CN100559612C - 一种用于空间的双结柔性叠层薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间的双结柔性叠层薄膜太阳能电池，该太阳能电池由柔性复合衬底，在柔性复合衬底上通过磁控溅射方法生成的二个子电池串联的薄膜太阳能电池组成。其特征是：柔性复合衬底由透明聚酰亚胺薄膜，在聚酰亚胺薄膜的一表面上通过溶胶—凝胶依次排列生成的SiO2-TiO2或SiO2-ZrO2宽带增透膜、抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷层组成；二个子电池由下子电池和上子电池依次排列生成在柔性复合衬底的聚酰亚胺薄膜的另一表面上。本发明的优点是：衬底采用复合衬底，SiO2-TiO2或SiO2-ZrO2宽带增透膜提高了光的透过率，多面体低聚倍半硅氧烷薄膜，可以增强电池的抗臭氧能力。二个子电池串联叠加，提高了对太阳光谱的利用率，从而提高了光电转化效率。

Description

一种用于空间的双结柔性叠层薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池，具体是指一种用于空间的由二个子电池串联的可宽波段吸收太阳能的双结柔性叠层薄膜太阳电池。
背景技术
柔性薄膜太阳能电池重量轻，可以折叠、卷曲，甚至粘贴在其它物体的表面，例如汽车玻璃、衣服、帐篷和建筑物的表面等。从商业产品发展的角度考虑，柔性、低成本、高效率、轻重量、大面积的薄膜太阳电池的开发工作也具有重要的实际意义。因此人们把目光投向了这种新型的薄膜太阳电池。
目前已有的适合于制造柔性薄膜太阳能电池的材料有非晶硅、CdTe、CuIn(1-x)GaxSe2(简称CIGS)；然而由于这些材料本身具有的不稳定性和多缺陷造成薄膜太阳能电池的稳定性差，使得大面积电池的效率难以进一步提高，如柔性薄膜单结碲化镉太阳能电池的量子效率只有10％左右。因此有人提出将二个子电池串联的双结薄膜太阳能电池，通过二个子电池来拓宽太阳光谱吸收范围，从而达到提高光电转化效率。
对于用于空间的柔性薄膜太阳能电池除了需要满足低重量、低比容以及在高温和剧烈震动下具有良好的机械可靠性外，还有一个非常重要的要求是抗辐照性，这个性质决定了飞行器、航天器以及卫星等的寿命。因此对于空间应用的柔性薄膜太阳能电池迫切需要解决的问题是提高光电转化效率和抗辐照性。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种用于空间的可提高光电转化效率和抗辐照的双结柔性叠层薄膜太阳能电池。
本发明的柔性叠层薄膜太阳能电池由柔性复合衬底，在柔性复合衬底上通过磁控溅射方法生成的二个子电池串联的薄膜太阳能电池组成。
所说的柔性复合衬底由透明聚酰亚胺薄膜，在聚酰亚胺薄膜的一表面上通过溶胶一凝胶依次排列生成的SiO2-TiO2或SiO2-ZrO2宽带增透膜、抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷层组成。
所说的二个子电池是由上子电池和下子电池依次排列生成在柔性复合衬底的聚酰亚胺薄膜的另一表面上。
上子电池由厚度为20-150nm的n型硫化镉层和厚度为500-1000nm的p型碲化镉层构成。
下子电池由厚度为20-150nm的n型硫化镉层和厚度为1000-1500nm的p型铜铟硒层构成。
两个子电池之间由透明导电氧化物中间电极层联结，其厚度为5-100nm。
在复合衬底的透明聚酰亚胺薄膜和n型硫化镉层之间由透明导电氧化物上电极层联结，其厚度为500-1500nm。
在p型铜铟硒层上有钼金属下电极层。
所说的透明导电氧化物可以是铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)或氧化锡(SnO2)或锡掺杂氧化铟(ITO)。
本发明的叠层薄膜太阳能电池采用标准一维器件模型进行计算。器件的输运物理性质是通过三个方程获得：泊松方程、自由空穴的连续方程和自由电子的连续方程。决定输运特性的任务变为求解满足适当边界条件的三个耦合的非线性微分方程。泊松方程式是连接自由载流子布局数、被俘获的电荷的布局数和电离掺杂物的布局数与物质系统中存在的静电场的纽带。泊松方程最终与自由载流子n和p有关。描述导带的电子和价带空穴的方程为连续方程。连续方程将器件中空穴、电子的产生复合过程与流过器件中的电流联系在一起。在连续方程中考虑到了带-带间直接的和S-R-H间接的复合。光学过程采用了多层介质模型进行拟合。通过求解满足一定边界条件的泊松方程、自由空穴的连续方程和自由电子的连续方程。得到器件中的电势分布、电子及空穴的准费米能级，从而求得器件的量子效率、填充因子、开路电压等参数。计算过程采用了Newton-Raphson求解耦合的非线性方程。
计算所用的标准太阳光谱为AM1.5(美国标准)。模拟计算过程中所用到的参数如表1所示。
器件结构模拟举例：
理论计算表明，上述的二个子电池的CdTe子电池的短路电流为25.1mA/cm2，量子效率为14.3％，填充因子为0.83，开路电压为0.68V；CIS子电池的短路电流为11.6mA/cm2，量子效率为5.2％，填充因子为0.78，开路电压为0.57V。二个子电池串联的量子效率为19％左右。
计算得到太阳光通过上子电池和下子电池吸收后的光通量随波长的关系图如图2所示，从图中可以看出，采用本发明的二个子电池串联结构后吸收太阳光的光谱大大加宽。可以看出，本发明的叠层薄膜太阳能电池的量子效率为19％左右。因此，本发明提出的柔性叠层薄膜太阳能电池是可行的、合理的。
本发明的柔性叠层薄膜太阳能电池与现有的太阳能电池相比，具有以下优点：
1.衬底采用复合衬底，SiO2-TiO2或SiO2-ZrO2宽带增透膜提高了光的透过率，抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷膜层具有纳米级笼形结构、良好的热力学和化学稳定性及耐热、阻燃等特点，其单体是一类以Si-O为骨架联接成的环状纳米级笼状分子。抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷为含硅交联体系，在航空领域具有很好的抗原子氧的能力，原子氧使其表面转化为氧化硅，完全氧化的外层可阻止氧原子进一步侵入。因此，制备于柔性太阳电池最外层的多面体低聚倍半硅氧烷薄膜，可以增强电池的抗臭氧能力。
2.太阳能电池采用二个子电池串联叠加组成，提高了对太阳光谱的利用率，从而提高了光电转化效率。
附图说明
图1为本发明的柔性叠层薄膜太阳能电池的剖面结构示意图。
图2为标准太阳光通过本发明的二个子电池吸收后的光通量随波长变化的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明：见图1，本发明的柔性叠层薄膜太阳能电池由抗臭氧腐蚀层1/宽带增透膜层2/透明聚酰亚胺薄膜3/透明导电氧化物上电极层4/n型硫化镉层5/p型碲化镉层6/透明导电氧化物中间电极层7/n型硫化镉层8/p型铜铟硒层9/钼金属下电极层10组成。
本发明的柔性叠层薄膜太阳能电池的制备方法如下：
1.复合衬底的制备
(1)SiO2-TiO2或SiO2-ZrO2宽带增透膜2的制备
SiO2前驱体溶液的制备：以正硅酸乙脂(TEOS)为有机醇盐前驱体，去离子水(H2O)作为反应物，乙醇(Eth)作为溶剂，盐酸(HCl)作为催化剂，其摩尔比为：TEOS∶H2O∶Eth∶HCl等于1∶2.1-2.4∶30-40∶0.2-0.4。在温度约20℃、湿度低于65％的环境中，首先将TEOS溶于一半的Eth中，边搅拌边滴加HCl，得到的溶液称之为A溶液；然后将H2O溶于另一半Eth中，得到的溶液称之为B溶液；最后将B溶液缓慢滴加到A溶液中，并充分搅拌2小时，在室温下老化5-7天以备用。
TiO2前驱体溶液的制备：以钛酸丁脂(TPOT)为有机醇盐前驱体，去离子水(H2O)作为反应物，乙醇(Eth)作为溶剂，醋酸(HAc)作为催化剂，乙酰丙酮(AcAc)作为络合剂，以降低钛酸丁酯的水解、缩聚反应速率形成均匀稳定的溶胶。其摩尔比为：TPOT∶H2O∶Eth∶HAc∶AcAc等于1∶2-3∶40-50∶1-2∶0.1-0.3。在温度约20℃、湿度低于65％的环境中，首先将TPOT溶于一半的Eth中，边搅拌边滴加HAc与AcAc，得到的溶液称之为A溶液；然后将H2O溶于另一半Eth中，得到的溶液称之为B溶液；最后将B溶液缓慢滴加到A溶液中，并充分搅拌2小时，在室温下老化5-7天以备用。
ZrO2前驱体溶液的制备：以异丙醇锆(ZIP)为有机醇盐前驱体，去离子水(H2O)作为反应物，乙醇(Eth)作为溶剂，醋酸(HAc)作为催化剂，乙酰丙酮(AcAc)作为络合剂，以降低异丙醇锆的水解、缩聚反应速率形成均匀稳定的溶胶。其摩尔比为：ZIP∶H2O∶Eth∶HAc∶AcAc等于1∶2-3∶40-50∶1-2∶0.1-0.3。在温度约20℃、湿度低于65％的环境中，首先将ZIP溶于一半的Eth中，边搅拌边滴加HAc与AcAc，得到的溶液称之为A溶液；然后将H2O溶于另一半Eth中，得到的溶液称之为B溶液；最后将B溶液缓慢滴加到A溶液中，并充分搅拌2小时，在室温下老化5-7天以备用。
将SiO2:TiO2或SiO2:ZrO2前驱体溶液按0.05到0.95的比例混合，成膜采用旋转-镀膜方式，将混合好的前驱体溶液滴到高速旋转的透明聚酰亚胺薄膜3上，转速为2000到5000转/分钟，并保持10到50秒，溶剂迅速挥发得到凝胶膜。然后将其置于退火炉中进行热处理，在200-300℃下加热3到10分钟。重复上述过程，直至得到所需厚度的增透膜。
(2)抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷薄膜层的制备
前驱体溶液的制备：在600毫升的三口烧瓶中加入20毫升的乙烯基三氯硅烷和200毫升丙酮，在氮气保护下机械搅拌。缓慢滴加60毫升去离子水，恒温40℃，冷凝回流70小时，溶液中析出白色晶体，即为八乙烯基。再将八乙烯基按10-80％的比例溶解在外购的聚酰亚胺有机溶液中，得到前驱体溶液。
将上述配制的前驱体溶液涂敷在SiO2-TiO2宽带增透膜上，成膜采用旋转-镀膜方式，转速为1000-5000转/分钟，并保持10到50秒，溶剂迅速挥发得到凝胶膜。然后将其置于退火炉中进行热处理，在200-400℃下加热3到10分钟。重复上述过程，直至得到所需厚度的抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷膜1。
2.二个子电池的制备
二个子电池采用磁控溅射方法依次排列生成在柔性复合衬底的聚酰亚胺薄膜的另一表面上。
其顺序为：透明导电氧化物上电极层4，厚度为500-1500nm；
n型硫化镉层5，厚度为20-150nm；
p型碲化镉层6，厚度为500-1000nm；
透明导电氧化物中间电极层7，厚度为5-100nm；
n型硫化镉层8，厚度为20-150nm；
p型铜铟硒层9，厚度为1000-1500nm；
钼金属下电极层10，厚度为500-1500nm。
所说的透明导电氧化物可以是铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)或氧化锡(SnO2)或锡掺杂氧化铟(ITO)。
表1  模拟计算过程中所用到的参数
Figure C20071004612100091

Claims (3)

1.一种用于空间的双结柔性叠层薄膜太阳能电池，由柔性复合衬底，在柔性复合衬底上通过磁控溅射方法生成的二个子电池串联的薄膜太阳能电池组成，其特征在于：
所说的柔性复合衬底由透明聚酰亚胺薄膜(3)，在聚酰亚胺薄膜的一表面上通过溶胶一凝胶依次排列生成的SiO2-TiO2或SiO2-ZrO2宽带增透膜(2)、抗臭氧腐蚀的多面体低聚倍半硅氧烷膜层(1)组成；
所说的二个子电池是由上子电池和下子电池依次排列生成在柔性复合衬底的聚酰亚胺薄膜的另一表面上的。
2.根据权利要求1的一种用于空间的双结柔性叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所说的上子电池由厚度为20-150nm的n型硫化镉层(5)和厚度为500-1000nm的p型碲化镉层(6)构成；
下子电池由厚度为20-150nm的n型硫化镉层(8)和厚度为1000-1500nm的p型铜铟硒层(9)构成；
两个子电池之间由透明导电氧化物中间电极层(7)联结，其厚度为5-100nm；
在复合衬底的透明聚酰亚胺薄膜(3)和n型硫化镉层(5)之间由透明导电氧化物上电极层(4)联结，其厚度为500-1500nm；
在p型铜铟硒层(9)上有钼金属下电极层(10)，厚度为500-1500nm。
3.根据权利要求2的一种用于空间的双结柔性叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所说的透明导电氧化物可以是铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)或氧化锡(SnO2)或锡掺杂氧化铟(ITO)。
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Shanghai ideal electronic technology (Dongtai) Co., Ltd.

Assignor: Shanghai Inst. of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2010320000508

Denomination of invention: Dual node flexible overlapping thin film solar battery for space

Granted publication date: 20091111

License type: Exclusive License

Open date: 20080220

Record date: 20100430