CN101510470A - 一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，包括：一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池；以及一位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池；其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过串联或并联方式进行连接，通过本发明的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，能达到以下效果：可以实现染料敏化电池来吸收近红外光；所设计的叠层电池具有制作工艺简单，价格低廉的特点；可以解决常规的太阳能电池光电转换效率低，吸收太阳能光谱不够宽的问题；可最大程度的提高太阳光能的利用，提高转换效率，降低光能损失。

Description

一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构
技术领域
本发明涉及一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构。
背景技术
太阳能是一种取之不尽，不污染环境、使用安全的能源。太阳能光伏发电具有无噪声、无污染，不受地域限制，无需消耗材料，容易储存等优点。
太阳能发电是将太阳能转换为电能的高端技术，它的发展历经单晶硅电池、多晶硅电池与非晶硅薄膜电池等阶段。非晶硅薄膜太阳能电池，在太阳能电池研制上的已经取得了很多新突破和新成果，它较之单晶硅太阳能电池，有着许多自身显著的特点。首先是生产成本低，原材料价格低，制造环境相对宽松；其次是制备得到的电池很薄，使用的硅材料较少；同时还可以使用柔性基板，它改变了以往太阳能电池的物体形态，由于其自身的柔性，使它可以连接到其它柔性物如塑料、纺织物以及刚性物如金属、建筑等静止或移动的物体上面。
染料敏化纳米薄膜太阳电池是1991年由瑞士联邦理工学院教授提出的一种全新的光化学太阳电池，基本结构通常是由光阳极、含有I-/I3 -氧化还原电对的电解质以及含有催化层的对电极构成。此类电池具有成本低，制备工艺简单，较好的环境相容性等优点，有着很好的应用前景。但是目前实际的最高光电转换效率还不到12％，要实现染料敏化电池的产业化，还需要进一步提高太阳能电池的光电转换效率。
由于非晶硅禁带宽度的限制，使得一部分低于禁带宽度能量的光从非晶硅电池中透过而不能被有效的吸收利用，这就白白浪费了很多太阳光的能量，将会降低电池的光电转化效率。尽管国内外许多科研小组在染料敏化电池的提高效率方面做了大量工作，但是迄今为止效果还不是很显著。这是由于受到所用染料吸收太阳光谱的限制，难以与太阳光谱完全相匹配，因此，电池光电转换效率还不是很高。若将非晶硅太阳能电池与染料敏化电池结合起来，实现一种叠层结构的设计，可以充分利用太阳光的能量，以此提高太阳电池的光电转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服电池光电转换效率不高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，包括：
一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池；
以及一位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池；
所述的非晶硅太阳能电池包括最外层的透明衬底，次外层的透明导电氧化物层，以及里层的非晶硅半导体层组成；
所述的染料敏化电池从顶至底依次包括对电极、电解质以及半导体敏化光阳极；所述的对电极包括透明导电氧化物层以及附于其上的催化剂层；所述的半导体敏化光阳极从顶至底依次包括光敏化染料、透明导电氧化物层、以及基板；
其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过串联方式进行连接。
本发明还提供了一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，包括：
一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池；
以及一位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池；
所述的非晶硅太阳能电池包括最外层的透明衬底，次外层的透明导电氧化物层，以及里层的非晶硅半导体层组成；
所述的染料敏化电池从顶至底依次包括对电极、电解质以及
半导体敏化光阳极；所述的对电极包括缓冲层以及附于其上的催化剂层；所述的半导体敏化光阳极从顶至底依次包括光敏化染料、透明导电氧化物层、以及基板；
其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过串联方式进行连接。
本发明又提供了一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，包括：
一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池；
以及一位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池；
所述的非晶硅太阳能电池包括最外层的透明衬底，次外层的透明导电氧化物层，以及其里层的非晶硅半导体层组成；
所述的染料敏化电池从顶至底依次包括对电极、电解质以及半导体敏化光阳极；所述的对电极包括透明导电氧化物层以及附于其上的催化剂层；所述的半导体敏化光阳极从顶至底依次包括光敏化染料、透明导电氧化物层、以及基板；
其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过并联方式进行连接。
通过上述技术手段，本发明的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构能达到以下效果：
(1)、可以实现染料敏化电池来吸收近红外光；
(2)、所设计的叠层电池具有制作工艺简单，价格低廉的特点；
(3)、可以来解决常规的太阳能电池光电转换效率低，吸收太阳能光谱不够宽的问题；
(4)、可最大程度的提高太阳光能的利用，提高转换效率，降低光能损失。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明并联结构的非晶硅太阳能电池与染料敏化叠层电池结构电路示意图；
图2是本发明串联结构的非晶硅太阳能电池与染料敏化叠层电池结构电路示意图；
图3是本发明非晶硅太阳能电池与染料敏化叠层电池并联结构设计图；
图4是本发明非晶硅太阳能电池与染料敏化叠层电池串联结构设计图；
图5是本发明含有透明导电氧化物缓冲层的叠层电池串联结构设计图；
图6是本发明含有透明导电氧化物缓冲层的叠层电池电路示意图。
图中附图标记为：
1、非晶硅太阳能电池；                2、染料敏化电池；
101、透明衬底；                      102、透明导电氧化物层；
103、非晶硅半导体P层；               104、非晶硅半导体I层；
105、非晶硅半导体N层；               106、透明导电氧化物层；
107、透明衬底；                      201、透明导电氧化物层；
202、铂金催化剂层；                  203、电解质；
204、光敏化染料；                    205、透明导电氧化物层；
206、基板。
具体实施方式
下面给出本发明的较佳实施例，并结合附图予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
实施例1
图3是本发明非晶硅太阳能电池与染料敏化叠层电池结构示意图，包括顶部的可吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池1和底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池2。非晶硅太阳能电池1由最外层的透明衬底101及107、次外层的透明导电氧化物层102及106，以及非晶硅半导体层103-105组成，其中包括非晶硅半导体P层103，非晶硅半导体I层104，非晶硅半导体N层105。染料敏化电池2由对电极、位于最底层的半导体敏化光阳极及位于两电极之间的电解质203组成。其中对电极由透明导电氧化物层201及铂金催化剂层202组成。半导体敏化光阳极由基板206、透明导电氧化物层205和光敏化染料204组成。其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过并联方式进行连接，即非晶硅太阳能电池的正极连接染料敏化电池的正极，非晶硅太阳能电池的负极接对应的染料敏化电池的负极。图1为图3的等效电路连接图，可见两电池是并联关系。其中，正极接在透明导电氧化物层102和201上，负极接于透明导电氧化物层106和205上。
图3所示的上部非晶硅太阳能电池，所用透明衬底101、107的材料为导电玻璃基板。非晶硅半导体层103，104和105为通过等离子体化学气相沉积方法沉积的无定形硅薄膜，102、106的透明导电氧化物选择掺氟氧化锡(FTO)。
图3所示的底部染料敏化电池中，对电极的透明导电氧化物层201及半导体敏化光阳极的透明导电氧化物层205为透明导电玻璃，选择掺氟氧化锡(FTO)，并且201层附有一层铂金催化剂层202。电解质主要由起I-/I3 -组成，起到氧化还原作用。半导体敏化光阳极为二氧化钛光阳极，半导体薄膜电极吸附一层光敏化染料204，形成染料敏化的光阳极。染料为合成的染料或是天然染料，一般选择可以吸收长波方向低能光子太阳能量的黑染料(blackdye)。
实施例2
基本结构包括顶部的非晶硅太阳能电池1和底部的染料敏化太阳电池2。改变染料敏化电池染料的吸附量，使得染料敏化电池与非晶硅太阳能电池的短路电流基本相似，实现电流匹配，如图4所示，将非晶硅太阳能电池与染料敏化电池以串联方式进行连接，即非晶硅太阳能电池的透明导电氧化物层102作为正极外接电路，非晶硅太阳能电池的透明导电氧化物层106(负极)接染料敏化电池的透明导电氧化物层201(正极)，图2是图4的等效电路图，可知两电池通过串联的方式连接，染料敏化电池的透明导电氧化物层205作为负极外接电路。
非晶硅太阳能电池的基本结构与实施例1相同。
实施例3
基本结构包括顶部的非晶硅太阳能电池1和底部的染料敏化太阳电池2。改变染料敏化电池的染料的吸附量，实现两电池的电流匹配，将非晶硅太阳能电池与染料敏化电池以串联的方式进行连接，即非晶硅太阳能电池的负极接染料敏化电池的正极，非晶硅太阳能电池的正极外接电路，染料敏化电池的负极外接电路。其中，非晶硅太阳能电池P-I-N层的N层105与染料敏化电池的催化剂层202中间没有透明导电玻璃阻隔(实施例1中的107)，而是通过一层缓冲层3进行直接连接，如图5和图6所示，靠近染料敏化电池一侧的缓冲层3上附有铂金催化剂层202。缓冲层可选自氧化锌掺铝，铟锡氧化物，或透明的碳纳米管的一种或多种，本发明优选具有较高导电性能的铟锡氧化物(ITO)。
这类电池具有可以减少接触电阻，降低透明导电玻璃对光的吸收或散射等形成的光能损失，提高光电转换效率；同时在非晶硅太阳能电池与染料敏化电池之间节省了透明导电玻璃，可以降低叠层电池的成本。

Claims (10)

1.一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，包括：
一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池(1)；
以及一位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池(2)；
所述的非晶硅太阳能电池包括最外层的透明衬底(101)、(107)，次外层的透明导电氧化物层(102)、(106)，以及里层的非晶硅半导体层(103)-(105)；
所述的染料敏化电池(2)从顶至底依次包括对电极、电解质(203)以及半导体敏化光阳极；所述的对电极包括透明导电氧化物层(201)以及附于其上的催化剂层(202)；所述的半导体敏化光阳极从顶至底依次包括光敏化染料(204)、透明导电氧化物层(205)、以及基板(206)；
其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过串联方式进行连接。
2.根据权利要求1所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的透明衬底(101)、(107)为导电玻璃基板，所述的非晶硅半导体层(103)-(105)为通过等离子体化学气相沉积方法沉积的无定形硅薄膜，所述的非晶硅太阳能电池的透明导电氧化物层(102)、(106)以及染料敏化电池的透明导电氧化物层(201)、(205)为氟氧化锡，所述催化剂层(202)为铂金催化剂，所述的电解质(203)为I-/I3 -电解质，所述半导体敏化光阳极为二氧化钛。
3.根据权利要求1所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的光敏化染料为黑染料。
4.一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，包括：
一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池(1)；
以及一位与底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池(2)；
所述的非晶硅太阳能电池包括最外层的透明衬底(101)，次外层的透明导电氧化物层(102)，以及其里层的非晶硅半导体层(103)-(105)组成；
所述的染料敏化电池(2)从顶至底依次包括对电极、电解质(203)以及最底层的半导体敏化光阳极；所述的对电极包括缓冲层(3)以及附于其上的催化剂层(202)；所述的半导体敏化光阳极从顶至底依次包括光敏化染料(204)、透明导电氧化物层(205)、以及基板(206)；
其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过串联方式进行连接。
5.根据权利要求4所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的缓冲层可选自氧化锌掺铝，铟锡氧化物，或透明的碳纳米管的一种。
6.根据权利要求5所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的缓冲层为铟锡氧化物。
7.根据权利要求4-6任一所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的串联方式为：非晶硅太阳能电池的负极与所述染料敏化电池的正极串联，调整染料敏化电池中所吸附染料的种类与吸附数量，至染料敏化电池和非晶硅太阳能电池的电流相等，且两者电流匹配。
8.一种微晶硅电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，包括：
一位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池(1)；
以及一位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池(2)；
所述的非晶硅太阳能电池包括最外层的透明衬底(101)、(107)，次外层的透明导电氧化物层(102)、(106)，以及其里层的非晶硅半导体层(103)-(105)组成；
所述的染料敏化电池(2)从顶至底依次包括对电极、电解质(203)以及最底层的半导体敏化光阳极；所述的对电极包括透明导电氧化物层(201)以及附于其上的催化剂层(202)；所述的半导体敏化光阳极从顶至底依次包括光敏化染料(204)、透明导电氧化物层(205)、以及基板(206)；
其中，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过并联方式进行连接。
9.根据权利要求8所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的透明衬底(101)、(107)为导电玻璃基板，所述的非晶硅半导体层(103)-(105)为通过等离子体化学气相沉积方法沉积的无定形硅薄膜，所述的透明导电氧化物层(102)、(106)、(201)、(205)为氟氧化锡，所述催化剂层(202)为铂金催化剂，所述的电解质(203)为I-/I3 -电解质，所述半导体敏化光阳极为二氧化钛，所述的光敏化染料为黑染料。
10.根据权利要求8或9所述的非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，其特征在于，所述的并联方式为：所述非晶硅太阳能电池与所述的染料敏化电池的正极与正极、负极与负极分别相连，并且两者电压匹配。
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