1.一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计，其特征在于所述的隧穿结的结构设计是在叠层电池顶、底电池反向p-n结处添加一层窄带隙、高掺杂浓度的隧穿复合层TRL。

2.一种采用权利要求1所述隧穿结结构设计的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于该叠层太阳电池结构由上至下依次包括：正面金属栅线电极M1、透明导电薄膜T、钙钛矿顶电池空穴传输材料HTL、钙钛矿吸收层、顶电池电子传输材料ETL、隧穿结ITO和TRL、硅异质结底电池空穴选择层p、钝化层i、衬底S、钝化层i、电子选择层n和背电极M2。

3.根据权利要求2所述的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述的钝化层薄膜i为非晶硅或非晶硅氧合金或非晶硅氮合金或二氧化硅或三氧化二铝中的一种或多种组合。

4.根据权利要求2所述的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述的衬底S为单晶硅片或多晶硅片衬底。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述衬底的沉积钝化层i和电子选择层n或空穴选择层p的一面形貌为平面形貌或绒面形貌；所述衬底的沉积钝化层i和空穴选择层p或电子选择层n的一面形貌为平面形貌。

6.根据权利要求2或3或4所述的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述电子选择层n和空穴选择层p为非晶硅或纳米硅氧或微晶硅氧材料中的一种或多种组合。

7.根据权利要求2或3或4所述的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述隧穿复合层TRL为下列材料中的一种或者多种材料的混合材料：p型或n型微晶硅、非晶硅和微晶硅氧材料；TRL层的厚度控制在5～20nm，光学带隙宽度为1.3～2eV，长波长透过率大于80％，电导率0.1-10S/cm。

8.根据权利要求2或3或4所述的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述隧穿结TRL+ITO以及钙钛矿太阳电池中ETL、钙钛矿层、HTL层以及透明导电薄膜T和电极M1、M2的沉积均需在低温条件下进行。

9.根据权利要求2或3或4所述的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述隧穿结ITO和透明导电薄膜T的沉积功率密度小于0.6W/cm2且透明导电薄膜T沉积温度不可超过100℃。

10.根据权利要求2或3或4所述的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳电池中ETL和HTL为下列材料中的一种或者多种材料的混合材料：透过及导电性好的金属氧化物和有机物。

技术领域

[0001]本发明属于太阳电池的技术领域，特别涉及一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计。

背景技术

[0002]太阳能光伏发电由于具有安全可靠、受地域限制因素较少、可方便与建筑物相结合等优势而得到快速发展。为使其能够大规模应用，降低生产成本和提高太阳电池的光电转换效率是两大关键。太阳光光谱的能量分布很宽，而半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子，因此拓宽电池对太阳光的吸收范围，增强对太阳光的吸收利用率是提升太阳电池光电转换效率的有效途径。在众多光伏产品中，硅异质结太阳电池和钙钛矿太阳电池因其具有较高的光电转换效率(分别为26.6％和22.1％)，制备过程低耗能，生产成本较为廉价等优点受到广泛关注。

[0003]其中，硅异质结太阳电池具有较宽的吸收光谱，但是对高能量的光谱吸收较少，而且最为重要的是该电池的开路电压不高，最高也就0.75V左右。而钙钛矿太阳电池具有较窄的光谱响应范围，通过控制钙钛矿材料中卤族元素的比例，其光吸收范围可进一步向短波方向移动。由钙钛矿和硅异质结构建的叠层太阳电池可以在更好的实现对太阳光的充分利用基础上，明显提升器件的开路电压。叠层的目的是使叠层太阳电池能够获得更高的效率，但是我们知道叠层电池是由两个n-i-p单结串联而成，原则上叠层太阳电池的开路电压是两个子电池的开路电压之和，但是两个子电池之间是恰好存在一个反向的pn结，这个反向隧穿结会对叠层太阳电池的开路电压有一定的影响，因此如何设计合理的隧穿结结构，进而提升叠层太阳电池的开路电压是科研人员需要解决的问题。

发明内容

[0004]本发明的目的就是解决反向隧穿结对叠层太阳电池开路电压产生的影响问题，提供一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计，该结构设计在太阳电池中引入了窄带隙、高掺杂浓度、高透过率材料作为钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的TRL(TunnelRecombination Layer，隧穿复合层)。不同于传统钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池直接采用IZO作为隧穿结，具有高掺杂浓度、窄带隙的TRL的引入增加了隧穿结处的缺陷态密度，通过缺陷辅助隧穿效应，以及其导带与价带间较小的能级差值，电子空穴复合和隧穿几率提升，有助于叠层电池开路电压的提高。

[0005]本发明的技术方案：

[0006]本发明提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计，是在钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的顶、底电池反向p-n结处(隧穿结ITO的下面)增加一层窄带隙、高掺杂浓度的隧穿复合层TRL。

[0007]本发明提供的采用所述隧穿结的结构设计的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，由上至下依次包括正面金属栅线电极M1、透明导电薄膜T、钙钛矿顶电池空穴传输材料HTL、钙钛矿吸收层、顶电池电子传输材料ETL、隧穿结ITO和TRL、硅异质结底电池空穴选择层p、钝化层i、衬底S、钝化层i、电子选择层n和背电极M2。

[0008]钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的TRL制备所需的材料为p型或n型微晶硅、非晶硅、微晶硅氧材料，TRL层的厚度控制在5～20nm，光学带隙宽度为1.3～2eV，长波长透过率大于80％，电导率0.1-10S/cm。

[0009]其具体制备方法包括以下步骤：将N型硅片衬底S正反表面各沉积一层钝化层i，厚度为3～10nm。选定一面沉积电子选择层n，则另一面预备沉积空穴选择层p，沉积厚度为5～30nm。在沉积空穴选择层p表面依次沉积隧穿结TRL和ITO。

[0010]所述电池的衬底S形貌为双面抛光形貌或单面抛光形貌(沉积空穴选择层p的一面需为抛光形貌)，结晶情况为单晶或多晶。

[0011]本发明的优点和积极效果：

[0012]本发明通过引入光学特性可控且易于制备的材料作为钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的TRL，利用其导带与价带间较小的能级差增强复合。同时隧穿复合层与底电池p层的梯度带阶促进底电池与隧穿结处的空穴抽取，避免了隧穿结界面间电荷的大量累积。此外，TRL的引入增加了缺陷态密度，通过缺陷辅助隧穿效应电子空穴复合和隧穿几率提升，隧穿结处压降损失减小。

[0013]本发明的机理分析：

[0014]本发明所述一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计是在具有硅异质结底电池与钙钛矿顶电池之间插入一层具有窄带隙、高掺杂浓度的硅基材料，作为叠层电池的隧穿复合层。本发明将硅基材料应用到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的隧穿结中，其导带位置与钙钛矿顶电池电子传输层ETL导带位置匹配，便于电子由顶电池向隧穿结的传输；价带位置与硅异质结底电池间的梯度带阶促进了隧穿结界面处空穴抽取；隧穿结材料导带与价带间较小的能级差值(窄带隙材料)可以增强隧穿结内部电子空穴复合。此外，高掺杂的TRL增加了缺陷态密度，通过缺陷辅助隧穿效应电子空穴复合和隧穿几率提升，隧穿结处压降损失减小，开路电压提升。

附图说明

[0015]图1传统的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构示意图。

[0016]图2为本发明的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的结构示意图。

具体实施方式

[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明。其中，钙钛矿顶电池开路电压为1.13V，硅异质结底电池开路电压为0.65V。

[0018]实施例1：

[0019]本实施例是一种传统的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的结构，如图1所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、钙钛矿顶电池空穴传输材料HTL、钙钛矿吸收层、顶电池电子传输材料ETL、隧穿结ITO、硅异质结底电池空穴选择层p、钝化层i、衬底S、电子选择层n和金属背电极M2。

[0020]其中晶体硅层S为n型抛光单晶硅。

[0021]本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

[0022]1.将N型<100>晶向的抛光Cz硅片衬底放置于具有高真空度的PECVD系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i。

[0023]2.之后选定一面采用PECVD方式沉积电子选择层n-a-Si:H，另一面沉积空穴选择层p-a-Si:H。

[0024]3.在空穴选择层p-a-Si:H上面采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料。

[0025]4.ITO表面采用旋涂方法依次沉积SnO2、钙钛矿、Spiro-OMeTAD作为钙钛矿顶电池的ETL、吸收层和HTL层。

[0026]5.在空穴传输层HTL上面采用热蒸发的方式制备10nm厚的MoOX作为缓冲层，其上采用磁控溅射的方法制备100nm的ITO，作为透明电极T。

[0027]6.在电子选择层n上面制备金属电极M2，透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池。本实施例中分别采用热蒸发制备600nm的Al金属电极M2和100nm的Au金属电极M1。

[0028]在此传统的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的制备过程中，得到钙钛矿/硅异质结太阳电池的开压为1.63V。

[0029]实施例2：

[0030]本实施例是本发明提供的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的结构，如图2所示，从上至下依次包括：金属栅线电极M1、透明电极T、钙钛矿顶电池空穴传输材料HTL、钙钛矿吸收层、顶电池电子传输材料ETL、隧穿结ITO+TRL、硅异质结底电池空穴选择层p、钝化层i、衬底S、钝化层i、电子选择层n和金属背电极M2。

[0031]其中TRL为n-μc-Si:H，厚度为10nm，帯隙1.7eV，电导率2s/cm，长波长透过率81％。

[0032]晶体硅层S为n型抛光单晶硅。

[0033]本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

[0034]1.将N型<100>晶向的抛光Cz硅片衬底放置于具有高真空度的PECVD系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i。

[0035]2.之后选定一面采用PECVD方式沉积电子选择层n-a-Si:H，另一面沉积空穴选择层p-a-Si:H。

[0036]3.在空穴选择层p-a-Si:H上面采用PECVD方式沉积隧穿复合层n-μc Si:H，厚度为10nm。

[0037]4.在n-μc Si:H上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料。

[0038]5.ITO表面采用旋涂方法依次沉积SnO2、钙钛矿、Spiro-OMeTAD作为钙钛矿顶电池的ETL、吸收层和HTL层。

[0039]6.在空穴传输层HTL上面采用热蒸发的方式制备10nm厚的MoOX作为缓冲层，其上采用磁控溅射的方法制备100nm的ITO，作为透明电极T。

[0040]7.在电子选择层n上面制备金属电极M2，透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池。本实施例中分别采用热蒸发制备600nm的Al金属电极M2和100nm的Au金属电极M1。

[0041]该种n-μc Si:H应用到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的制备过程中，得到钙钛矿/硅异质结太阳电池的开压为1.69V。

[0042]实施例3：

[0043]本实施例是本发明提供的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的结构，如图2所示，具体结构同实施例2，此处略。

[0044]其中TRL为p-μc-Si:H/n-μc-Si:H，厚度分别为0.5nm和10nm。

[0045]晶体硅层S为n型抛光单晶硅。

[0046]本实施例的硅异质结太阳电池后续工艺和实施例2相同，此处略。

[0047]该种p/n-μc Si:H应用到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的制备过程中，得到钙钛矿/硅异质结太阳电池的开压为1.71V。

[0048]实施例4：

[0049]本实施例是本发明提供的一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的结构。如图2所示，具体结构同实施例2，此处略。

[0050]其中TRL为p-μc-Si:H/n-μc-Si:H，厚度分别为1nm和10nm。

[0051]晶体硅层S为n型抛光单晶硅。

[0052]本实施例的硅异质结太阳电池通过以下方法制备得到：

[0053]1.将N型<100>晶向的抛光Cz硅片衬底放置于具有高真空度的PECVD系统中，在硅片正反表面各沉积一层本征非晶硅钝化层i。

[0054]2.之后选定一面采用PECVD方式沉积电子选择层n-a-Si:H，另一面沉积空穴选择层p-a-Si:H。

[0055]3.在空穴选择层p-a-Si:H上面采用PECVD方式依次沉积隧穿复合层p-μc Si:H和n-μcSi:H，厚度分别为1nm和10nm。

[0056]4.在n-μc Si:H上采用反应热蒸发的方式制备80nm ITO材料。

[0057]5.ITO表面采用旋涂方法依次沉积SnO2、钙钛矿、Spiro-OMeTAD作为钙钛矿顶电池的ETL、吸收层和HTL层。

[0058]6.在空穴传输层HTL上面采用热蒸发的方式制备10nm厚的MoOX作为缓冲层，其上采用磁控溅射的方法制备100nm的ITO，作为透明电极T。

[0059]7.在电子选择层n上面制备金属电极M2，透明电极T上制备金属栅线电极M1，得到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池。本实施例中分别采用热蒸发制备600nm的Al金属电极M2和100nm的Au金属电极M1。

[0060]该种p/n-μc Si:H应用到钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的制备过程中，得到钙钛矿/硅异质结太阳电池的开压为1.75V。

[0061]综上，本发明提供了一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计，该隧穿结与钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池完全兼容，普遍适用于钙钛矿与单晶硅、多晶硅及硅异质结叠层太阳电池的制备，方法简单易于实现，便于工业化生产。

[0062]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。