[發明專利]一種高效穩定的鈣鈦礦/硅兩端疊層太陽電池

在審

• 申請號: 202010250940.1
• 申請日: 2020-04-01
• 公開（公告）號: CN111554764A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 張曉丹;陳兵兵;李興亮;李玉成;王鵬陽;黃茜;許盛之;侯國付;魏長春;陳新亮;任慧志;張德坤;丁毅;李躍龍;王廣才;李寶璋;趙穎
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/043
• 分類號: H01L31/043;H01L51/42
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

本發明開發了一種高效穩定的鈣鈦礦/硅兩端疊層太陽電池，該疊層電池以窄帶隙鈣鈦礦電池為頂電池，通過中間連接層與底部晶硅電池構成兩端的疊層結構電池，確保疊層電池獲得高開壓的前提下解決頂、底電池的電流匹配問題。即利用適當窄帶隙鈣鈦礦電池開壓損失小的特點，使頂部電池獲得更大的電流，同時通過適當增加底部晶硅電池的受光面積來補償底電池的電流損失，從而實現頂、底電池的電流匹配，在獲得高效疊層電池效率的同時保障電池的穩定性。

技術領域

本發明涉及太陽電池的技術領域，特別涉及一種高效穩定的鈣鈦礦/硅兩端疊層太陽電池的設計與制備。

背景技術

鈣鈦礦與晶硅疊層電池近年來由于其可獲得更高的轉換效率而引起眾多研究者的關注。鈣鈦礦與晶硅疊層電池主要以兩種方式結合，一種為鈣鈦礦與晶硅電池兩端串聯疊層模式，另一種為鈣鈦礦與晶硅電池各自獨立的四端疊層模式。其中兩端疊層結構中，源于其與目前光伏市場中大規模組件制備工藝更加兼容，成為目前鈣鈦礦與晶硅疊層電池研究的重點。自2015年，制備出第一塊鈣鈦礦/硅兩端疊層太陽電池至今，疊層電池的轉換效率已由13.7％提高至29.15％，遠超過單結晶硅的最高效率26.7％。目前已報道的效率超過25％的鈣鈦礦/硅兩端疊層太陽電池主要研究單位包括美國斯坦福大學McGehee組、瑞士洛桑聯邦理工學院Ballif組、美國北卡羅來納大學黃勁松組、德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究院(HZB)以及英國牛津光伏。值得指出的是在兩端疊層電池結構中，根據基爾霍夫定律，串聯的結構設計中電流受限于最小電流值，即頂、底電池電流相等時，電池獲得最大的電流輸出，實現最高的轉換效率。因此在兩端疊層設計中會涉及頂、底電池的電流匹配問題，所以對頂、底電池的吸收帶隙提出了更加嚴格的要求。據文獻報道，為了與晶硅底電池帶隙(1.1eV)實現更好的匹配，需要采用適當的寬帶隙鈣鈦礦電池達到電流匹配的同時獲得更高的開路電壓。然而，實際研究中發現相比于窄帶隙(1.55eV)的鈣鈦礦電池，寬帶隙(大于1.65eV)鈣鈦礦電池的開壓損失尤為嚴重。從目前已發表的結果上來看，美國斯坦福大學McGehee組的鈣鈦礦/晶硅的疊層電池實現了27.1％的較高轉換效率，其中開路電壓為1.886V，短路電流密度為19.12mA/cm²，填充因子為75.3％。該疊層電池，頂電池選擇的是1.67eV帶隙的鈣鈦礦電池，單結電池獲得了20.42％的轉換效率，開路電壓為1.217V，短路電流密度為20.18mA/cm²，填充因子為83.16％，是目前報道中pin型寬帶隙鈣鈦礦電池獲得最高電池效率。根據開路電壓損失公式Eg/q-Voc可知，其開路電壓損失為460mV。但是，在目前的窄帶隙電池中，黃勁松組報道帶隙為1.51eV的鈣鈦礦電池中同樣實現了1.2eV的開路電壓。且由于其帶隙更窄，獲得的短路電流也越大為23.5mA/cm²，最終獲得21.9％的轉換效率，它的開路電壓損失僅310mV，遠低于寬帶隙的開壓損失。此外，大量的研究還表明寬帶隙的鈣鈦礦電池更加不穩定。由于寬帶隙鈣鈦礦電池的實現大多通過采用添加更多的溴元素，但是溴元素的添加會使得電池在光照條件下更容易引起相分離，不利于電池效率的同時更不利于電池的穩定性。

綜上所述，可歸納出現有寬帶隙鈣鈦礦與晶硅電池疊層電池技術的不足：1)為實現電流匹配選擇寬帶隙的鈣鈦礦電池作為頂電池，但是目前的寬帶隙電池的開路損失更為嚴重，致使疊層電池開路電壓遠低于理想的開路電壓。2)寬帶隙鈣鈦礦電池在光照過程中更容易出現相分離現象，不僅不利于電池的效率，并且使得鈣鈦礦電池更加不穩定，不利于電池的實際應用。

發明內容

針對以上問題，本發明提出一種采用適當窄帶隙鈣鈦礦作為與晶硅電池構成兩端疊層結構的頂電池，從而獲得更加高效且穩定性更好的鈣鈦礦/晶硅疊層電池。實現了如下發明目的：1)解決了頂電池帶隙較窄而引起的電流不匹配的問題；2)窄帶隙更容易實現且具有較小的開路電壓損失，保障了疊層電池的高開壓優勢；3)相較于寬帶隙鈣鈦礦電池，窄帶隙電池光照時更加穩定，可提高疊層電池的穩定性。

本發明的技術方案：