[发明专利]一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池的技术领域，特别涉及一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计。

背景技术

太阳能光伏发电由于具有安全可靠、受地域限制因素较少、可方便与建筑物相结合等优势而得到快速发展。为使其能够大规模应用，降低生产成本和提高太阳电池的光电转换效率是两大关键。太阳光光谱的能量分布很宽，而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，因此拓宽电池对太阳光的吸收范围，增强对太阳光的吸收利用率是提升太阳电池光电转换效率的有效途径。在众多光伏产品中，硅异质结太阳电池和钙钛矿太阳电池因其具有较高的光电转换效率(分别为26.6％和22.1％)，制备过程低耗能，生产成本较为廉价等优点受到广泛关注。

其中，硅异质结太阳电池具有较宽的吸收光谱，但是对高能量的光谱吸收较少，而且最为重要的是该电池的开路电压不高，最高也就0.75V左右。而钙钛矿太阳电池具有较窄的光谱响应范围，通过控制钙钛矿材料中卤族元素的比例，其光吸收范围可进一步向短波方向移动。由钙钛矿和硅异质结构建的叠层太阳电池可以在更好的实现对太阳光的充分利用基础上，明显提升器件的开路电压。叠层的目的是使叠层太阳电池能够获得更高的效率，但是我们知道叠层电池是由两个n-i-p单结串联而成，原则上叠层太阳电池的开路电压是两个子电池的开路电压之和，但是两个子电池之间是恰好存在一个反向的pn结，这个反向隧穿结会对叠层太阳电池的开路电压有一定的影响，因此如何设计合理的隧穿结结构，进而提升叠层太阳电池的开路电压是科研人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是解决反向隧穿结对叠层太阳电池开路电压产生的影响问题，提供一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计，该结构设计在太阳电池中引入了窄带隙、高掺杂浓度、高透过率材料作为钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的TRL(Tunnel Recombination Layer，隧穿复合层)。不同于传统钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池直接采用IZO作为隧穿结，具有高掺杂浓度、窄带隙的TRL的引入增加了隧穿结处的缺陷态密度，通过缺陷辅助隧穿效应，以及其导带与价带间较小的能级差值，电子空穴复合和隧穿几率提升，有助于叠层电池开路电压的提高。

本发明的技术方案：

本发明提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计，是在钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的顶、底电池反向p-n结处(隧穿结ITO的下面)增加一层窄带隙、高掺杂浓度的隧穿复合层TRL。

本发明提供的采用所述隧穿结的结构设计的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，由上至下依次包括正面金属栅线电极M1、透明导电薄膜T、钙钛矿顶电池空穴传输材料HTL、钙钛矿吸收层、顶电池电子传输材料ETL、隧穿结ITO和TRL、硅异质结底电池空穴选择层p、钝化层i、衬底S、钝化层i、电子选择层n和背电极M2。

钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的TRL制备所需的材料为p型或n型微晶硅、非晶硅、微晶硅氧材料，TRL层的厚度控制在5～20nm，光学带隙宽度为1.3～2eV，长波长透过率大于80％，电导率0.1-10S/cm。

其具体制备方法包括以下步骤：将N型硅片衬底S正反表面各沉积一层钝化层i，厚度为3～10nm。选定一面沉积电子选择层n，则另一面预备沉积空穴选择层p，沉积厚度为5～30nm。在沉积空穴选择层p表面依次沉积隧穿结TRL和ITO。

所述电池的衬底S形貌为双面抛光形貌或单面抛光形貌(沉积空穴选择层p的一面需为抛光形貌)，结晶情况为单晶或多晶。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过引入光学特性可控且易于制备的材料作为钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的TRL，利用其导带与价带间较小的能级差增强复合。同时隧穿复合层与底电池p层的梯度带阶促进底电池与隧穿结处的空穴抽取，避免了隧穿结界面间电荷的大量累积。此外，TRL的引入增加了缺陷态密度，通过缺陷辅助隧穿效应电子空穴复合和隧穿几率提升，隧穿结处压降损失减小。

本发明的机理分析：