[發明專利]一種硅基疊層太陽能電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202010092810.X
• 申請日: 2020-02-14
• 公開（公告）號: CN111261779A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 劉玉申;況亞偉;張樹德;魏青竹;倪志春;洪學鹍;錢洪強
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張俊范

本發明公開了一種硅基疊層太陽能電池，包括底電池結構和層疊于底電池結構之上的頂電池結構，底電池結構包括n型單晶硅襯底，n型單晶硅襯底上表面的四周設置SiO₂絕緣層，中間制備p型摻雜層，在p型摻雜層和n型單晶硅襯底的層疊區域刻蝕制備豎直方向的納米孔周期陣列結構，n型單晶硅襯底的納米孔內為空隙，n型單晶硅襯底的下表面設置金屬薄膜層；頂電池結構由下至上依次包括TiO₂薄膜層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層、透明導電薄膜層和金屬電極。本發明利用周期納米孔陣列優異的光吸收和電荷傳輸性能，提高了底電池長波光子的利用效率，在兼容硅基電池工藝的同時提高了疊層太陽能電池的光電轉換效率。

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池及其制備方法，尤其是涉及一種硅基疊層太陽能電池及其制備方法。

背景技術

太陽能是一種可再生的清潔能源，對于人類的可持續發展具有重要的意義。而太陽能電池直接將光能轉化為電能，光電轉換效率和制備成本是決定其工業化應用的關鍵因素。目前，硅基太陽能電池是太陽能電池的主流，占據了全球90％的光伏市場，硅基太陽能電池的效率已經達到25.6％，接近肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)極限效率(29.4％)，但制備成本居高不下。硅基太陽能電池的發展需要降低制備成本，同時提高電池的效率。

由于太陽光譜的能量分布較寬，對于任何一種半導體材料只能吸收能量值大于其禁帶寬度的光子。因此在硅基電池頂層疊加寬帶隙光吸收材料構成疊層電池，在兼顧硅電池成熟工藝的同時，可以提高電池效率[M.A.Green.Prog.Photovoltatics 2018,26,427]。目前已經報道的硅基疊層電池的理論極限效率可從29％提高到42.5％。

鈣鈦礦太陽能電池采用具有鈣鈦礦結構的CH₃NH₃PbX₃(X＝I,C,Br)作為光電轉換材料，短短幾年內其性能提升十分明顯，從2009年的光電轉換效率3.8％，發展至今效率可以高達22.1％。鈣鈦礦材料也被認為是最有潛力的下一代低成本太陽能電池光吸收材料。當鈣鈦礦的禁帶寬度為1.55ev時，它可以吸收波長小于800nm的光子，而帶隙為1.12ev的晶硅可以吸收太陽光譜中波長小于800nm的光子。當兩者自上而下構成疊層電池時，二者吸收光譜互補，大大提高了太陽光譜的利用率，同時也降低了制備成本。香港理工大學研發的鈣鈦礦晶硅疊層太陽能電池，不僅成本比硅基電池降低了30.6％，而且效率達到了25.5％。

公開號為CN109935690A的中國專利采用在低溫下制備了隧道結和鈣鈦礦吸收層。通過簡單的、低成本的溶液法制備的硅異質結/鈣鈦礦二電極的疊層太陽能電池效率最終能達到22.22％。公開號為CN209709024U的中國專利設計了一種雙面受光鈣鈦礦/p型晶體硅基底疊層太陽電池，使作為基底的晶硅太陽電池背面可以吸收額外的散射光，對疊層器件的整體性能有一定的提升。

雖然現有鈣鈦礦晶硅疊層電池的性能得到了顯著提高，但還不能滿足產業化的要求，因此非常有必要探索更優良的光吸收結構提高器件的光吸收，進而制備高性能的電池器件。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種硅基疊層太陽能電池，通過利用硅孔陣列優異的光捕獲能力，解決疊層電池中長波長光子吸收效率不高的問題，同時硅孔陣列可以在室溫下利用金屬輔助化學工藝制備，在提高光子吸收效率的同時不增加制備成本。本發明的另一個目的是提供這種硅基疊層太陽能電池的制備方法。