CN111554764A - 一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明开发了一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，该叠层电池以窄带隙钙钛矿电池为顶电池，通过中间连接层与底部晶硅电池构成两端的叠层结构电池，确保叠层电池获得高开压的前提下解决顶、底电池的电流匹配问题。即利用适当窄带隙钙钛矿电池开压损失小的特点，使顶部电池获得更大的电流，同时通过适当增加底部晶硅电池的受光面积来补偿底电池的电流损失，从而实现顶、底电池的电流匹配，在获得高效叠层电池效率的同时保障电池的稳定性。

Description

一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池
技术领域
本发明涉及太阳电池的技术领域，特别涉及一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池的设计与制备。
背景技术
钙钛矿与晶硅叠层电池近年来由于其可获得更高的转换效率而引起众多研究者的关注。钙钛矿与晶硅叠层电池主要以两种方式结合，一种为钙钛矿与晶硅电池两端串联叠层模式，另一种为钙钛矿与晶硅电池各自独立的四端叠层模式。其中两端叠层结构中，源于其与目前光伏市场中大规模组件制备工艺更加兼容，成为目前钙钛矿与晶硅叠层电池研究的重点。自2015年，制备出第一块钙钛矿/硅两端叠层太阳电池至今，叠层电池的转换效率已由13.7％提高至29.15％，远超过单结晶硅的最高效率26.7％。目前已报道的效率超过25％的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池主要研究单位包括美国斯坦福大学McGehee组、瑞士洛桑联邦理工学院Ballif组、美国北卡罗来纳大学黄劲松组、德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究院(HZB)以及英国牛津光伏。值得指出的是在两端叠层电池结构中，根据基尔霍夫定律，串联的结构设计中电流受限于最小电流值，即顶、底电池电流相等时，电池获得最大的电流输出，实现最高的转换效率。因此在两端叠层设计中会涉及顶、底电池的电流匹配问题，所以对顶、底电池的吸收带隙提出了更加严格的要求。据文献报道，为了与晶硅底电池带隙(1.1eV)实现更好的匹配，需要采用适当的宽带隙钙钛矿电池达到电流匹配的同时获得更高的开路电压。然而，实际研究中发现相比于窄带隙(1.55eV)的钙钛矿电池，宽带隙(大于1.65eV)钙钛矿电池的开压损失尤为严重。从目前已发表的结果上来看，美国斯坦福大学McGehee组的钙钛矿/晶硅的叠层电池实现了27.1％的较高转换效率，其中开路电压为1.886V，短路电流密度为19.12mA/cm2，填充因子为75.3％。该叠层电池，顶电池选择的是1.67eV带隙的钙钛矿电池，单结电池获得了20.42％的转换效率，开路电压为1.217V，短路电流密度为20.18mA/cm2，填充因子为83.16％，是目前报道中pin型宽带隙钙钛矿电池获得最高电池效率。根据开路电压损失公式Eg/q-Voc可知，其开路电压损失为460mV。但是，在目前的窄带隙电池中，黄劲松组报道带隙为1.51eV的钙钛矿电池中同样实现了1.2eV的开路电压。且由于其带隙更窄，获得的短路电流也越大为23.5mA/cm2，最终获得21.9％的转换效率，它的开路电压损失仅310mV，远低于宽带隙的开压损失。此外，大量的研究还表明宽带隙的钙钛矿电池更加不稳定。由于宽带隙钙钛矿电池的实现大多通过采用添加更多的溴元素，但是溴元素的添加会使得电池在光照条件下更容易引起相分离，不利于电池效率的同时更不利于电池的稳定性。
综上所述，可归纳出现有宽带隙钙钛矿与晶硅电池叠层电池技术的不足：1)为实现电流匹配选择宽带隙的钙钛矿电池作为顶电池，但是目前的宽带隙电池的开路损失更为严重，致使叠层电池开路电压远低于理想的开路电压。2)宽带隙钙钛矿电池在光照过程中更容易出现相分离现象，不仅不利于电池的效率，并且使得钙钛矿电池更加不稳定，不利于电池的实际应用。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种采用适当窄带隙钙钛矿作为与晶硅电池构成两端叠层结构的顶电池，从而获得更加高效且稳定性更好的钙钛矿/晶硅叠层电池。实现了如下发明目的：1)解决了顶电池带隙较窄而引起的电流不匹配的问题；2)窄带隙更容易实现且具有较小的开路电压损失，保障了叠层电池的高开压优势；3)相较于宽带隙钙钛矿电池，窄带隙电池光照时更加稳定，可提高叠层电池的稳定性。
本发明的技术方案：
一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，以适当窄带隙(1.40-1.65eV之间)的钙钛矿电池为顶电池，通过中间连接层与底部晶硅电池构成两端的叠层结构；此叠层电池结构设计主要体现在顶、底电池的面积不相等，底部晶硅电池的面积稍大于顶部钙钛矿电池面积，顶电池与底电池的面积比在0.5-1.0之间。采用适当窄带的钙钛矿电池作为叠层电池的顶电池，此时顶部电池可获得更大的电流，若叠层电池仍采用目前结构会引起顶、底电池的电流不匹配，影响电池效率。而本发明通过增大底部晶硅电池的面积从而补偿底电池的电流，实现顶、底电池的电流匹配。此外，采用较窄带隙的钙钛矿电池作为顶电池可以获得光照更加稳定的叠层电池。
所述的钙钛矿顶电池为适当窄带隙(1.40-1.65eV之间)的有机无机杂化钙钛矿材料，或者为全无机的钙钛矿材料；上述材料的组分是铅基、锡基或铅锡混合钙钛矿材料。钙钛矿顶电池采用两步顺序沉积或一步反溶剂沉积的溶液法制备，或者采用蒸发法沉积或者化学气相沉积法沉积。钙钛矿电池其空穴材料为无机的NiOX、MnS或CuSCN，或者为有机材料PTAA、Spiro-OMeTAD或Spiro-TTB；电子层传输材料为无机的SnO2或TiO2等，或者为有机材料PCBM或C60。钙钛矿顶电池上表面透明电极材料为ITO、IZO、IO:H或IZrO。钙钛矿顶电池上表面透明电极材料上面的增透材料为MgF2、LiF或SiO2。
所述的中间连接层是透明导电薄膜ITO或IZO，或者是非晶硅、微晶硅、纳米晶硅或硅氧材料，或者中间连接层选择的是透明导电粘合剂来实现顶部钙钛矿与底部晶硅电池的连接。
所述的晶硅底电池为平面型硅电池、单面制绒或者双面制绒的硅太阳电池。硅电池是如下中的一种：n型硅片、p型硅片、CZ型或FZ型。硅电池是如下中的一种：硅异质结电池、TOP-Con电池、POLO电池、DASH电池或同质结电池；所述同质结电池具体为PERC、PERL或PERT电池。
所述的钙钛矿顶电池和底部晶硅电池的结构选择pin的电池结构或者选择nip的电池结构。钙钛矿电池的结构是平面型、介孔型或有机结构型。
在电池制备过程中，首先通过外量子效率测试仪(EQE)确定顶部钙钛矿电池的吸收范围以及可获得的积分电流；通过模拟计算适当增加底部晶硅电池的有效电池面积，补偿由顶部带隙变窄而带来的电流损失，从而实现顶、底电池的电流匹配；确定顶、底电池面积后，采用溶液方法或气相方法制备顶部钙钛矿电池，完成叠层电池。
本发明的优点和积极效果：
本发明通过采用适当窄带隙的钙钛矿电池作为叠层电池的顶电池，通过调节顶部与底部电池的有效电池面积，从而补偿底部电池的电流损失，实现顶、底电池的电流匹配；同时本发明在保证叠层电池高开压的前提下，提高了电池的短路电流，从而获得效率更高的钙钛矿/晶硅叠层电池；另一方面，窄带隙的钙钛矿电池在光照时稳定性更好，因此该设计还可增加叠层电池的稳定性。
本发明的机理分析：
本发明通过增加底部硅电池的有效吸收面积进而补偿由顶部电池带隙减小而带来的底电池电流不足问题，在保证顶部窄带隙电池更小开压损失的前提下，进一步提高了叠层电池短路电流，有望实现更高的钙钛矿与晶硅叠层电池效率；此外，由于宽带隙钙钛矿电池存在光照相分离的现象使得电池在光照过程中极其不稳定，采用适当窄带隙的钙钛矿电池可以进一步增强叠层电池的光照稳定性。
附图说明
图1为本发明所用的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构示意图。
图2为本发明采用nip型窄带隙有机无机杂化钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构示意图。
图3为本发明中所用的纯锡基无机钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构示意图。
图4为本发明所用的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池，其中选择导电粘合剂作为上下电池连接层结构示意图。
图5为本发明中所用的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿/TOP-Con叠层太阳电池结构示意图。
图6为本发明所用的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构示意图，其中硅异质结选择单面抛光单面制绒结构。
图7为本发明所用的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池结构示意图，其中硅异质结选择双面制绒结构。
具体实施方式
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。
实施例1：
本实施例所提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的结构如图1所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag、MgF2增透薄膜、透明导电薄膜IZO、中间保护层SnO2，钙钛矿顶电池电子传输层PCBM、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿空穴传输层PTAA、连接层ITO、硅异质结底电池电子选择层N-a-Si:H、钝化层I-a-Si:H、硅衬底N-Silicon、钝化层I-a-Si:H、空穴选择层P-a-Si:H和背电极Al。
钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中，钙钛矿吸收层为溶液两步法连续沉积制备的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿。其中第一步碘化铅溶液浓度为1.3M，第二步有机盐为FAI:MABr:MACl(60g:6g:6g)，带隙约为1.55eV。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
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-a-Si:H。
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。
3.在空穴选择层P-a-Si:H面电子束热蒸发ITO作为晶硅电池的背面透明电极。
4.在N-a-Si:H上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为连接层。
5.在ITO上溶液旋涂PTAA作为钙钛矿电池的空穴传输层。
6.两步法制备钙钛矿吸收层(如前所述)，其中钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.75，从而确保底电池可以产生更大的电流。
7.在钙钛矿吸收层上旋涂PCBM作为电子传输层。
8.在PCBM上采用ALD制备的SnO2作为缓冲层。
9.在缓冲层上采用低功率磁控溅射的方法制备80nm厚的IZO，作为透明电极。
10.在透明电极上热蒸发法制备MgF2作为增透膜。
11.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部透明电极IZO上制备金属栅线电极Ag，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金属电极和100nm的Ag金属电极。
12.叠层电池的结果：开路电压：1.78V，短路电流密度：24mA/cm2，填充因子：79％，电池的效率：33.75％。
实施例2：
本实施例所提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的具体结构如图2所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Au、MgF2增透薄膜、透明导电薄膜ITO、中间保护层MoO3，钙钛矿顶电池空穴传输层Spiro-OMeTAD、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿电子传输层SnO2、连接层ITO、硅异质结底电池空穴选择层P-a-Si:H、钝化层I-a-Si:H、硅衬底N-Silicon、钝化层I-a-Si:H、电子选择层N-a-Si:H和背电极Al。
本实施例中在钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中，钙钛矿吸收层为溶液两步法连续沉积制备的nip型窄带隙有机无机杂化钙钛矿。其中第一步碘化铅溶液浓度为1.3M，第二步有机盐为FAI:MABr:MACl(60g:6g:6g)，带隙约为1.55eV。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
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-a-Si:H。
2.之后选定一面采用PECVD方式沉积空穴选择层P-a-Si:H，另一面沉积电子选择层N-a-Si:H。
3.在电子选择层N-a-Si:H面电子束热蒸发ITO作为晶硅电池的背面透明电极。
4.在P-a-Si:H上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为连接层。
5.在ITO上溶液旋涂SnO2作为钙钛矿电池的电子传输层。
6.两步法制备钙钛矿吸收层(如前所述)，其中钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.75，从而确保底电池可以产生更大的电流。
7.在钙钛矿吸收层上旋涂Spiro-OMeTAD作为空穴传输层。
8.在Spiro-OMeTAD上采用热蒸发的MoO3作为缓冲层。
9.在缓冲层上采用低功率磁控溅射的方法制备80nm厚的ITO，作为透明电极。
10.在透明电极上热蒸发法制备MgF2作为增透膜。
11.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部透明电极ITO上制备金属栅线电极Au，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金属电极和100nm的Au金属电极。
12.叠层电池的结果：开路电压：1.80V，短路电流密度：22mA/cm2，填充因子：79.3％，
电池的效率：31.40％。
实施例3：
本实施例所提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的具体结构如图3所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag、MgF2增透薄膜、透明导电薄膜IZO、中间保护层SnO2，钙钛矿顶电池电子传输层(PCBM)、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿空穴传输层PTAA、连接层ITO、硅异质结底电池电子选择层N-a-Si:H、钝化层I-a-Si:H、硅衬底N-Silicon、钝化层I-a-Si:H、空穴选择层P-a-Si:H和背电极Al。
钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中，钙钛矿吸收层为溶液沉积制备的带隙约为1.50eV的铅锡混合pin型钙钛矿CsPbxSn1-x(IyBr1-y)3。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
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-a-Si:H。
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。
3.在空穴选择层P-a-Si:H面电子束热蒸发ITO作为晶硅电池的背面透明电极。
4.在N-a-Si:H上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为连接层。
5.在ITO上溶液旋涂PTAA作为钙钛矿电池的空穴传输层。
6.两步法制备钙钛矿吸收层(如前所述)，其中钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.75，从而确保底电池可以产生更大的电流。
7.在钙钛矿吸收层上旋涂PCBM作为电子传输层。
8.在PCBM上采用ALD制备的SnO2作为缓冲层。
9.在缓冲层上采用低功率磁控溅射的方法制备80nm厚的IZO，作为透明电极。
10.在透明电极上热蒸发法制备MgF2作为增透膜。
11.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部透明电极IZO上制备金属栅线电极Ag，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金属电极和100nm的Ag金属电极。
12.叠层电池的结果：开路电压：1.70V，短路电流密度：25mA/cm2，填充因子：78％，电池的效率：33.15％。
实施例4：
本实施例所提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的具体结构如图4所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag、MgF2增透薄膜，透明导电薄膜ITO，钙钛矿顶电池电子传输层SnO2、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿空穴传输层PTAA、导电粘合剂连接层DCL、透明导电薄膜ITO、硅异质结底电池电子选择层N-a-Si:H、钝化层I-a-Si:H、硅衬底N-Silicon、钝化层I-a-Si:H、空穴选择层P-a-Si:H和背电极Al。
钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中，单独制备晶硅底电池以及钙钛矿顶电池，然后通过导电粘合剂对顶、底电池进行连接，形成两端串联结果。其中，钙钛矿吸收层为溶液两步法连续沉积制备的nip型窄带隙有机无机杂化钙钛矿，第一步碘化铅溶液浓度为1.3M，第二步有机盐为FAI:MABr:MACl(60g:15g:6g)，带隙约为1.58eV。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
1.首先是底部晶硅电池的制备：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-a-Si:H；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；在空穴选择层P-a-Si:H面电子束热蒸发ITO作为晶硅底电池的背面透明电极；在N-a-Si:H上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为底电池的入光面透明电极；在ITO上制备导电粘合剂DCL作为顶、底电池的连接层，至此底部硅电池制备完成。
2.顶电池钙钛矿电池的制备，选择在柔性衬底上溅射法制备ITO透明导电电极；ITO上溶液旋涂SnO2作为钙钛矿电池的电子传输层；两步法制备钙钛矿吸收层(如前所述)，其中钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.8，从而确保底电池可以产生更大的电流；在钙钛矿吸收层上旋涂PTAA作为空穴传输层，至此顶部钙钛矿电池制备完成。
3.将顶部钙钛矿电池的空穴层PTAA与底部晶硅电池上的导电粘合剂DCL进行粘合，形成顶、底电池的串联结构。
4.采用化学腐蚀的方法去除顶部钙钛矿电池的柔性衬底，保留ITO透明导电电极。
5.在ITO电极上蒸发法制备MgF2减反层。
6.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部制备金属栅线电极Ag，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金属电极和100nm的Ag金属电极。
7.叠层电池的结果：开路电压：1.80V，短路电流密度：23.5mA/cm2，填充因子：78％，电池的效率：32.99％。
实施例5：
本实施例所提供的钙钛矿/TOP-Con叠层太阳电池的具体结构如图5所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag、透明导电薄膜IZO、中间保护层SnO2，钙钛矿顶电池电子传输层PCBM、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿空穴传输层PTAA、连接层ITO、TOP-Con底电池电子选择层N-nc-SiCx、SiO2钝化层、硅衬底N-Silicon、SiO2钝化层、空穴选择层P-nc-SiCx:F和背电极Al。
钙钛矿/TOP-Con叠层太阳电池中，底部晶硅电池选择TOP-Con电池，钙钛矿吸收层为溶液两步法连续沉积制备的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿。其中第一步无机盐溶液浓度为1.3M,其摩尔比PbBr2:PbI2为15:85，第二步有机盐为FAI:MABr:MACl(60g:6g:6g)，带隙为1.60eV。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
1.将N型<100>晶向的抛光Cz硅片衬底双面紫外臭氧处理制备SiO2钝化层。
2.之后选定一面采用PECVD方式沉积电子选择层N-nc-SiCx，另一面沉积空穴选择层P-nc-SiCx:F。
3.在空穴选择层P-nc-SiCx:F面电子束热蒸发ITO作为晶硅电池的背面透明电极。
4.在N-nc-SiCx上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为连接层。
5.在ITO上溶液旋涂PTAA作为钙钛矿电池的空穴传输层。
6.两步法制备钙钛矿吸收层(如前所述)，其中钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.85，从而确保底电池可以产生更大的电流。
7.在钙钛矿吸收层上旋涂PCBM作为电子传输层。
8.在PCBM上采用ALD制备的SnO2作为缓冲层。
9.在缓冲层上采用低功率磁控溅射的方法制备80nm厚的IZO，作为透明电极。
10.在透明电极上热蒸发法制备MgF2作为增透膜。
11.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部透明电极IZO上制备金属栅线电极Ag，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金属电极和100nm的Ag金属电极。
12.叠层电池的结果：开路电压：1.80V，短路电流密度：22mA/cm2，填充因子：79.2％，电池的效率：31.36％。
实施例6：
本实施例所提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的具体结构如图6所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag、MgF2增透薄膜、透明导电薄膜IZO、中间保护层SnO2，钙钛矿顶电池电子传输层PCBM、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿空穴传输层PTAA、连接层ITO、硅异质结底电池电子选择层N-a-si:H、钝化层I-a-si:H、硅衬底N-Silicon、钝化层I-a-si:H、空穴选择层P-a-si:H和背电极Al。
钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中，硅片选择单面抛光，单面制绒的结构，其中钙钛矿吸收层制备在电池的抛光面，通过溶液两步法连续沉积制备的pin型窄带隙有机无机杂化钙钛矿。其中第一步无机盐溶液浓度为1.3M,其摩尔比PbBr2:PbI2为15:85，第二步有机盐为FAI:MABr:MACl(60g:6g:6g)，带隙为1.60eV。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
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-a-Si:H。
2.之后选定一面采用PECVD方式在抛光面沉积电子选择层N-a-Si:H，另一制绒面沉积空穴选择层P-a-Si:H。
3.在空穴选择层P-a-Si:H面电子束热蒸发ITO作为晶硅电池的背面透明电极。
4.在N-a-Si:H上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为连接层。
5.在ITO上溶液旋涂PTAA作为钙钛矿电池的空穴传输层。
6.两步法制备钙钛矿吸收层，其中钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.88，从而确保底电池可以产生更大的电流。
7.在钙钛矿吸收层上旋涂PCBM作为电子传输层。
8.在PCBM上采用ALD制备的SnO2作为缓冲层。
9.在缓冲层上采用低功率磁控溅射的方法制备80nm厚的IZO，作为透明电极。
10.在透明电极上热蒸发法制备MgF2作为增透膜。
11.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部透明电极IZO上制备金属栅线电极Ag，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金属电极和100nm的Ag金属电极。
12.叠层电池的结果：开路电压：1.88V，短路电流密度：22.5mA/cm2，填充因子：81％，电池的效率：34.26％。
实施例7：
本实施例所提供的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的具体结构如图7所示，由上至下依次包括：正面金属栅线电极Ag、MgF2增透薄膜、透明导电薄膜IZO、中间保护层SnO2，钙钛矿顶电池电子传输层C60、钙钛矿吸收层Perovskite、钙钛矿空穴传输层Spiro-TTB、连接层ITO、硅异质结底电池电子选择层N-a-si:H、钝化层I-a-si:H、硅衬底N-Silicon、钝化层I-a-si:H、空穴选择层P-a-si:H和背电极Al。
钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中，硅片选择双面制绒的结构。其中钙钛矿吸收层采用蒸发结合溶液的两步法制备pin型有机无机杂化钙钛矿。其中第一步共蒸发无机盐PbI2和CsBr，蒸发速率为10:1，第二步有机盐为FABr:FAI(1:4)，带隙为1.63eV。
本实施例的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池通过以下方法制备得到：
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-a-Si:H。
2.之后选定一制绒面采用PECVD方式沉积电子选择层N-a-Si:H，另一制绒面沉积空穴选择层P-a-Si:H。
3.在空穴选择层P-a-Si:H面电子束热蒸发ITO作为晶硅电池的背面透明电极。
4.在N-a-Si:H上采用电子束热蒸发的方式制备40nm ITO材料作为连接层。
5.在ITO上蒸发Spiro-TTB作为钙钛矿电池的空穴传输层。
6.钙钛矿层的制备，首先第一步共蒸发无机盐PbI2和CsBr，蒸发速率为10:1；从真空腔取出样品，采用溶液法旋涂制备有机盐其比例为FABr:FAI(1:4)；退火结晶形成钙钛矿。同样钙钛矿的有效面积小于底部晶硅电池的面积，钙钛矿的有效面积与底部晶硅电池的面积比为0.9，从而确保底电池可以产生更大的电流。
7.在钙钛矿吸收层上蒸发C60作为电子传输层。
8.在C60上采用ALD制备的SnO2作为缓冲层。
9.在缓冲层上采用低功率磁控溅射的方法制备80nm厚的IZO，作为透明电极。
10.在透明电极上热蒸发法制备MgF2作为增透膜。
11.在晶硅电池底部ITO上制备金属电极Al，钙钛矿电池顶部透明电极IZO上制备金属栅线电极Ag，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金属电极和100nm的Ag金属电极。
12.叠层电池的结果：开路电压：1.88V，短路电流密度：22.8mA/cm2，填充因子：80.5％，电池的效率：34.51％。
综上，本发明提供了一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，通过增大底部硅电池的受光面积来实现与钙钛矿顶电池带隙变窄高电流的顶电池相匹配，获得高效的叠层电池；另一方面，顶层钙钛矿电池带隙变窄以后电池的光照稳定性更强，从而提升叠层电池的稳定性。
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。

Claims (10)

1.一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于以带隙为1.40-1.65eV窄带隙的钙钛矿电池为顶电池，通过中间连接层与底部晶硅电池构成两端的叠层结构；在此两端叠层电池中顶、底电池的面积不相等，顶电池与底电池的面积比在0.5-1.0之间，通过适当增大底部晶硅电池的面积从而补偿底电池的电流，实现顶、底电池的电流匹配。
2.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的钙钛矿顶电池为窄带隙的有机无机杂化钙钛矿材料，或者为全无机的钙钛矿材料；上述材料的组分是铅基、锡基或铅锡混合钙钛矿材料。
3.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的钙钛矿顶电池采用两步顺序沉积或一步反溶剂沉积的溶液法制备，或者采用蒸发法沉积或者化学气相沉积法沉积；所述的钙钛矿顶电池和底部晶硅电池的结构选择pin的电池结构或者选择nip的电池结构。
4.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的钙钛矿电池其空穴材料为无机的NiOX、MnS或CuSCN，或者为有机材料PTAA、Spiro-OMeTAD或Spiro-TTB；电子层传输材料为无机的SnO2或TiO2等，或者为有机材料PCBM或C60。
5.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的钙钛矿顶电池上表面透明电极材料为ITO、IZO、IO:H或IZrO。
6.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的钙钛矿顶电池上表面透明电极材料上面的增透材料为MgF2、LiF或SiO2。
7.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的中间连接层是透明导电薄膜ITO或IZO，或者是非晶硅、微晶硅、纳米晶硅或硅氧材料，或者中间连接层选择的是透明导电粘合剂来实现顶部钙钛矿与底部晶硅电池的连接。
8.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的晶硅底电池为平面型硅电池、单面制绒或者双面制绒的硅太阳电池。
9.根据权利要求9所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的硅电池是如下中的一种：n型硅片、p型硅片、CZ型或FZ型；所述的硅电池是如下中的一种：硅异质结电池、TOP-Con电池、POLO电池、DASH电池或同质结电池；所述同质结电池具体为PERC、PERL或PERT电池。
10.根据权利要求1所述的一种高效稳定的钙钛矿/硅两端叠层太阳电池，其特征在于，所述的钙钛矿电池的结构是平面型、介孔型或有机结构型。
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