[發明專利]一種具有倒置結構的鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池

在審

• 申請號: 202210368908.2
• 申請日: 2022-04-08
• 公開（公告）號: CN114914365A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 譚海仁;王玉瑞
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 黃欣

本發明公開了一種具有倒置結構的鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池，屬于太陽能電池技術領域。所述疊層太陽電池從襯底到迎光面依次包括：從襯底到迎光面依次包括：襯底、非金屬導電層、第一傳輸層、窄帶隙鈣鈦礦層、第二傳輸層、隧穿復合結、第三傳輸層、寬帶隙鈣鈦礦層、第四傳輸層、緩沖層和透明導電層。本發明有效利用了疊層器件提升鈣鈦礦電池效率的優勢，同時改變了由鉛錫鈣鈦礦對氧敏感而帶來的穩定性問題，同時，先進的結構也減少了鈣鈦礦太陽電池對平整、透明、導電襯底的依賴。

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種具有倒置結構的鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池。

背景技術

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因具有低成本、易制備和帶隙可調節等優異的光電性能在國際上備受關注，并且發展迅速，電池的光電轉換效率已從2009年的3.8％提升到2020年的26.4％，鈣鈦礦材料也被認為是最具潛力的下一代低成本太陽能電池的光吸收材料。

當前，鈣鈦礦/鈣鈦礦兩端疊層太陽能電池是突破單結鈣鈦礦太陽能電池的Shockley-Queisser極限的有效途徑。鈣鈦礦具有通過改變其組分從而獲得不同禁帶寬度的鈣鈦礦材料的優勢，通常，在組分中摻入溴可以獲得較寬帶隙鈣鈦礦，摻入錫可以獲得較窄帶隙鈣鈦礦。在鈣鈦礦/鈣鈦礦兩端疊層太陽能電池中，通過使用寬帶隙的鈣鈦礦作為頂電池吸收短波長的太陽光，使用窄帶隙的鈣鈦礦作為底電池吸收長波長的太陽光，可提高太陽光譜的利用率，降低單結電池中載流子的熱弛豫損失，從而提高光電轉換效率。單片全鈣鈦礦串聯太陽能電池（TSCs）在器件性能方面取得了極其迅速的進展，在短短5年的研究后，其效率達到了26.4%的紀錄，超過了單結鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。

盡管在功率轉換效率（PCE）方面已經取得了顯著的進步，但是環境穩定性仍然是鈣鈦礦串聯太陽能電池商業化的一個關鍵挑戰。在影響太陽能電池穩定性的環境因素中，氧氣是最普遍的因素之一。全鈣鈦礦疊層中，相比于可以在空氣中穩定存放一段時間的鉛基寬帶隙鈣鈦礦，以鉛錫鈣鈦礦為主的窄帶隙材料中Sn²⁺對氧氣十分敏感，從而導致器件性能的明顯降解。雖然有效的封裝可以防止活性層或電極中的任何氧誘導降解，但在組裝過程和操作過程中存在氧氣泄漏造成的氧化風險。因此，全鈣鈦礦疊層太陽電池在剛性或柔性器件結構中表現出對氧穩定性是非常有必要的。然而，在目前已經公開的所有全鈣鈦礦疊層，都采用了“超襯底取向”的結構，即先在透明的襯底上沉積寬帶隙吸收層，再在沉積隧穿結后沉積窄帶隙吸收層，最后沉積金屬電極完成器件的制備，如圖1所示，太陽光由透明襯底入射后被兩層吸收材料吸收。但是這一結構存在多種缺陷：首先，這種結構天然的導致易于氧化的鉛錫基窄帶隙鈣鈦礦裸露在器件的外側，從而給器件的穩定性帶來嚴重的威脅；其次，“超襯底取向”的全鈣鈦礦疊層要求襯底同時具有透明性和導電性，限制了襯底的選擇，增加了器件加工的成本；第三，全鈣鈦礦疊層太陽電池在大面積制備時預先沉積在襯底上的透明電極引入了巨大串聯電阻，限制了性能的提升；第四，全鈣鈦礦疊層太陽電池的金屬背電極在大面積制備中容易出現金屬剝落的現象。

因此，設計一種具有耐氧氣穩定性的新型結構的全鈣鈦礦疊層結構，有利于實現更穩定的疊層器件，推進全鈣鈦礦疊層太陽電池的商業化。

發明內容

為了解決“超襯底取向”的全鈣鈦礦疊層易被氧氣破壞，使得器件的長期穩定性嚴重受限的技術問題，本發明提供了一種具有倒置結構的鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池，從襯底到迎光面依次包括：襯底、非金屬導電層、第一傳輸層、窄帶隙鈣鈦礦層、第二傳輸層、隧穿復合結、第三傳輸層、寬帶隙鈣鈦礦層、第四傳輸層、緩沖層和透明導電層。

所述襯底為非導電襯底或/和導電金屬薄膜，即非導電襯底或導電金屬薄膜，或者非導電襯底和導電金屬薄膜的組合。所述非導電襯底的材質為玻璃、聚萘二甲酸二醇酯、聚對苯二甲酸乙二酯或聚酰亞胺；所述導電金屬薄膜的材質為銅、鋁、鈦或金。