[發明專利]一種硅基鈣鈦礦異質結太陽電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201510283480.1
• 申請日: 2015-05-28
• 公開（公告）號: CN104993059B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 沈輝;吳偉梁;包杰;邱開富
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L51/46
• 分類號: H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 廣州知友專利商標代理有限公司44104
• 代理人: 李海波

技術領域

本發明屬于異質結太陽電池技術領域，具體涉及一種硅基鈣鈦礦異質結太陽電池及其制備方法。

背景技術

我國長期以煤炭為代表的化石能源為主，這不僅加劇化石能源的枯竭，而且其燃燒排放的廢氣和顆粒物給環境造成了嚴重的污染，對社會的可持續發展造成了極大的困擾。太陽能是潔凈、可再生能源，是傳統化石能源的最重要替代能源之一。近年來，全球大力研究發展利用太陽能發電的光伏技術，制備成本低廉、工藝簡單、高效的太陽電池成為各國科學工作者研究的焦點。

常規的晶體硅太陽電池在擴散和燒結過程需要高溫，擴散制結過程中溫度峰值為875℃，在燒結過程中將會再次遇到高溫過程。同時，晶體硅太陽電池通過熱擴散在襯底上形成n型或p型發射極，發射極屬于重摻雜層，會引起嚴重俄歇復合，使得電池開路電壓的極限值只有～750mV。而異質結太陽電池可以避免高溫擴散過程，在低溫下形成p-n結。異質結(heterojunction，HJ)的概念在1951年由Gubanov等人提出，是指將兩種不同的半導體材料組成的p-n結。目前硅基異質結太陽電池主要包括：a-Si:H/c-Si異質結太陽電池(Heterojunction with intrinsic Thinlayer,HIT)、a-C/Si異質結太陽電池、InP/Si異質結太陽電池、GaAs/Si異質結太陽電池、β-FeSi₂/Si異質結太陽電池等。以上硅基異質結太陽電池中最成功的是HIT太陽電池，于2014年取得了25.6％的效率。但是HIT太陽電池目前存在以下問題：一、設備昂貴，并且原材料屬于高危險性化學物品。二、為獲得低界面態的非晶硅/晶體硅界面，對工藝和設備要求比較高。三、非晶硅薄膜體內純在大量的缺陷，引起嚴重的復合。因此，尋找新的光學與電學性能優異的材料與硅形成上下雙吸收層的異質結太陽電池，對提高光譜吸收效率，進而提高太陽電池效率有重要意義。

2013年以來，鈣鈦礦太陽電池引起人們的廣泛關注，被science評為“2013年度國際十大科技進展之一”。2014年鈣鈦礦太陽電池的效率已經達到20.1％。CH₃NH₃PbX₃(X＝Br,I)是一類具有鈣鈦礦晶體結構類型的有機-無機雜合(organic–inorganic hybrid)半導體材料，具有較大的光吸收系數和電子-空穴擴散長度。其中CH₃NH₃PbI₃具有1.50～1.55eV的直接帶隙，能吸收波長小于800nm的光子，對應AM1.5G光譜中的可見光部分。CH₃NH₃PbI₃薄膜在可見光部分的吸收系數達到10⁴～10⁵cm^-1，與無機半導體材料GaAs、CdTe和CIGS相近。而且CH₃NH₃PbI₃薄膜具有成本低廉、載流子遷移率高、擴散長度大、晶體缺陷少等優點，是制備硅基異質結太陽電池的理想材料。

但目前并未有人進行將鈣鈦礦與硅基體相結合制成鈣鈦礦-硅異質結太陽電池方面的研究。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種硅基鈣鈦礦異質結太陽電池，該太陽電池能提高硅材料對可見光波段光子的吸收，實現鈣鈦礦薄膜吸收300～800nm的光，硅吸收800～1100nm的光，從而使制成的硅基鈣鈦礦異質結太陽電池具有寬光譜響應值，進而提高光譜吸收效率和提高太陽電池的光電轉換效率。

目前，常規的晶體硅太陽電池尚不能充分利用300～800nm波段范圍的可見光，本發明通過在硅基體上設置鈣鈦礦薄膜，可以充分吸收300～800nm波段范圍的可見光，讓太陽光分段吸收和利用。

本發明所要解決的第二個技術問題是提供上述硅基鈣鈦礦異質結太陽電池的制備方法，該制備方法原料安全，可直接應用現有設備，成本相對較低。

本發明的第一個技術問題是通過以下技術方案來實現的：一種硅基鈣鈦礦異質結太陽電池，該太陽電池的結構從上至下為：鋁電極、金導電膜、鈣鈦礦、氧化鋁、n型硅片和銀電極，其中鈣鈦礦為CH₃NH₃PbI₃。