[发明专利]一种硅基阵列叠层太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅基阵列叠层太阳能电池，包括底电池结构和层叠于底电池结构之上的顶电池结构，底电池结构包括n型单晶硅衬底，n型单晶硅衬底表面刻蚀制备竖直方向的纳米孔周期阵列结构四周设置SiO₂绝缘层，在n型单晶硅衬底中间及纳米孔内壁制备p型掺杂层，n型单晶硅衬底的下表面设置金属薄膜层；顶电池结构由下至上依次包括TiO₂薄膜层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、透明导电薄膜层和金属电极，TiO₂薄膜层层叠于SiO₂绝缘层和p型掺杂层之上并填充嵌入纳米孔内。本发明通过利用硅孔阵列优异的光捕获能力，同时利用TiO₂填充硅孔阵列提高载流子的收集效率，在提高光子吸收效率的同时提高光电流密度。

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，尤其是涉及一种硅基阵列叠层太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能是一种可再生的清洁能源，对于人类的可持续发展具有重要的意义。而太阳能电池直接将光能转化为电能，光电转换效率和制备成本是决定其工业化应用的关键因素。目前，硅基太阳能电池是太阳能电池的主流，占据了全球90％的光伏市场，硅基太阳能电池的效率已经达到25.6％，接近肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)极限效率(29.4％)，但制备成本居高不下。硅基太阳能电池的发展需要降低制备成本，同时提高电池的效率。

由于太阳光谱的能量分布较宽，对于任何一种半导体材料只能吸收能量值大于其禁带宽度的光子。因此在硅基电池顶层叠加宽带隙光吸收材料构成叠层电池，在兼顾硅电池成熟工艺的同时，可以提高电池效率[M.A.Green.Prog.Photovoltatics 2018,26,427]。目前已经报道的硅基叠层电池的理论极限效率可从29％提高到42.5％。

钙钛矿太阳能电池采用具有钙钛矿结构的CH₃NH₃PbX₃(X＝I,C,Br)作为光电转换材料，短短几年内其性能提升十分明显，从2009年的光电转换效率3.8％，发展至今效率可以高达22.1％。钙钛矿材料也被认为是最有潜力的下一代低成本太阳能电池光吸收材料。当钙钛矿的禁带宽度为1.55ev时，它可以吸收波长小于800nm的光子，而带隙为1.12ev的晶硅可以吸收太阳光谱中波长小于800nm的光子。当两者自上而下构成叠层电池时，二者吸收光谱互补，大大提高了太阳光谱的利用率，同时也降低了制备成本。香港理工大学研发的钙钛矿晶硅叠层太阳能电池，不仅成本比硅基电池降低了30.6％，而且效率达到了25.5％。

公开号为CN109935690A的中国专利采用在低温下制备了隧道结和钙钛矿吸收层。通过简单的、低成本的溶液法制备的硅异质结/钙钛矿二电极的叠层太阳能电池效率最终能达到22.22％。公开号为CN209709024U的中国专利设计了一种双面受光钙钛矿/p型晶体硅基底叠层太阳电池，使作为基底的晶硅太阳电池背面可以吸收额外的散射光，对叠层器件的整体性能有一定的提升。

虽然现有钙钛矿晶硅叠层电池的性能得到了显著提高，但还不能满足产业化的要求，因此非常有必要探索更优良的光吸收结构提高器件的光吸收，进而制备高性能的电池器件。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种硅基阵列叠层太阳能电池，通过利用硅孔阵列优异的光捕获能力，解决叠层电池中长波长光子吸收效率、载流子的收集效率不高的问题，在提高光子吸收效率的同时提高光电流密度。本发明的另一个目的是提供这种硅基阵列叠层太阳能电池的制备方法。