一种复合连接层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及太阳电池，尤其是涉及一种复合连接层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、为了突破单结太阳能电池的shockley-queisser（肖克利-奎伊瑟）极限，两端钙钛矿-硅串联太阳电池备受关注。

2、自组装分子膜具有可忽略不计的光损耗和电损耗能力，非常适合作为高效钙钛矿-硅串联器件的中间连接层。大多数两亲性的自主装分子在常用的醇类溶剂中倾向于形成胶束。当自组装分子与衬底表面结合时，这些胶束引入了一个额外的能量势垒，形成有缺陷和不致密的自组装分子膜。但是，因为这种自组装分子膜存在均匀性低、覆盖率低的问题，导致在透明导电氧化物上形成严重的漏电流和非辐射复合，从而在钙钛矿-硅两端串联电池中造成开路电压和填充因子损失，影响光电转换效率。

3、因此，亟需研发一种能够解决上述技术问题的自组装分子膜。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中因钙钛矿-硅两端叠层太阳电池的自组装分子膜均匀性低、覆盖率低而引起漏电以及界面缺陷的问题，提供了一种复合连接层及其制备方法和应用。

2、本发明公开了一种复合连接层，包括传输层和自组装分子膜层；所述传输层和所述自组装分子膜层电连接；所述传输层包含氧化镍；所述自组装分子膜层包含[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸。

3、本发明的复合连接层，以氧化镍（niox）的传输层作为自组装分子膜层的种子，氧化镍提高了[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸（meo-2pacz）自组装分子膜与透明导电层（ito、izo等）的界面均匀性，并减少漏电。此外，本发明的复合连接层采用氧化物界面钝化法，促进钙钛矿晶粒生长、改善能级排列、增大耗尽区宽度、增加载流子寿命、有利于载流子的提取和运输、减少界面缺陷和体缺陷密度。使用本发明的复合连接层可以使钙钛矿顶部电池与硅底部电池之间的耦合更强，从而减少漏电流。安装本发明的复合连接层的钙钛矿-硅叠层电池在am1.5g下，效率可以达到28.47%，填充因子高达81.8%。

4、本发明还提供了一种所述的复合连接层的制备方法，包括以下步骤：

5、沉积：采用射频磁控溅射法在硅电池表面沉积所述氧化镍，得传输层；

6、浸泡：将所述传输层放入所述[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸中，浸泡，即得。

7、本发明的复合连接层的制备方法，通过溅射法在低温条件下制备氧化镍（niox）传输层，并以其作为浸泡法制备[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸（meo-2pacz）自组装分子膜的种子层，将氧化镍沉积在单抛单绒晶圆上，再制备自组装分子膜，进而实现了高质量、高均匀性、高覆盖率的复合连接层。

8、常见的制备自组装分子膜的方法有旋涂法和浸泡法，相比于旋涂法，浸泡法在大面积及高均匀度成膜上更有优势。本发明在试图减少漏电以及缺陷的过程中，已经应用了几种策略来增强自组装分子膜的均匀性。其一是通过润湿以及钝化策略来最大限度地减少界面缺陷。对自组装分子进行改性进而提高润湿性，可以提高自组装分子膜的覆盖率；其二是通过在自组装分子膜底部沉积一层额外的钝化层，从而减少漏电流。氧化镍是常见的钝化层之一，传统溶液法制备氧化镍层需要超高（>350 ℃）的退火温度，而异质结硅电池不能承受过高温度（＞ 200 ℃）。而本发明的制备方法，通过溅射法有效地解决了上述问题。

9、在其中一个实施例中，所述沉积的步骤具体为：采用所述射频磁控溅射法在所述硅电池表面沉积所述氧化镍，沉积压力为1.9~2.1 pa，溅射时间为15~25 min；退火，退火温度为150~180 ℃，退火时间为20~30 min，即得传输层。

10、在其中一个实施例中，所述退火的温度为180 ℃，所述退火的时间为20 min。

11、在其中一个实施例中，所述沉积的步骤的条件为：沉积室内压力＜ 8×10-4 pa，以20 sccm的流速引入高纯氩气，固定功率为65 w。

12、在其中一个实施例中，所述氧化镍的厚度为15~25 nm。

13、在其中一个实施例中，所述浸泡的步骤具体为：将所述传输层放入浓度为0.05~0.1 mg ml-1的[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸乙醇溶液中，浸泡50~70 min；干燥后，退火，退火温度为100±20 ℃，退火时间为8~12 min，即得复合连接层。

14、在其中一个实施例中，所述浸泡的步骤具体为：将所述传输层放入40 ml浓度为0.05~0.1 mg ml-1的[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸乙醇溶液中，浸泡50~70min；用氮气干燥后，退火，退火温度为100±20 ℃，退火时间为8~12 min；用乙醇超声清洗8~15 min，再用氮气干燥，即得。

15、本发明还提供了一种叠层电池，包括硅电池、如权利要求1所述的复合连接层、钙钛矿电池；所述硅电池和所述复合连接层的一面电连接，所述钙钛矿电池和所述复合连接层的另一面电连接。

16、在其中一个实施例中，所述叠层电池具有从下至上依次电连接的如下结构：硅电池、复合连接层、钙钛矿层、表面钝化层、电子传输层、缓冲层、顶电极。

17、在其中一个实施例中，所述叠层电池具有从下至上依次电连接的如下叠层结构：顶电极、氧化铟层、掺硼的氢化非晶硅层、氢化非晶硅层、晶圆、氢化非晶硅层、掺磷的氢化非晶硅层、氧化铟层、传输层、自组装分子膜层、钙钛矿层、表面钝化层、电子传输层、缓冲层、顶电极。

18、本发明还提供了一种所述叠层电池的制备方法，包括以下步骤：

19、用上述复合连接层的制备方法，在所述硅电池表面制备复合连接层，得硅电池/复合连接层；

20、制备钙钛矿层；制备表面钝化层；制备电子传输层；制备缓冲层；制备顶电极，即得。

21、在其中一个实施例中，所述硅电池/复合连接层具有从下至上依次电连接的如下叠层结构：单质银顶电极、氧化铟层、掺硼的氢化非晶硅层、氢化非晶硅层、晶圆、氢化非晶硅层、掺磷的氢化非晶硅层、氧化铟层、氧化镍传输层、meo-2pacz自组装分子膜层。

22、在其中一个实施例中，所述硅电池具有从下至上依次电连接的如下叠层结构：单质银顶电极、氧化铟层、掺硼的氢化非晶硅层、氢化非晶硅层、晶圆、氢化非晶硅层、掺磷的氢化非晶硅层、氧化铟层。

23、在其中一个实施例中，所述硅电池的制备方法为：将晶圆浸入氢氟酸溶液中，气相沉积，得表面具有氢化非晶硅层的晶圆；在所述表面具有氢化非晶硅层的晶圆的一面沉积掺磷的氢化非晶硅层，在所述表面具有氢化非晶硅层的晶圆的另一面沉积掺硼的氢化非晶硅层；在所述掺磷的氢化非晶硅层表面沉积掺锡氧化铟层；在所述掺硼的氢化非晶硅层表面沉积氧化铟层，在所述氧化铟层表面镀单质银，即得。

24、在其中一个实施例中，所述晶圆为n型晶圆，厚度为150±5 μm，电阻率为1~2 ωcm，所述晶圆为正面抛光、背面纹理晶圆；将所述晶圆作为衬底，经臭氧清洗后，浸入质量分数为1±0.05%的氢氟酸溶液中；

25、气相沉积：在上述晶圆的一面上依次沉积厚度为4±0.5 nm的氢化非晶硅层和厚度为4±0.5 nm的掺磷的氢化非晶硅层；在上述晶圆的另一面上依次沉积6±0.5 nm的氢化非晶硅层和厚度为13±0.5 nm的掺硼的氢化非晶硅层；在所述掺磷的氢化非晶硅层表面制备厚度为20±0.5 nm的掺锡氧化铟层；在所述掺硼的氢化非晶硅层表面制备厚度为70±0.5nm的氧化铟层，在所述氧化铟层表面蒸镀单质银顶电极，即得。

26、在其中一个实施例中，所述制备钙钛矿层的步骤具体为：

27、制备前驱体溶液：将浓度为1.5~1.7 m的甲脒铅碘盐（fapbi3）溶液、浓度为1.5~1.7 m的甲胺铅溴盐（mapbbr3）溶液、浓度为1.5~1.7 m的碘化铯（csi）溶液、二甲基亚砜，按照700：255：48：48的体积比混合，得前驱体溶液；

28、旋涂：在所述复合连接层上旋涂上述前驱体溶液，再旋涂乙酸乙酯；退火，退火温度为100±20 ℃，退火时间为20~30 min，即得。

29、在其中一个实施例中，所述旋涂的步骤具体为：在所述复合连接层上以4000 rpm的速度旋涂80~120 μl的上述前驱体溶液，所述旋涂时间为30 s；在上述旋涂时间结束前的8~12 s，向所述复合连接层上滴入200~250 µl乙酸乙酯；退火，退火温度为100±20 ℃，退火时间为20~30 min，即得。

30、在其中一个实施例中，所述钙钛矿层中的钙钛矿具有如下结构：cs0.05fa0.70ma0.25pbi2.25br0.75；其中，cs为铯原子、fa为甲酰胺、ma为甲基铵、pb为铅原子、i为碘原子、br为溴原子。

31、在其中一个实施例中，所述制备表面钝化层的步骤具体为：将浓度为0.8~1 mgml-1的苯乙基碘化胺（peai）异丙醇溶液旋涂在所述钙钛矿层上；退火，退火温度为100±20℃，退火时间为10±2 min，即得。

32、所述制备电子传输层的步骤具体为：采用金属热蒸发法，将碳60沉积在所述表面钝化层上，即得；

33、所述制备缓冲层的步骤具体为：以四(二甲氨基)锡（tdmasn）和水作为前驱体，采用原子层沉积法在所述电子传输层表面沉积氧化锡（sno2），锡源温度为60±5 ℃，循环次数为140~200次，即得；

34、所述制备顶电极的步骤具体为：采用射频溅射，在所述缓冲层表面沉积铟锌氧化物（izo），射频溅射功率为50±10 w，时间为30±5 min；蒸镀单质银，即得。

35、在其中一个实施例中，所述碳60（c60）的沉积厚度为30~40 nm。

36、在其中一个实施例中，所述制备顶电极的条件为：工作压强0.3 pa，氩气环境中。

37、在其中一个实施例中，所述铟锌氧化物（izo）的厚度为100~120 nm；所述单质银的厚度为150~200 nm。

38、在其中一个实施例中，所述叠层电池的效率为28.47%，填充因子为81.8%。

39、本发明还提供了一种所述的叠层电池在太阳能发电领域和/或储能领域的应用。

40、本发明的一种复合连接层，以氧化镍（niox）的传输层作为自组装分子膜层的种子，氧化镍提高了[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸（meo-2pacz）自组装分子膜与透明导电层（ito、izo等）的界面均匀性，并减少漏电。此外，本发明的复合连接层采用氧化物界面钝化法，促进钙钛矿晶粒生长、改善能级排列、增大耗尽区宽度、增加载流子寿命、有利于载流子的提取和运输、减少界面缺陷和体缺陷密度。使用本发明的复合连接层可以使钙钛矿顶部电池与硅底部电池之间的耦合更强，从而减少漏电流。安装本发明的复合连接层的钙钛矿-硅叠层电池在am1.5g下，效率可以达到28.47%，填充因子高达81.8%。

41、本发明的复合连接层的制备方法，通过溅射法在低温条件下制备氧化镍（niox）传输层，并以其作为浸泡法制备[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸（meo-2pacz）自组装分子膜的种子层，将氧化镍沉积在单抛单绒晶圆上，再制备自组装分子膜，进而实现了高质量、高均匀性、高覆盖率的复合连接层。该方法通过采用溅射法有效地解决了传统制备氧化镍层需要超过（>350 ℃）的退火温度，而异质结硅电池不能承受过高温度（＞ 200 ℃）的问题。本发明的制备方法操作简单，适合大规模工业化生产。