[发明专利]一种硫化锑/硅叠层太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种叠层太阳能电池，具体设及一种硫化锑/硅叠层太阳电池及其制备方法，属于太阳电池材料与器件领域。

背景技术

太阳电池作为一种重要的光电能量转换器件，由于其安全无污染、维护简单、资源永不枯竭和使用寿命长等特点，近年来发展十分迅速。叠层太阳电池属于第三代太阳电池，它可以拓宽太阳电池的吸收光谱，最大限度的将光能转化为电能，提升太阳电池的理论光电转换效率，是太阳电池发展的重要方向。

由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。因此对于单结太阳能电池，即使是晶体材料制成的，其转换效率的理论极限一般也只有30％左右。

叠层太阳电池通过结合多种光伏材料，拓宽了太阳电池的吸收光谱，其结构中每一层电池都需要选择合适的禁带宽度、掺杂浓度、结深等，这样可以使入射光在子电池间有效的分配，并被充分吸收，一般用禁带宽度大的材料做成顶电池，吸收短波长的光能，并允许较低低能量的长波光子透过，用禁带宽度小的材料做成底电池，吸收长波长的光能。叠层太阳电池的设计难题在于，首先要寻找两种晶格匹配良好的半导体晶体，从而使能量转换效率提高；并且在理想的情况下，顶电池导带底部应该与底电池价带顶部能级尽可能接近，这可以使顶电池被太阳光激发的电子能够很容易的从顶电池的导带进入底电池的价带，电子在价带上又被不同波长的太阳光激发。这样一来，两部分的电池像两个串连的蓄电池一起工作，并且总功率与两个电池的功率总和相等。叠层电池的电流匹配可用泊松比或连续性方程设计，如果在接合处价带和导带没有被正确匹配，电子流过时就会因为产生的电阻造成功率损耗。有研究表明，可以通过制备高太阳能密度的叠层太阳能电池，并且不在连接处丢失电压，有希望将转化效率提升至45％以上。

硫化锑是一种很有潜力的太阳电池材料，禁带宽度约为1.6-1.8eV，成本低、无毒性、性能稳定；硅是目前发展最成熟的太阳电池材料，禁带宽度为1.1-1.4eV，两种材料的禁带宽度可以很好地互补，拓宽太阳电池的吸收光谱。然而，由于难以找到一种合适的电极材料，既能实现硫化锑薄膜太阳电池和晶硅太阳电池的串联，又能与两个子电池在界面、电学和光学上实现兼容，因此目前虽然有硅/硫化锑异质结单节电池的研究报道，但却没有硫化锑/硅叠层太阳电池的相关研究报道出现。

发明内容

针对现有的叠层太阳能电池存在的缺陷，本发明的一个目的是在于提供了一种理论光电转换效率高的硫化锑/硅叠层太阳电池，该叠成太阳能电池通过复合连接结构实现了硫化锑太阳电池和硅太阳电池两个子电池的完美串联。

本发明的另一个目的是在于提供一种材耗少、成本低的制备所述硫化锑/硅叠层太阳电池的方法，该方法可利用现有成熟工艺及设备进生产，有利于生产技术的推广应用。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种硫化锑/硅叠层太阳电池，该叠层电池包括晶硅底电池、硫化锑薄膜顶电池以及中间复合连接结构层；所述复合连接结构层由下至上包括二氧化硅钝化层和高功函数过渡金属氧化物层；所述二氧化硅钝化层中包含金属纳米颗粒阵列。

本发明的技术方案首次将硅晶太阳电池和硫化锑薄膜太阳电池首次成功串联，利用硫化锑顶电池在短波段的光吸收和硅底电池在长波段的光吸收，可以实现入射光能量的高效分配和利用，突破晶硅太阳电池效率的理论极限(30％)。本发明的技术方案关键在于采用了一种特别适合硅晶底电极和硫化锑薄膜顶电极之间进行连接的复合连接结构，该复合结构既能实现硅晶底电极和硫化锑薄膜顶电极之间的串联，又能够实现光子的高效透过及电子的高效传输，能获得高转换率的叠层太阳能电池。

优选的方案，晶硅底电池为以p型硅为基体、以n型硅为发射极的单晶硅或者多晶硅太阳电池，并且不需要制绒、钝化和金属化步骤，制备工艺简单化。

优选的方案，晶硅底电池背表面包括背电场和背电极。

优选的方案，金属纳米颗粒阵列由Ag、Au或Pd纳米颗粒构成。金属纳米颗粒阵列是与硅太阳电池的电学接触点，用于收集硅电池产生的电流。

优选的方案，复合电极材料连接层包括透明导电氧化物TCO层，所述透明导电氧化物TCO层设置在二氧化硅钝化层和高功函数过渡金属氧化物层之间。采用透明导电氧化物TCO层的有点在于既能与金属纳米颗粒阵列一起充当集流层，也可降低复合电极的电阻，促进电流传输。