一种高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池的制作方法

1.本技术涉及对红外辐射、光、较短波长的电磁辐射，或微粒辐射敏感的，并且专门适用于把这样的辐射能转换为电能的，或者专门适用于通过这样的辐射进行电能控制的半导体器件技术领域，具体涉及一种高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池。


背景技术：

2.从1958年中国研制出首块单晶硅电池开始，正式进入新能源太阳能电池领域，经过几个阶段的发展，目前中国成为生产太阳能电池最多的国家，装机量占比国际前列。
3.纵观行业发展与时代挑战，转化效率是太阳能领域最重要的光伏性能之一，因此提升效率是太阳能电池发展永恒的主题。碲化镉电池作为第二代太阳能化合物半导体太阳能技术，是规模量产化与商业化最成功的代表，目前实验室效率最高22.1％，量产组件效率达到近20％。
4.钙钛矿电池作为第三代新型电池之一，目前实验室单结钙钛矿电池的效率为26.1％。
5.这两种电池在各自的材料范围内表现较优转换效率，但是考虑到继续优化再创新高，因现有材料、工艺等多方面的制约，突破提高这两类电池的转换效率与填充因子是一大难题，因此，我们根据各自电池材料的光伏特性提出堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，采用的技术方案包括：
7.一种高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，包括由上至下依次设置的顶层钙钛矿光伏电池、堆叠层和底层碲化镉光伏电池；
8.所述顶层钙钛矿光伏电池选用带隙为1.55ev的单结钙钛矿薄膜电池；
9.所述底层碲化镉光伏电池选用带隙为1.39-1.40ev的碲化镉薄膜电池；
10.所述堆叠层用于粘接顶层钙钛矿光伏电池和底层碲化镉光伏电池，且顶层钙钛矿光伏电池的底层为第一透明基底层，所述底层碲化镉光伏电池的顶层为第二透明基底层，所述堆叠层的折射系数、第一透明基底层和第二透明基底层的折射率相匹配。
11.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述堆叠层的材质为环氧树脂、eva、poe、epe、ppo中的一种或多种。
12.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述顶层钙钛矿光伏电池为反式结构电池或正式结构电池。
13.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述第一透明基底层和第二透明基底层均为玻璃材质。
14.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述顶层钙钛矿光伏
电池包括由上至下依次设置的前电极层、第一传输层、顶层钝化层、顶层吸收层、第二传输层、后电极层和第一透明基底层。
15.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述底层碲化镉光伏电池包括由上至下依次设置的第二透明基底层、导电层、窗口层、底层吸收层、缓冲层、底层钝化层和背电极层。
16.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述顶层钙钛矿光伏电池上经第一刻缝刻划形成若干个顶层子电池，且所述第一刻缝分割所述前电极层、第一传输层、顶层钝化层、顶层吸收层、第二传输层和后电极层且填充有金属氧化材料或金属材料，所述前电极层上还贴敷有顶层电极并将若干个顶层子电池进行电连接；
17.所述底层碲化镉光伏电池上经第二刻缝刻划形成若干个底层子电池，所述第二刻缝分割所述导电层、窗口层、底层吸收层、背接触层缓冲层、底层钝化层和背电极层且填充有金属氧化材料或金属材料，所述背电极层上贴敷有底层电极并将若干个底层子电池进行电连接；
18.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述顶层电极和底层电极分别引出两个电极端子。
19.本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：顶层钙钛矿光伏电池和底层碲化镉光伏电池分别连接逆变器系统；
20.或顶层钙钛矿光伏电池和底层碲化镉光伏电池分别通过电极端子连接到同一个逆变器系统。
21.本发明的有益效果：
22.本技术采用堆叠层将顶层钙钛矿光伏电池和底层碲化镉光伏电池进行物理堆叠，利用顶层钙钛矿光伏电池吸收波长为380nm～780nm的可见光，其余光线穿过顶层钙钛矿光伏电池和堆叠层后照射在底层碲化镉光伏电池上，底层碲化镉光伏电池吸收从顶层钙钛矿光伏电池透过的波长为380～780nm光和780nm～1000nm光线，光谱响应和太阳光谱非常匹配，使不同带隙的光伏电池对不同波段的光充分吸收，将更多的光转化为电能，提高太阳能电池的效率，从而有利于提高电池的短路电流，降低了电池的光电损耗，更提高了填充因子；
23.采用独特的堆叠式工艺创新，选择接近玻璃的折射率材料与工艺匹配，更大程度减小了物理传输导致的光学损耗，提高光吸收；
24.进行子电池分割技术，在进行金属填充，采用独立设计贴敷引工艺引出电极，使得堆叠式钙钛矿电池与碲化镉电池形成一一对应关系，并各自独立引出正负极导电，形成四端出线方式，工艺简单可进行产业化发展，在有效提升转换效率同时降低改造成本。
附图说明
25.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1为本技术实施例所述叠层太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
27.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
28.在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
31.参照图1，提出本技术的实施例，本实施例所述高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，包括由上至下依次设置的：顶层钙钛矿光伏电池100、堆叠层300、底层碲化镉光伏电池200，
32.所述顶层钙钛矿光伏电池100选用带隙为1.55ev的单结钙钛矿薄膜电池；
33.所述底层碲化镉光伏电池200选用带隙为1.39-1.40ev的碲化镉薄膜电池；
34.所述堆叠层300与顶层钙钛矿光伏电池100和底层碲化镉光伏电池200粘接，所述堆叠层300的折射率、第一透明基底层107和第二透明基底层201的折射率相匹配，减少光学反射损失。
35.本技术采用堆叠层300将顶层钙钛矿光伏电池100和底层碲化镉光伏电池200进行物理堆叠，利用顶层钙钛矿光伏电池100吸收波长为380nm～780nm的可见光，其余光线穿过顶层钙钛矿光伏电池100和堆叠层300后照射在底层碲化镉光伏电池200上，底层碲化镉光伏电池200吸收从顶层钙钛矿光伏电池100透过的波长为380～780nm光和780nm～1000nm光线，使不同带隙的光伏电池对不同波段的光充分吸收，将更多的光转化为电能，提高太阳能电池的效率。
36.所述堆叠层300的折射率、第一透明基底层107和第二透明基底层201的折射率相匹配，以减少透过所述顶层钙钛矿光伏电池100的光的损耗，有利于将更多的光转化为电能，提高太阳能电池的效率。
37.堆叠层300的材料如环氧树脂或者eva或者poe或者epe或者ppo，厚度0.2-0.6mm。
38.所述顶层钙钛矿光伏电池100可以是正式结构电池，也可以是反式结构电池，具体地，本实施例中，
39.所述顶层钙钛矿光伏电池100包括由上至下依次设置的前电极层101、第一传输层102、顶层钝化层103、顶层吸收层104、第二传输层105、后电极层106和第一透明基底层107。
40.所述顶层钙钛矿光伏电池100的制备方法包括：
41.对第一透明基底层107进行清洗与紫外臭氧处理，所述第一透明基底层107的材质为玻璃，厚度为0.7-2.2mm；
42.在第一透明基底层107的其中一侧制备一层透明的后电极层106，后电极层106的材质为金属氧化物，包含in2o3、in2o3:sn、sno2:f、zno:al中的一种或多种，制备工艺为化学气相沉积或者磁控溅射方式；
43.再在后电极层106上制备一层第二传输层105，所述第二传输层105为空穴传输层或者电子传输层，空穴传输层为pedot:pss、p3ht、ptaa、pdi、cpb、spiro-ometad及改性材料、cuscn、cui、nio、cuo、nimglio中的一种或者多种，制备工艺为溶液旋涂法、刮涂法、浸涂法、磁控溅射法、真空物理蒸镀法等；电子传输层的材质为sno2、tio2/al2o3、c60、bcp、pc61bm一种或者多种，制备工艺为溶液旋涂法、刮涂法、浸涂法、磁控溅射法、真空物理蒸镀法等。
44.在第二传输层105上制备顶层吸收层104，顶层吸收层104的材质为cs0.05(fa0.98ma0.02)0.95pb(ixbr1-x)3，x匹配区间为0.85-0.98，光学带隙1.5-1.8ev，本实施例中，第二传输层105的光学带隙为1.55ev；
45.在顶层吸收层104上制备顶层钝化层103，钝化层103的材质为钝化层103为lif、mgf、babr、peai、2-cf2-peai、oai、3-apy中的一种或者多种，制备工艺方法为溶液旋涂法、刮涂法、真空物理蒸镀法等；
46.在钝化层103上制备第一传输层102，所述第一传输层102为空穴传输层或者电子传输层，电子传输层的材质为sno2、c60、bcp、tio2/al2o3、pc61bm一种或者多种；制备工艺方法为溶液旋涂法、刮涂法、丝印法、真空物理蒸镀法其中一种或多种；空穴传输层的材质为pedot:pss、p3ht、ptaa、pdi、cpb、spiro-ometad及其改性材料、cuscn、cui、nio、cuo、nimglio中的一种或者多种，制备工艺为溶液旋涂法、刮涂法、浸涂法、磁控溅射法、真空物理蒸镀法等。
47.在第一传输层102上制备透明的前电极层101，前电极层101的材质为in2o3、in2o3:sn、sno2:f、zno中的一种或多种，制备工艺为化学气相沉积或者磁控溅射方式，优选地厚度为300-500nm。
48.钙钛矿能调整带隙宽度，提高光谱吸收效果，本实施例中，顶层钙钛矿光伏电池的制备工艺包括：在0.7mm或者1.1mm浮法玻璃上沉积sno2，沉积厚度为300-500nm并形成前电极层116；
49.使用旋涂法/真空物理蒸镀法进行sno2分散液或者是c60、bcp或者是pc61bm、bcp形成空穴传输层，在500℃下持续退火60min，或使用蒸镀法/旋涂法/刮涂法沉积空穴传输层nio
x
或者ptaa或者p3ht或者vnpb或者2pacz或者叠加，沉积3-50nm形成电子传输层；
50.旋涂顶层吸收层，顶层吸收层的材质为cs
0.05
(fa
0.98
ma
0.02
)
51.0.95
pb(i
x
br
1-x
)3，旋涂以4000rpm/45s，滴加反溶剂氯苯溶液或者乙酸乙酯溶液200μl退火130℃、持续20min；吸收层的厚度300-1000nm；
52.使用peai溶液或者3-apy进行旋涂制备顶层钝化层，再者，以旋涂法制备spiro-ometa，以4000rpm/30s,氧化超过12h。
53.使用蒸镀法或者旋涂法或者刮涂法沉积空穴传输层nio
x
或者ptaa或者p3ht或者
vnpb或者2pacz或者叠加，沉积厚度3-50nm。或者使用旋涂法/真空物理蒸镀法进行sno2分散液或者是c60、bcp或者是pc61bm、bcp，退火500℃持续60min。
54.使用真空物理蒸镀或者磁控溅射法沉积金属氧化物形成前电极层，材料为ito或者izo，厚度80nm-200nm。
55.使用敷设方式进行堆叠层制备，材料如环氧树脂或者eva或者poe或者epe或者ppo，厚度0.2-0.6mm。
56.所述底层碲化镉光伏电池200的结构及其制备工艺包括：
57.所述底层碲化镉光伏电池200包括由上至下依次设置的第二透明基底层201、导电层202、窗口层203、底层吸收层204、缓冲层205、底层钝化层206和背电极层207；
58.在第二透明基底层201的其中一侧制备一层透明的导电层202，第二透明基底层201为玻璃基底，厚度2.2-3.2mm，透明导电层的材质为in2o3、in2o3:sn、sno2:f、zno、zno:al、tin中的一种或多种，优选的厚度300-500nm；制备工艺为常压化学气相沉积方式；
59.在所述导电层202上制备窗口层203，窗口层203的材质为cds、cdse；厚度在30-200nm的范围内，制备工艺为真空物理沉积方式；
60.在所述窗口层203上制备底层吸收层204，底层吸收层204的材质为cdte，厚度在于1μm-6μm，制备工艺为真空物理沉积；退火温度为500℃-300℃；
61.底层吸收层204制备后进行cdcl2氛围调控，调控方法为喷涂、滚涂、旋涂等；
62.再在所述底层吸收层204上制备一层缓冲层205，缓冲层205的材质为znte、cuo、cucl2一种或多种等；
63.在缓冲层205上制备底层钝化层206，底层钝化层206的材质为zn2sno4、sno2、znmgo2，厚度为50-100nm，制备工艺为常压化学气相沉积方式；
64.在底层钝化层206上制备背电极层207，背电极层207所述背电极层称为mo/al/cr电极、ag/nicr/al电极，厚度在于5～200nm，制备工艺为磁控溅射或者溶液浸泡法。
65.本实施例中，底层碲化镉光伏电池制备方法包括：在0.7mm或者1.1mm浮法玻璃上使用真空物理蒸镀或者磁控溅射法沉积金属氧化物，材料为ito或者izo，沉积厚度为300-500nm并形成导电层202；在导电层202上采用真空蒸镀蒸镀一层窗口层，材质为cdse、cds，厚度在30nm-200nm；在窗口层上沉积底层吸收层，材质为cdte，厚度在于1μm-6μm；退火温度为200℃-500℃；在底层吸收层沉积一层缓冲层znte、cuo，厚度在于5nm-100nm，退火温度为500℃-300℃；在缓冲层后沉积一层底层钝化层，厚度为30-80nm；在底层钝化层上沉积一层金属层形成背电极层，金属层包含氮化物、al、cu等。
66.叠层太阳能电池的工作原理为：
67.太阳光照射顶层钙钛矿光伏电池100，所述顶层吸收层114吸收太阳光，形成新的空穴电子对，第二传输层105抽取空穴，电子流向第一传输层102，由于透光的前电极层101和第一传输层102贴合，使得透光的前电极层101导出负电荷，第二传输层105与后电极层116贴合，后电极层116导出正电荷。由于第一刻缝400形成了若干个子电池，外部电路连接后电极层101和后电极层106形成完整电路产生电流。
68.透明基底107起到支撑作用，前电极层101和后电极层116起到透光与导电作用，第一传输层102和第二传输层105起到抽取空穴或者传输电子作用。吸收层104产生电子-空穴对，钝化层103修饰界面层。
69.光线透过顶层钙钛矿电池后照射到底层碲化镉光伏电池200上产生空穴电子对，空穴流向底层吸收层204，电子流向窗口层203，吸收层204与缓冲层205贴合，底层缓冲层205经钝化处理后与高导电背电极层207贴合，进而高导电背电极层207形成并导出正电荷，窗口层203与透明的导电层202贴合进而形成并导出负电荷，外部电路连接透明的导电层202和背电极层207形成完整回路产生电流。
70.透明基底201起到支撑作用，底层缓冲层205能有效收集载流子，钝化层206起到清除薄膜表面氧化物、污染物，提高表面平整，背电极层207降低载流子传输势垒，形成更好的欧姆接触，有效降低电池串联电阻。
71.进一步地，所述顶层钙钛矿光伏电池100上经第一刻缝400刻划形成若干个顶层子电池，且所述第一刻缝400分割所述前电极层101、第一传输层102、顶层钝化层103、顶层吸收层104、第二传输层105和后电极层106且填充有金属氧化材料或金属材料可以举例具体材质，所述前电极层101上还贴敷有顶层电极500并将若干个顶层子电池进行电连接；
72.所述底层碲化镉光伏电池200上经第二刻缝600刻划形成若干个底层子电池，所述第二刻缝600分割所述导电层202、窗口层203、底层吸收层204、背接触层缓冲层205、底层钝化层206和背电极层207且填充有金属氧化材料或金属材料，所述背电极层207上贴敷有底层电极并将若干个底层子电池进行电连接；
73.所述顶层电极500和底层电极分别引出电极端子并分别与不同的逆变器系统连接；
74.还可以使顶层钙钛矿光伏电池100和底层碲化镉光伏电池200的通过激光刻线、子电池尺寸、个数的设计形成上下的电压匹配，所述顶层钙钛矿光伏电池100和底层碲化镉光伏电池200分别通过电极端子连接到同一个逆变器系统；使得整个叠层太阳能电池可以输出统一的逆变器系统，节省电器成本。
75.当然，本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形和替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，包括由上至下依次设置的顶层钙钛矿光伏电池(100)、堆叠层(300)和底层碲化镉光伏电池(200)；所述顶层钙钛矿光伏电池(100)选用带隙为1.55ev的单结钙钛矿薄膜电池；所述底层碲化镉光伏电池(200)选用带隙为1.39-1.40ev的碲化镉薄膜电池；所述堆叠层(300)用于粘接顶层钙钛矿光伏电池(100)和底层碲化镉光伏电池(200)，且顶层钙钛矿光伏电池(100)的底层为第一透明基底层(107)，所述底层碲化镉光伏电池(200)的顶层为第二透明基底层(201)，所述堆叠层(300)的折射系数、第一透明基底层(107)和第二透明基底层(201)的折射率相匹配。2.根据权利要求1所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述堆叠层(300)的材质为环氧树脂、eva、poe、epe、ppo中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述顶层钙钛矿光伏电池(100)为反式结构电池或正式结构电池。4.根据权利要求1所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述第一透明基底层(107)和第二透明基底层(201)均为玻璃材质。5.根据权利要求1所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述顶层钙钛矿光伏电池(100)包括由上至下依次设置的前电极层(101)、第一传输层(102)、顶层钝化层(103)、顶层吸收层(104)、第二传输层(105)、后电极层(106)和第一透明基底层(107)。6.根据权利要求5所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述底层碲化镉光伏电池(200)包括由上至下依次设置的第二透明基底层(201)、导电层(202)、窗口层(203)、底层吸收层(204)、缓冲层(205)、底层钝化层(206)和背电极层(207)。7.根据权利要求6所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述顶层钙钛矿光伏电池(100)上经第一刻缝(400)刻划形成若干个顶层子电池，且所述第一刻缝(400)分割所述前电极层(101)、第一传输层(102)、顶层钝化层(103)、顶层吸收层(104)、第二传输层(105)和后电极层(106)且填充有金属氧化材料或金属材料，所述前电极层(101)上还贴敷有顶层电极(500)并将若干个顶层子电池进行电连接；所述底层碲化镉光伏电池(200)上经第二刻缝(600)刻划形成若干个底层子电池，所述第二刻缝(600)分割所述导电层(202)、窗口层(203)、底层吸收层(204)、背接触层缓冲层(205)、底层钝化层(206)和背电极层(207)且填充有金属氧化材料或金属材料，所述背电极层(207)上贴敷有底层电极并将若干个底层子电池进行电连接。8.根据权利要求7所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，所述顶层电极(500)和底层电极分别引出两个电极端子。9.根据权利要求8所述的高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，其特征在于，顶层钙钛矿光伏电池(100)和底层碲化镉光伏电池(200)分别连接逆变器系统；或所述顶层钙钛矿光伏电池(100)和底层碲化镉光伏电池(200)分别通过电极端子连接到同一个逆变器系统。

技术总结
本申请公开一种高效堆叠式钙钛矿与碲化镉叠层太阳能电池，包括由上至下依次设置的带隙为1.55eV顶层钙钛矿光伏电池、堆叠层和带隙为1.39-1.40eV底层碲化镉光伏电池；堆叠层用于粘接顶层钙钛矿光伏电池和底层碲化镉光伏电池，且顶层钙钛矿光伏电池的底层为第一透明基底层，底层碲化镉光伏电池的顶层为第二透明基底层，堆叠层的折射系数、第一透明基底层和第二透明基底层的折射率相匹配。利用顶层钙钛矿光伏电池吸收波长为380nm～780nm的可见光，底层碲化镉光伏电池吸收从顶层钙钛矿光伏电池透过的波长为380～780nm和780nm～1000nm光线，使不同带隙的光伏电池对不同波段的光充分吸收，将更多的光转化为电能，提高效率，有利于提高电池的短路电流，降低了电池的光电损耗，更提高了填充因子。更提高了填充因子。更提高了填充因子。


技术研发人员：王萍萍 周壮大 邓祥 李晓伟 王璐璐 赖新暖 赵志波
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/9