本發(fā)明屬于太陽(yáng)電池材料與器件領(lǐng)域，涉及一種疊層太陽(yáng)電池及其制備方法，具體地涉及一種p型晶體硅/Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)電池可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，具有清潔、高效、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的清潔能源。目前光伏市場(chǎng)占主導(dǎo)地位仍為晶體硅太陽(yáng)電池，傳統(tǒng)的晶體硅太陽(yáng)電池采用p型單晶或多晶硅片作為基底，通過(guò)在硅片表面進(jìn)行磷擴(kuò)散形成pn結(jié)，再通過(guò)沉積表面鈍化膜、背面鋁漿擴(kuò)散形成背電場(chǎng)、印刷電極等工藝形成太陽(yáng)電池。這種電池結(jié)構(gòu)具有制備方法簡(jiǎn)單，發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是由于采用了單結(jié)結(jié)構(gòu)，一方面所制備的太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓比較低，另一方面，由于晶體硅的禁帶寬度比較低，僅為1.12 eV，能量遠(yuǎn)大于其禁帶寬度的光子(紫外-可見(jiàn)范圍內(nèi)的光子)入射到晶體硅表面時(shí)雖然也可以被吸收，但是多余能量并不能再激發(fā)電子-空穴對(duì)，而是以熱輻射的形式放出，造成了這部分多余的能量浪費(fèi)。此外，這部分能量引起晶體硅晶格熱振動(dòng)增加還會(huì)對(duì)光生載流子的傳輸產(chǎn)生不利影響。

為了充分利用入射太陽(yáng)光，進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，采用疊層的方式將禁帶寬度較高的太陽(yáng)電池作為頂電池來(lái)吸收能量較高的光子，將禁帶寬度較低的太陽(yáng)電池來(lái)吸收能量較低的光子是一種行之有效的技術(shù)手段。常見(jiàn)的禁帶寬度較高的太陽(yáng)電池，如a-Si:H，CdTe等均可以與晶體硅太陽(yáng)電池結(jié)合制備疊層太陽(yáng)電池，但受限于這些子電池較低的短路電流密度或晶格不匹配帶來(lái)的界面缺陷態(tài)密度過(guò)高，光電轉(zhuǎn)換效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明目的是：提供了一種p型晶體硅/Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池，提高了現(xiàn)有p型晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)可以有效避免其它薄膜太陽(yáng)電池與晶體硅太陽(yáng)電池形成疊層結(jié)構(gòu)時(shí)由于晶格失配所產(chǎn)生的過(guò)多界面態(tài)。

本發(fā)明另一個(gè)目的在于提供一種成本低、方法簡(jiǎn)單的制備p型晶體硅/ Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種p型晶體硅/Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池，包括層疊的晶體硅底電池和Cu₂ZnSnS₄薄膜頂電池，所述晶體硅底電池包括從下到上依次層疊的背電極、p型晶體硅基底和n型晶體硅發(fā)射極，所述Cu₂ZnSnS₄薄膜頂電池包括下到上依次層疊的Cu₂ZnSnS₄吸收層、緩沖層、窗口層、減反射層和頂電極，所述吸收層層疊在n型晶體硅發(fā)射極上。

優(yōu)選的，所述Cu₂ZnSnS₄吸收層為Cu₂ZnSnS₄薄膜，厚度為100~800nm。

優(yōu)選的，所述緩沖層為過(guò)渡金屬硫化物薄膜，厚度為5~50nm。

優(yōu)選的，所述窗口層為由透明導(dǎo)電氧化物薄膜構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，厚度為5~50nm。

優(yōu)選的，所述減反射層為MgF₂薄膜，厚度為70~150nm。

優(yōu)選的，所述頂電極由Al、Au、Ag、Cu、Ni中的一種或多種構(gòu)成。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種p型晶體硅/Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池的制備方法，包括以下步驟：

S01：在p型晶體硅太陽(yáng)電池正面表面沉積Cu、Sn、Zn薄膜，然后在S氣氛下退火，得到吸收層；

S02：在吸收層表面依次沉積緩沖層和窗口層；

S03：在窗口層表面沉積頂電極，最后沉積減反射層。

優(yōu)選的，所述步驟S01中退火溫度為450~550°C，退火時(shí)間為0.2~1.5 h，沉積厚度為100~800nm；

所述步驟S02中緩沖層采用化學(xué)浴方法制備，沉積厚度為5~50 nm，沉積溫度為60~80°C，沉積時(shí)間為5~25 min；所述窗口層采用磁控濺射工藝制備，沉積厚度為5~50 nm，濺射功率為30~50W，沉積時(shí)間分別為10~60 min；

所述步驟S03中頂電極采用磁控濺射工藝制備，濺射功率為20~50W，沉積時(shí)間分別為20~60 min；減反射層采用磁控濺射工藝，沉積厚度為70~150nm，濺射功率為20~50 W，沉積時(shí)間為20~80 min。

優(yōu)選的，所述步驟S01中吸收層采用溶膠-凝膠工藝制備，前驅(qū)溶液包括乙酸銅、乙酸鋅、氯化亞錫和硫脲，溶劑為二甲基亞砜，旋涂工藝中轉(zhuǎn)速為2000~4000 rpm，旋涂時(shí)間為10~50s、旋涂次數(shù)為10~40次。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明的疊層太陽(yáng)電池充分利用Cu₂ZnSnS₄頂電池在短波段的光吸收和晶體硅在長(zhǎng)波段的光吸收，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的充分利用，提高現(xiàn)有p型晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)可以有效避免其它薄膜太陽(yáng)電池與晶體硅太陽(yáng)電池形成疊層結(jié)構(gòu)時(shí)由于晶格失配所產(chǎn)生的過(guò)多界面態(tài)。本發(fā)明的疊層太陽(yáng)電池的制備工藝可以充分利用現(xiàn)有的成熟工藝和設(shè)備，減少了產(chǎn)品的資金投入，有利于規(guī)模化生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1是本發(fā)明p型晶體硅/Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明p型晶體硅/Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)施方式并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。

實(shí)施例：

如圖1所示，本發(fā)明的p型晶體硅/ Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池，包括晶體硅底電池1和Cu₂ZnSnS₄薄膜頂電池2，兩者層疊構(gòu)成，充分利用Cu₂ZnSnS₄頂電池2在短波段的光吸收和晶體硅在長(zhǎng)波段的光吸收，以及Cu₂ZnSnS₄與晶體硅晶格匹配良好的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的充分利用的同時(shí)可以有效避免子電池界面處形成過(guò)多缺陷態(tài)影響疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

晶體硅底電池1為以p型硅為基底11、n型硅為發(fā)射極12的單晶或多晶硅太陽(yáng)電池。晶體硅底電池1正面為傳統(tǒng)擴(kuò)散p-n結(jié)，背面10采用鋁背場(chǎng)或鈍化層與局部擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，并印刷有金屬電極。

₂₄頂電池2由下至上依次為Cu₂ZnSnS₄吸收層3、緩沖層4、窗口層（5，6）、減反射層7和頂電極8。窗口層包括第一窗口層5和第二窗口層6兩層。Cu₂ZnSnS₄吸收層3為Cu₂ZnSnS₄薄膜，頂電池的緩沖層4為CdS、InS等過(guò)渡金屬硫化物薄膜，頂電池的窗口層（5，6）為本征ZnO與AZO、ITO等透明導(dǎo)電氧化物薄膜所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，減反射層7為MgF₂薄膜，頂電極8由Al、Au、Ag、Cu、Ni等構(gòu)成。

₂₄薄膜的厚度為100~800 nm，緩沖層4與窗口層（5，6）厚度分別為5~50 nm，減反射層7厚度為70~150nm。

如圖2所示，該p型晶體硅/ Cu₂ZnSnS₄疊層太陽(yáng)電池由下述方法制備得到，包括以下步驟：

1) 對(duì)未鈍化的晶體硅太陽(yáng)電池前表面進(jìn)行清洗。

在晶體硅電池前表面采用物理或化學(xué)或二者結(jié)合方法沉積一層Cu₂ZnSnS₄薄膜。

在Cu₂ZnSnS₄薄膜表面通過(guò)物理或化學(xué)法沉積Cu₂ZnSnS₄薄膜太陽(yáng)電池的緩沖層、和窗口層。

在窗口層表面制備減反射層和柵線電極。

其中，物理法包括蒸發(fā)、濺射、近空間升華等方法，化學(xué)法包括化學(xué)溶液法、化學(xué)氣相沉積、噴霧熱解、原子層沉積及電沉積等方法。

緩沖層最好采用化學(xué)浴、濺射等方法制備，窗口層及減反射層最好采用濺射或化學(xué)氣相沉積方法制備。頂電極采用濺射、蒸發(fā)、印刷等方法制備。

實(shí)施例1

對(duì)未經(jīng)過(guò)正面鈍化的p型晶體硅太陽(yáng)電池正面進(jìn)行常規(guī)清洗。

在上述晶體硅太陽(yáng)電池正面表面采用磁控濺射沉積Cu、Sn、Zn薄膜，然后將上述薄膜在S氣氛下退火，退火溫度為550 °C，退火時(shí)間為1 h，以完成頂電池吸收層的制備。

在上述吸收層表面采用化學(xué)浴工藝沉積一層厚度為35 nm的CdS緩沖層，沉積溫度為75 °C，沉積時(shí)間為20 min。

在上述緩沖層表面采用磁控濺射工藝依次沉積本征ZnO、Al摻雜ZnO窗口層。濺射功率為50W，沉積時(shí)間分別為10 min、40min。

在上述窗口層表面采用磁控濺射工藝沉積Ni-Al柵線前電極，濺射功率為50W，沉積時(shí)間為1 h。

沉積柵線前電極后，采用磁控濺射工藝沉積厚度為70nm的MgF₂減反射層，濺射功率為30 W，沉積時(shí)間為40 min，即得到本發(fā)明的疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

在未經(jīng)正表面鈍化的p型晶體硅太陽(yáng)電池正面進(jìn)行常規(guī)清洗，然后通過(guò)溶膠-凝膠工藝在p型晶體硅太陽(yáng)電池表面制備一層Cu₂ZnSnS₄吸收層。其中，前驅(qū)溶液包括乙酸銅、乙酸鋅、氯化亞錫和硫脲，溶劑為二甲基亞砜。旋涂工藝中轉(zhuǎn)速為3000 rpm，旋涂時(shí)間為40s、旋涂次數(shù)為15次。旋涂結(jié)束后，在S氣氛下退火30 min，退火溫度為560 °C以完成吸收層的制備。

在上述吸收層表面采用化學(xué)浴工藝沉積一層厚度為40 nm的CdS緩沖層，沉積溫度為80 °C，沉積時(shí)間為20 min。

在上述緩沖層表面采用磁控濺射工藝依次沉積本征ZnO、Al摻雜ZnO窗口層。濺射功率為30W，沉積時(shí)間分別為20 min、60 min。

在上述窗口層表面采用磁控濺射工藝沉積Ag柵線前電極，濺射功率為60W，沉積時(shí)間為40 min。

沉積柵線前電極后，采用磁控濺射工藝沉積厚度為150nm的MgF₂減反射層，濺射功率為30 W，沉積時(shí)間為80 min，即得到本發(fā)明的疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式僅僅用于示例性說(shuō)明或解釋本發(fā)明的原理，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修改例。