[发明专利]一种钙钛矿‑硅整体级联叠层太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池材料与器件领域，具体涉及一种钙钛矿-硅整体级联叠层太阳电池及其制备方法。

背景技术

在能源问题日益突出的今天，光伏发电技术备受关注。特别是晶硅太阳电池，目前占据了光伏市场86％的份额。与其他种类电池相比较，晶硅太阳电池具有成本低、制备工艺简单、适合大面积生产等优点，但由于其效率已经逼近理论极限，很难实现大的突破。目前晶硅太阳电池实验室最高效率为24.7％，商用n-PERT型晶硅电池组件最高效率为22.02％。

钙钛矿太阳电池是以具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物(简称：钙钛矿)等作为核心光吸收、光电转换、光生载流子输运材料的太阳电池，具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过1000nm。采用这种新型光电转换材料的钙钛矿太阳电池具有优异的光电转换特性，目前实验室器件样品光电转换效率已高达18.3％。Catchpole等人(Thomas P.White,Niraj N.Lal,and Kylie R.Catchpole,Tandem Solar Cells Based on High-Efficiency c-Si Bottom Cells:Top Cell Requirements for>30％Efficiency.IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS,2014(4):208-214)的理论研究发现，将钙钛矿和晶硅太阳电池制作成叠层太阳电池，通过优化顶电池带隙，可以实现35％以上的光电转换效率。Thomas理论研究发现，通过光学管理可以使得钙钛矿-硅叠层太阳电池效率突破35％，其理论措施为：(1)在具有绒面结构的晶体硅太阳电池上通过共形沉积钙钛矿顶电池；(2)在钙钛矿顶电池和晶硅底电池间加入布拉格反射层，可以使厚度为200nm的顶电池短路电流提高20％，可以使厚度为500nm的顶电池短路电流提高100％。通过上述两方面措施可以使该类电池效率比钙钛矿-硅平面叠层太阳电池效率高2～4％。Philippe等人理论研究发现，通过引入朗伯陷光结构可以将钙钛矿-硅整体级联叠层太阳电池效率提高至35.67％。综上，理论研究充分表明，高效、低成本的钙钛矿-硅叠层太阳电池必将引发光伏领域又一次技术革新。

然而，上述仅为理论研究成果，实践研究成果报道极少。目前，仅Michael等人采用四端法制备了钙钛矿-硅和钙钛矿-CIGS机械叠层太阳电池，前者实验室效率为17.0％，后者效率为18.6％。虽然该类叠层电池效率目前比较低，但其研究才刚刚起步，很多现存问题仍需进一步研究。

发明内容

本发明的目的是给出一种钙钛矿-硅整体级联叠层太阳电池及其制备方法，即用不同禁带宽度的材料做成太阳电池，按带隙大小的顺序自上而下叠合起来，选择性地吸收和转换太阳光谱的不同范围，突破理论极限，实现超过35％的转化效率。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种钙钛矿-硅整体级联叠层太阳电池，所述太阳电池由下至上依次为：背场电极1，晶硅底太阳电池2，隧道结3，富勒烯电子传输层4，钙钛矿顶太阳电池5，3-己基噻吩的聚合物空穴传输层6和顶电极7。

进一步地，所述背场电极1的材料为Au、Ag或AgAl合金，接触方式为全接触或局部接触；所述隧道结3的结构式为PEDOT:PSS-TIPD。

进一步地，所述晶硅底太阳电池2所用p型材料为硅，所述硅的电阻率为0.01-50Ω·cm，平整度<5μm，翘曲度<10μm，粗糙度<3nm，掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

进一步地，所述钙钛矿顶太阳电池5为钙钛矿膜层CH₃NH₃Pb(I_xBr_1-x)₃，其中0≤x≤1，钙钛矿膜层的厚度为100-800nm。

进一步地，所述顶电极(7)采用透明或半透明的ITO，Ag纳米线，Ag薄膜，Au薄膜，氧化锌掺杂铝透明导电膜或氧化锌掺杂硼透明导电膜中的任意一种，接触方式为全接触或部分接触。

一种如上所述钙钛矿-硅整体级联叠层太阳电池的制备方法，包括：

背场电极1采用丝网印刷、磁控溅射或热蒸发法制备；

晶硅底太阳电池2：采用传统晶硅太阳电池湿法刻蚀工艺制绒后，再采用液态源扩散法制得pn结；