一種n?Si/CdSSe疊層太陽電池及其制備方法與流程
本發明涉及一種疊層太陽電池及其制備方法，具體涉及一種n-Si/CdSSe疊層太陽電池及其制備方法，屬于太陽電池材料與器件領域。
背景技術：
太陽電池是一種可以直接將太陽光轉化為電能的器件，具有安全、環保、發電形式簡單、維護方便等優點。目前，太陽電池領域占市場主導地位的是晶體硅太陽電池。這種太陽電池的優點在于原材料豐富，加工工藝成熟，電池光電轉換效率高的優點。晶體硅的禁帶寬度為1.12eV，可以吸收太陽光中能量大于其禁帶寬度的光子(波長涵蓋紫外至約1100nm范圍內的入射光)，而能量小于其禁帶寬度的光(波長超過1100nm)，將直接透過晶體硅材料而不被吸收。雖然晶體硅的吸收光譜范圍涵蓋了太陽光中輻射強度最大的部分(紫外-可見光-紅外)，但是對于能量遠高于其禁帶寬度的光子被晶體硅吸收后，多余的能量將傳遞給晶體硅晶格，增加晶體硅中硅原子的熱運動。這一方面造成了高能光子的能量不能被充分利用轉化為電能，另一方晶格熱振動也會對載流子的傳輸產生不利影響。為了解決這一問題，采用不同禁帶寬度的半導體采用相疊加的方法，使禁帶寬度較大的材料作為頂電池的吸收層吸收太陽光中能量較大的光子，然后再由晶體硅來吸收透過頂電池的太陽光譜中能量較小的光子。這樣既提高了太陽電池對入射光的利用率，又降低了高能光子多余能量的熱效應。以晶體硅作為底電池制備疊層太陽電池一般采用薄膜太陽電池作為頂電池，而目前p-n結結構的薄膜太陽電池吸收層大部分為p型導電類型，如CIGS、CZTS、CdTe等太陽電池，這些薄膜太陽電池均可以與p型硅太陽電池形成疊層太陽電池結構。
與p型硅相比，n型硅具有更好的電學性能及雜質容忍度，是晶體硅太陽電池行產業大力發展的一種新型太陽電池。而若要在n型晶體硅上形成疊層太陽電池以實現充分利用入射光的目的，則需要尋找一種吸收層具有n型導電特征，或采用類似于n-i-p結構的太陽電池作為頂電池，才能保證兩個子電池內建電場方向一致。如前所述，目前禁帶寬度適宜和晶體硅太陽電池結合構成疊層太陽電池的p-n結薄膜電池的吸收層大部分為p型導電，并不適合與n型晶體硅太陽電池構成疊層結構。因此，研究人員多采用類似n-i-p結構的薄膜太陽電池與n型晶體硅結合來制備疊層太陽電池。如中國專利CN104253173A，CN105655433A，CN105895712A中均采用非晶硅薄膜太陽電池與n型晶體硅太陽電池構成疊層結構。在這種結構中考慮到頂電池對入射光的遮擋作用需適當對其厚度減薄以保證晶體硅底電池的電流輸出，而非晶硅頂電池本身輸出電流較低，再對其進行減薄勢必會進一步降低整個疊層電池的輸出電流(疊層太陽電池整體的輸出電流受其輸出電流較低的子電池限制)，從而使得疊層電池的光電轉換效率不高。而中國專利CN104269451A公開了一種硅基鈣鈦礦疊層太陽電池，其中采用了有機/無機雜化鈣鈦礦太陽電池作為頂電池與n型晶體硅電池結合構成疊層太陽電池結構。這種結構同樣需要對頂電池減薄以保證n型晶體硅底電池的輸出，這樣也會使得整個疊層電池輸出電流較低。此外，上述非晶硅與鈣鈦礦頂電池本身制備工藝比較復雜，并且其光電轉換效率在使用過程中均會出現一定程度的衰減(非晶硅材料存在光致衰減效應，有機/無機雜化鈣鈦礦在使用環境下穩定性較差也會發生性能退化)。因此，需要尋找一種制備方法簡單，性能穩定的頂電池材料與n型晶體硅形成疊層太陽電池。同時，為減少兩電池界面處電流復合損失及保證頂電池在厚度比較薄的情況下的電流輸出，需要設計一種有效的隧穿結構。
開發一種在減薄頂電池吸收層厚度的前提下也不影響電池輸出電流的技術對于制備高性能n型晶體硅疊層太陽電池非常重要。
CdSSe薄膜材料是一種很有潛力的太陽電池材料，具有n型導電特征，其禁帶寬度在1.74～2.42eV范圍內可以通過控制S與Se元素的比例進行可控調節。由于其禁帶寬度較大，非常適宜與晶體硅太陽電池結合來制備疊層太陽電池，并且其性能穩定，不存在衰減的情況。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明的一個目的在于提供了一種n-Si/CdSSe疊層太陽電池，解決兩電池界面處電流復合損失問題、頂電池在厚度比較薄的情況下的電流輸出問題。本發明另一個目的在于提供了一種成本低、方法簡單的制備所述n-Si/CdSSe疊層太陽電池的方法。
本發明的技術方案是這樣的：一種n-Si/CdSSe疊層太陽電池，包括由上至下依次疊置的CdSSe薄膜頂電池、隧穿層和晶體硅底電池，所述隧穿層為單層或雙層氧化物結構，所述單層氧化物結構材質為SnO2或In2O3，所述雙層氧化物結構的上層材質為SnO2或In2O3，所述雙層氧化物的下層材質為Al2O3或SiO2。
優選的，所述隧穿層厚度10～50nm。
進一步的，所述CdSSe頂電池由下至上依次為CdSSe吸收層、窗口層和頂電極。
優選的，所述窗口層為p型半導體或石墨烯。
優選的，所述CdSSe吸收層厚度為200～400nm，所述p型半導體厚度為10～50nm。
優選的，所述頂電極由透明導電氧化物薄膜TCO與Al、Au、Ag、Cu、Ni中的一種或幾種構成。
進一步的，所述晶體硅底電池為以n型硅為基底，p型硅為發射極的單晶或多晶硅太陽電池。
進一步的，所述晶體硅底電池為擴散p-n結電池、PERC、PERT、PERL、SHJ太陽電池中的一種。
進一步的，所述晶體硅底電池背面包括背表面場和金屬背電極。
一種制備所述n-Si/CdSSe疊層太陽電池的方法，包括以下步驟：
1)在晶體硅太陽電池表面通過物理或化學法制備隧穿層；
2)在隧穿層表面采用物理或化學或二者結合方法沉積一層CdSSe薄膜；
3)在CdSSe薄膜表面通過物理或化學法沉積CdSSe薄膜太陽電池的窗口層；
4)在窗口層表面制備頂電極。
上述方案中，物理法包括蒸發、濺射、近空間升華等方法，化學法包括化學溶液法、化學氣相沉積、噴霧熱解、原子層沉積及電沉積等方法。隧穿層通過濺射或原子層沉積等方法制備。CdSSe薄膜太陽電池的p型半導體窗口層采用蒸發、濺射、近空間升華或化學溶液法制備，石墨烯窗口層采用旋涂、轉移等技術覆蓋在CdSSe吸收層表面。頂電極TCO采用濺射或化學氣相沉積方法制備，Al、Au、Ag、Cu、Ni等采用濺射、蒸發、絲網印刷等法制備。
本發明的疊層太陽電池充分利用CdSSe頂電池在短波段的光吸收和晶體硅在長波段的光吸收，可以實現對入射光的充分利用，提高n型硅太陽電池的光電轉換效率。同時，通過采用金屬氧化物隧穿層可以有效促進頂電池對短波長的進一步吸收從而提高其輸出電流，減少了兩電池界面處電流復合損失問題，使頂電池在厚度比較薄的情況下仍具有較高的電流輸出。本發明的疊層太陽電池的制備工藝可以充分利用現有的成熟工藝和設備，減少了產品的資金投入，有利于規模化生產。
附圖說明
圖1為隧穿層為單層氧化物的n-Si/CdSSe疊層太陽電池結構示意圖。
圖2為隧穿層為雙層氧化物的n-Si/CdSSe疊層太陽電池結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。
實施例1
n-Si/CdSSe疊層太陽電池結構如圖1所示，由上至下依次疊置的CdSSe薄膜頂電池101、隧穿層102和晶體硅底電池100，隧穿層102為單層氧化物結構，CdSSe薄膜頂電池101由下至上依次為CdSSe吸收層103、窗口層104和頂電極105，晶體硅底電池100由下至上依次為背表面場與背電極106、基體107和發射極108。
其制備方法是這樣的，對未經過正面鈍化的n型晶體硅太陽電池正面進行常規清洗，然后采用濺射工藝在晶體硅電池表面形成一層厚度為15nm的SnO2。
在上述SnO2表面采用化學浴法沉積一層CdS薄膜，CdS薄膜厚度為200nm，然后采用Se化工藝對CdS薄膜進行Se化制備CdSSe吸收層，Se化溫度為450℃，時間為30min。
在CdSSe吸收層表面采用熱蒸發工藝沉積一層厚度為30nm的ZnTe薄膜窗口層。
在ZnTe薄膜表面通過磁控濺射工藝濺射一層ITO透明電極，電極厚度為100nm。
最后在ITO表面通過絲網印刷工藝印刷Ag柵線電極。形成本發明所涉及的疊層太陽電池結構，開路電壓為906mV，短路電流密度為18mA·cm-2，填充因子為72％，光電轉換效率為11.7％。同樣制備條件下，與未加隧穿層的CdSSe薄膜頂電池和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了6mA·cm-2，與CdSSe薄膜頂電池、ZnO隧穿層和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了3mA·cm-2。
實施例2
n-Si/CdSSe疊層太陽電池結構如圖1所示，其具體制備方法是：在未經正表面鈍化的n型PERC電池表面通過蒸發法沉積一層厚度為10nm的In2O3。
在上述In2O3表面通過熱蒸發工藝采用蒸發法沉積一層In輕摻雜的CdSSe薄膜，CdSSe薄膜厚度為300nm。
在上述In輕摻雜CdSSe薄膜表面通過氣相輸運法沉積一層ZnTe薄膜窗口層，ZnTe薄膜厚度為20nm。
在ZnTe表面通過磁控濺射工藝沉積一層AZO透明導電電極，電極厚度為100nm。
最后，在AZO透明導電電極表面通過磁控濺射工藝濺射一層Ag柵線電極，形成本發明所涉及的疊層太陽電池結構，開路電壓為950mV,短路電流密度為17mA·cm-2，填充因子為70％，光電轉換效率為11.3％。同樣制備條件下，與未加隧穿層的CdSSe薄膜頂電池和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了5mA·cm-2，與CdSSe薄膜頂電池、ZnO隧穿層和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了2mA·cm-2。
實施例3
n-Si/CdSSe疊層太陽電池結構如圖2所示，由上至下依次疊置的CdSSe薄膜頂電池201、隧穿層和晶體硅底電池200，隧穿層為雙層氧化物結構，下層202a為Al2O3或SiO2，上層202b為In2O3或SnO2，CdSSe頂電池201由下至上依次為CdSSe吸收層203、窗口層204和頂電極205，晶體硅底電池200由下至上依次為背表面場與背電極206、基體207和發射極208。
其制備方法是這樣的，在未沉積前電極的n型晶硅SHJ太陽電池表面采用原子層沉積技術沉積一層膜厚為10nm的Al2O3膜，然后采用同樣技術在其上沉積一層膜厚為20nm的In2O3膜以形成雙層氧化物結構。
在In2O3膜表面通過共蒸發法沉積CdSSe薄膜，CdSSe薄膜厚度為250nm。
在CdSSe薄膜表面通過磁控濺射制備一層SiO2薄膜柵線，并在SiO2柵線表面通過磁控濺射濺射沉積一層Au形成前表面電極。SiO2與Au厚度分別為200nm和150nm。
最后，通過轉移工藝，在上述表面覆蓋一層石墨烯，形成本發明所涉及的疊層太陽電池結構，開路電壓為930mV，短路電流密度為15mA·cm-2，填充因子為67％，光電轉換效率為9.35％。同樣制備條件下，與未加隧穿層的CdSSe薄膜頂電池和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了7mA·cm-2，與CdSSe薄膜頂電池、ZnO隧穿層和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了3mA·cm-2。
實施例4
n-Si/CdSSe疊層太陽電池結構如圖2所示，其制備方法是這樣的，在未沉積前電極的n型晶硅PERT太陽電池表面采用PECVD技術沉積一層膜厚為20nm的SiO2膜，然后采用磁控濺射技術在其上沉積一層膜厚為30nm的SnO2膜以形成雙層氧化物結構。
在SnO2膜表面通過蒸發法沉積CdSSe薄膜，CdSSe薄膜厚度為400nm。
在CdSSe薄膜表面通過磁控濺射制備一層SiO2薄膜柵線，并在SiO2柵線表面通過磁控濺射濺射沉積一層Au形成前表面電極。SiO2與Au厚度分別為200nm和150nm。
最后，通過轉移工藝，在上述表面覆蓋一層石墨烯，形成本發明所涉及的疊層太陽電池結構，開路電壓為940mV，短路電流密度為16mA·cm-2，填充因子為70％，光電轉換效率為10.53％。同樣制備條件下，與未加隧穿層的CdSSe薄膜頂電池和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了6mA·cm-2，與CdSSe薄膜頂電池、ZnO隧穿層和晶體硅底電池構成的疊層電池相比，短路電流密度提高了2mA·cm-2。
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