[發明專利]多結光伏裝置

有效

• 申請號: 201680042865.1
• 申請日: 2016-06-10
• 公開（公告）號: CN107924933B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: A·羅賓遜;C·凱斯;D·柯克;E·克羅斯蘭;J·瓦茨;N·博蒙特;P·巴特勒;S·胡珀
• 申請（專利權）人: 牛津光電有限公司
• 主分類號: H01L27/30
• 分類號: H01L27/30;H01L51/44;H01L51/46;C01G21/00
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

提供了一種多結光伏裝置(100)，其包括設置在第二子電池(120)上方的第一子電池(110)，所述第一子電池包括包含鈣鈦礦材料層的光敏區域，并且所述第二子電池包括硅異質結(SHJ)。

技術領域

本發明涉及一種單片集成的硅上鈣鈦礦多結光伏裝置，其產生超過單結布置中的底部硅子電池的效率的功率轉換效率的凈增益。

背景技術

在過去四十多年左右，已經越來越認識到需要用更安全的可持續能源來代替化石燃料。新能源供應也必須具有低環境影響，效率高并且易于使用且生產成本低。為此，太陽能被認為是最有前景的技術之一，然而，制造捕獲太陽能的裝置的高成本(包括高材料成本)歷來已阻礙了其廣泛使用。

每個固體都具有其自身特有的能帶結構，該能帶結構確定了大范圍的電氣特性。電子能夠從一個能帶躍遷到另一個能帶，但是每次躍遷需要特定的最小能量，并且所需能量的量對于不同的材料將是不同的。電子通過吸收聲子(熱)或光子(光)來獲取躍遷所需的能量。術語“帶隙”是指不可能存在電子態的固體中的能量差范圍，并且通常意味著價帶頂部與導帶底部之間的能量差(以電子伏為單位)。在正常日光條件下，在光伏裝置(諸如太陽能電池)中所使用的材料的效率是用于該材料的帶隙的函數。如果帶隙太高，則大多數日光光子不能被吸收；如果太低，則大多數光子的能量比激發電子穿過帶隙所需的能量要多得多，并且剩余部分將被浪費。肖克利-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)是指每入射光的光子可以提取的并且約為1.34eV的電能的理論上的最大量。最近在光伏裝置方面的大部分工作的重點是尋找具有盡可能接近該最大值的帶隙的材料。

已引起很大關注的一類光伏材料是鈣鈦礦。這種類型的材料形成ABX₃晶體結構，已發現該ABX₃晶體結構顯示出良好的帶隙、吸收系數高且擴散長度長，使得此類化合物在光伏裝置中作為吸收體是理想的。鈣鈦礦材料在光伏應用中的使用的早期示例由以下文獻報告：Kojima，A等人，2009,Organometal Halide Perovskites as Visible-LightSensitizers for Photovoltaic Cells，Journal of the American Chemical Society，131(17)，第6050-1頁，其中雜化有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦在基于液體電解質的光電化學電池中用作敏化劑。Kojima等人報告，盡管在這個系統中鈣鈦礦吸收體迅速衰減并且僅在10分鐘之后電池的性能下降，但是獲得的最高太陽能轉化效率(或電能轉化效率，PCE)為3.8％。

隨后，文獻：Lee，M.M.等人，2012,Efficient Hybrid Solar Cells Based onMeso-Superstructured Organometal Halide Perovskites，Science(New York,N.Y.)，338(6107)，第643-7頁報告了“中型-超結構太陽能電池”，其中液態電解質被固態空穴導體(或空穴傳輸材料，HTM)、螺-MeOTAD替代。Lee等人報告了所實現的轉化效率的顯著增加，同時由于避免使用液體溶劑，還顯著改進了電池的穩定性。在所描述的示例中，CH₃NH₃Pbl₃鈣鈦礦納米粒子在光伏電池內起到敏化劑的作用，從而將電子注入到介觀TiO₂支架中并將空穴注入到固態HTM中。TiO₂和HTM兩者都充當選擇性觸點，由鈣鈦礦納米粒子的光激發所產生的電荷載流子通過該選擇性觸點提取。

WO2013/171517中描述的進一步的工作公開了作為光伏裝置中的敏化劑/吸收體的混合陰離子鈣鈦礦(而不是單一陰離子鈣鈦礦)的使用如何導致更穩定且高效的光伏裝置。具體地，這篇文獻公開了裝置在裝置制造過程中表現出可忽略的顏色漂白，同時還表現出超過10％的完全太陽能轉化效率這一發現突顯了混合陰離子鈣鈦礦的優異穩定性。相比之下，等價的單一陰離子鈣鈦礦相對不穩定，其中在環境條件下在由單一鹵化物鈣鈦礦制備薄膜時漂白快速發生。