[发明专利]一种掺杂金属氧化物复合层结构

说明书

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种原子层沉积(ALD)掺杂金属氧化物复合层结构。本发明给出一种基于ALD连续沉积的宽禁带掺杂金属氧化物隧穿结，该结构包括一层ALD沉积金属氧化物电子传输层(包括TiOsubgt;2/subgt;，ZnO或SnOsubgt;2/subgt;)和一层ALD沉积掺杂氧化镍空穴传输层。该复合层结构用于钙钛矿钙钛矿叠层太阳能电池，具有寄生吸收小、沉积损伤低、保型沉积、漏电流小的优点，既可以有效的降低寄生吸收损失和漏电流，还可以减小沉积损伤，进而提升晶硅/钙钛矿叠层电池的光电转化效率。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种掺杂金属氧化物复合层结构，用于钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池。

背景技术

太阳能光伏技术发展的主旋律是提高转换效率，降低制造成本，从而降低度电成本(LCOE)。目前，占市场95％份额的晶硅太阳能电池能量转换效率已经接近其理论极限29.4％。为提高光伏电池的市场竞争力，叠层电池通过拓宽光谱响应范围，可突破单结电池效率极限。理论研究表明，对于双结二端叠层太阳电池，材料带隙为1.65-1.75eV的顶电池与带隙为1.10-1.20eV的底电池组合，满足最佳的光谱匹配，能够最大限度地利用太阳光子的能量，理论转化效率高达44％。钙钛矿/晶硅叠层电池具有子电池能带匹配度高、工艺兼容性好、应用场景与当前主流晶硅电池相似的优点，是目前叠层器件研究的热点，其实验室转换效率已经从2015年的13.7％快速提高到2021年的29.8％，超过了单结晶硅电池的极限效率29.4％。

2015年，麻省理工学院Buonassisi和斯坦福大学的McGehee等合作，率先报道了13.7％的钙钛矿/晶硅二端叠层电池(MailoaJP，etal.Appl.Phys.Lett.2015，106，121105)，他们以单面抛光的HJT硅电池作为底电池，以N-I-P正常结构的钙钛矿为顶电池，采用掺杂薄膜硅作为中间复合层。因N-I-P结构的钙钛矿顶电池存在较严重的寄生吸收，这种叠层器件的效率普遍较低。为此，2017年McGehee团队设计了反式P-I-N结构、带隙为1.63eV的钙钛矿顶电池，以单面抛光的晶硅电池为底电池，采用透明导电薄膜ITO作何复合层，在1cm²的叠层器件上实现了23.6％的效率(M.D.McGehee，et al.Nat.Energy 2017，2，17009)，这是二端叠层电池器件结构的重要创新与器件效率的重要提升。黄劲松等很快通过钙钛矿材料的晶界钝化策略把基于单面抛光的钙钛矿/HJT叠层器件的效率提升到25.4％(J.S.Huang，etal.Joule 2019，3，177.)。2020年，徐集贤、McGehee等通过三元卤素的组分与能带调控，相应的宽带隙钙钛矿顶电池显示了非常优异的稳定性，进而与单面抛光的HJT耦合构筑的二端叠层器件，获得了27.1％的光电转换效率(McGehee，etal.Science2020，367，1097.)。但是，晶硅电池普遍具有绒面结构以增加光的吸收利用，因此，在绒面结构的晶硅电池上面直接耦合钙钛矿顶电池，在二端叠层器件领域具有更大的发展空间。2018年，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Ballif组利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)掺杂微晶硅隧穿结，采用物理沉积与溶液旋涂相结合的方法制备保形钙钛矿顶电池，实现了双绒面叠层电池的制备，器件转换效率达到了25.2％(C.Ballif，etal.Nat.Mater.2018，17，820.)。绒面结构虽有利于提高叠层电池的短路电流，但是对钙钛矿顶电池的保形制备提出了挑战。为克服这一难题，2020年多伦多大学Sargent团队创新性地采用溶液旋涂法将微米厚的钙钛矿膜层覆盖在金字塔尺寸较小的绒面结构上，结合氧化铟复合层，获得了认证转换效率25.7％的二端叠层电池(E.H.Sargent，et al.Science2020，367，1135.)。类似地，北卡罗纳大学的黄劲松团队也报道了使用刮涂法以钙钛矿材料填平绒面金字塔结构HJT底电池的全新叠层电池制备技术，获得了26.2％的转换效率(J.S.Huang，et al.Joule 2020，4，850.)。同年，韩国科学技术研究院(KAIST)和可再生能源国家实验室(NREL)合作，利用二维化与阴离子工程的协同作用，调控钙钛矿的缺陷和光电性能，提高了钙钛矿电池的稳定性，与HJT叠层后获得了26.7％的光电转换效率(B.Shin，et al.Science 2020，368，6487.)；2020年底，亥姆霍兹中心(HZB)Albrecht等人报道了一种有机空穴材料选择性接触策略，利用ITO复合层实现了效率稳定高达29.15％的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池(S.Albrecht，et al.Science 2020，370，1300.)，他们在2021年进一步将叠层器件转换效率提升到29.8％的水平，这是目前的世界纪录。最近，沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的De Wolf团队，利用多功能分子钝化宽带隙钙钛矿的缺陷，大大提升了稳定性，分别获得了27.4％(Isikgor，et al.Joule.2021.05.013)％和28.2％(J.Liu,etal.Joule.2021.11.003)的叠层电池效率。此外，叠层初创企业牛津光伏公司在2018年到2020年相继报道了28％和29.5％的钙钛矿/晶硅叠层电池认证效率，但是他们并没有披露任何技术细节。