浸泡1min，以去除表面氧化层，获得电池结构中的N型单晶硅层。

步骤2、取步骤1中备好的硅片，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在该硅片的受光面和背光面分别制备7 nm和10 nm的本征非晶硅钝化层，分别为第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层。

步骤3、取步骤2中备好的硅片，在受光面的第一本征非晶硅钝化层上，同样采用PECVD技术，在其上制备12 nm的P型重掺杂非晶硅空穴传输层。

步骤4、取步骤3备好的硅片，在背光面第二本征非晶硅钝化层上利用PECVD技术制备N型掺杂非晶硅电子传输层。

步骤5、取步骤4备好的硅片，一部分，在P型重掺杂非晶硅空穴传输层上采用反应等离子体沉积制备二氧化锡复合层；另一部分，采用旋涂法制备二氧化锡电子传输层。

步骤6、取步骤5制备好电子传输层的两种样品，在其上使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，经100 ℃退火后获得钙钛矿吸光层。

步骤7、取步骤6制备好钙钛矿吸光层的两种样品，在其上使用旋涂法制备空穴传输层。

步骤8、取步骤7制备好的两种样品，在其上使用反应等离子体沉积（RPD）技术生长第一透明导电层、第二透明导电层。

步骤9、取步骤8制备的两种样品，采用热蒸发技术制备受光面电极银栅线和背光面银电极，两种叠层太阳电池结构的IV曲线如图2所示。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.本发明提供一种二氧化锡薄膜作为复合层的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构。该电池结构为正式叠层结构，其具体结构从上到下依次为：受光面电极银栅线，第一透明导电层，空穴传输层，钙钛矿吸光层，电子传输层，二氧化锡复合层，P型掺杂硅空穴传输层，第一本征非晶硅钝化层，N型单晶硅层，第二本征非晶硅钝化层，N型掺杂硅电子传输层，第二透明导电层和背光面银电极；

所述第一透明导电层、第二透明导电层为氧化铟基透明导电氧化物材料，采用氧化铟锡(ITO)、氧化铟钨(IWO)、氧化铟锌(IZO)或氧化铟铈(ICO)中的一种或几种材料制成；

所述空穴传输层为P型半导体材料，采用氧化钼、氧化镍、2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9‘-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺](Poly-TPD)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)中的一种或几种材料制成；

所述电子传输层为二氧化锡薄膜，通过控制生长过程制备参数，获得区别于隧穿复合层的性能；

所述第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层分别为受光面、背光面本征非晶硅钝化层；

所述P型掺杂硅空穴传输层通过控制生长过程及工艺参数，可采用P型掺杂非晶硅、P型掺杂纳晶硅、P型掺杂微晶硅、P型掺杂多晶硅、P型掺杂非晶硅氧、P型掺杂纳晶硅氧、P型掺杂微晶硅氧中的一种或几种材料；

所述N型掺杂硅电子传输层通过控制生长过程及工艺参数，可采用N型掺杂非晶硅、N型掺杂纳晶硅、N型掺杂微晶硅、N型掺杂多晶硅、N型掺杂非晶硅氧、N型掺杂纳晶硅氧、N型掺杂微晶硅氧中的一种或几种材料。

2.本发明提供一种制备权利要求 1 所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构的制备方法包括如下步骤：

步骤1、选用N型<100>CZ硅片作为衬底，将硅片在2%的氢氟酸中浸泡1min，以去除表面氧化层，获得电池结构中的N型单晶硅层；

步骤2、取步骤1中备好的硅片，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在该硅片的受光面和背光面分别制备本征非晶硅钝化层，分别为第一本征非晶硅钝化层、第二本征非晶硅钝化层；

步骤3、取步骤2中备好的硅片，在受光面的第一本征非晶硅钝化层上，同样采用PECVD技术，在其上制备P型掺杂硅空穴传输层；

步骤4、取步骤3备好的硅片，在背光面第二本征非晶硅钝化层上利用PECVD技术制备N型掺杂硅电子传输层；

步骤5、取步骤4备好的硅片，在P型掺杂硅空穴传输层上生长二氧化锡复合层、电子传输层；

步骤6、取步骤5制备好电子传输层的样品，在其上使用旋涂法制备钙钛矿薄膜，经100-120 ℃退火后获得钙钛矿吸光层；

步骤7、取步骤6制备好钙钛矿吸光层的样品，在其上制备空穴传输层；

步骤8、取步骤7制备好的样品，在其上使用反应等离子体沉积（RPD）技术生长第一透明导电层、第二透明导电层；

步骤9、取步骤8制备的样品，采用热蒸发技术制备受光面电极银栅线和背光面银电极；

所述步骤5中二氧化锡复合层、电子传输层的制备方法包括磁控溅射、旋涂法、原子层沉积、反应等离子体沉积等。