CN101673778A - 一种薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池，其特点是该电池由P型硅(P－Si)层、N型硅(N－Si)层、氮化硅(Si₃N₄)层、宽带减反复合膜或光谱下转换纳米颗粒薄膜构成，其中宽带减反复合膜由七层厚度不同、折射率呈梯度变化的多层纳米薄膜材料叠加而成。本发明与现有技术相比具有极高的太阳能电池光电转换效率，制作工艺简单，生产成本低的优点，大大提高了太阳能电池的寿命、质量和性能，使我国的太阳能电池能进一步得到推广和应用。

Description

一种薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能光伏电池，具体地说是一种高光电转换效率的薄膜太阳能电池。

背景技术

太阳能电池是利用光生伏打效应直接把太阳辐射转化为电能的器件，当太阳光辐射到太阳能电池上时，电池就吸收光能，从而产生电子-空穴对，在电池的内建电场作用下，电子和空穴被电场分离，电池两端形成异性电荷积累，即产生“光生电压”，这就是所谓的“光生伏打效应”。若在内建电场的两端，用导线接上负载，负载就有“光生电流”通过，从而就有功率输出。在能源危机日益严重的今天，太阳电池由于洁净、资源永不枯竭、基本不受地理条件限制等特点日益受到关注。

太阳能电池自1960年代发展至今，技术一直在进步、发展，单晶硅太阳能电池转换效率已达到15％-24％。现在市场上提供的太阳能电池80％属于结晶硅和多晶硅太阳电池。由于现有技术的硅基太阳能电池制作成本高，只能使用在一些特殊的场合，如为卫星供电或边远地区通信塔使用等，无法大规模地发展其应用。目前，太阳能发电量只相当于全球发电总量的0.04％，要使太阳能发电得到大规模推广，就必须降低太阳能电池材料的成本或提高太阳能电池的效率及其寿命，从而提高其性价比，使太阳能电池发电，在成本与价格上，能与化石燃料能源发电相竞争。

从物理机制来说，传统单晶硅太阳能电池有两项不可避免的损耗，晶体硅能隙约1.1eV，波长大于1150nm的光无法吸收。太阳光谱中，能量高于1.1eV的光子，高于1.1eV的部分会转变成热，无法有效地转换成电能，且热能对器件的寿命可能造成不良影响。考虑到器件表面散射、反射等耗损，加上硅的高折射率，尤其在可见光范围内，总体上硅基太阳能电池对太阳能的利用率不到2/3，其反射损失可达40％以上，从而降低了器件的实际效率。另外对硅基太阳能电池，紫外光要么直接被渗漏出去，不被器件吸收，造成大量的浪费，要么被硅利用直接转化为热能，降低了太阳能电池的转化效率和使用寿命。研发高效率、长寿命、高稳定性太阳能电池技术是突破光伏产业发展瓶颈的关键，同时还需简化工艺、降低成本，制造出高效价廉的太阳能电池，从而使得太阳能电池能最终得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种薄膜太阳能电池，它可使紫外光转换为电池可吸收的可见光，实现对紫外光到电能的转换，大大提高了太阳能电池的光电转换效率以及太阳能电池的寿命、质量和性能。

实现本发明的的具体技术方案是：一种薄膜太阳能电池，其特点是该电池由P型硅(P-Si)层、N型硅(N-Si)层、氮化硅(Si3N4)层、宽带减反复合膜或光谱下转换纳米颗粒薄膜构成。

所述宽带减反复合膜由多层纳米薄膜材料叠加而成，膜层材料为Ag、Au、TiO2、MgO、SiO₂或类金刚石(DLC)，其制备采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、浸镀、旋涂或超声镀。

所述宽带减反复合膜为七层厚度不同、折射率呈梯度变化的多层结构膜，并在传统硅电池的氮化硅(Si₃N₄)上制备，折射率n＝1.0～3.0；厚度t＝60～200nm。

所述光谱下转换纳米颗粒薄膜材料为Si、ZnO、ZnS、CdS、InP、InAs、PbSe、CdSe CeO₂、Y₂O₃或Eu³⁺，其制备采用磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶法、化学镀、电化学镀、浸镀、旋涂或超声镀。

所述光谱下转换纳米颗粒薄膜由1～3nm的硅颗粒构成，其制备包括以下步骤：

(a)多孔硅层制备

采用稳压、恒流氧化法制备多孔硅层，其电流密度为5～50mA/cm2；氧化时间为2～2.5h；

(b)硅纳米颗粒制备

利用超声波将上述制备的多孔硅层从单晶硅表面剥离并粉碎，制得硅纳米颗粒粉末，粉碎时间为10～15min；

(c)硅纳米膜制备

利用旋涂法制备致密的硅(Si)纳米膜，其旋转速度为200～1000r/min。

本发明与现有技术相比具有极高的太阳能电池光电转换效率，制作工艺简单，生产成本低的优点，大大提高了太阳能电池的寿命、质量和性能，使我国的太阳能电池能进一步得到推广和应用。

附图说明

图1～图2为本发明结构示意图

图3为宽带减反复合膜结构示意图

具体实施方式

参阅附图1～附图2，本发明由P型硅(P-Si)层、N型硅(N-Si)层、氮化硅(Si₃N₄)层、宽带减反复合膜或光谱下转换纳米颗粒薄膜构成。

上述宽带减反复合膜为七层厚度不同、折射率呈梯度变化的多层结构膜，在可见光波段范围内其反射率∠4％；宽带减反复合膜采用包括：Ag、Au、TiO₂、MgO、SiO₂、类金刚石(DLC)、CdS的纳米材料；宽带减反复合膜的制备采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、浸镀、旋涂或超声镀。

上述光谱下转换纳米颗粒薄膜是离散的纳米硅颗粒薄膜，其材料包括：Si、ZnO、ZnS、CdS、InP、InAs、PbSe、CdSe CeO₂、Y₂O₃、Eu³⁺，制备采用磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶法、化学镀、电化学镀、浸镀、旋涂或超声镀。

参阅附图3，本发明中的宽带减反复合膜为七层厚度不同、折射率呈梯度变化的多层结构膜，它在传统硅电池上的制备按下述步骤进行：

(a)、将清洁好的硅太阳能电池置于磁控溅射系统的真空腔体中，在本底气压低于5×10^-4Pa之后，注入纯氩并调节腔体气压，气压稳定之后利用射频溅射TiO₂靶材制备宽带减反复合膜的第一层结构，其制备参数：溅射功率为150W，气压为0.3Pa，溅射时间为583s，薄膜厚度约为69nm；

(b)、调节气压至0.4Pa，稳定后射频150W溅射TiO₂靶材制备宽带减反复合膜的第二层结构，溅射时间为585s，控制薄膜厚度约为78nm；

(c)、保持气压至0.4Pa，射频150W溅射TiO₂靶材和SiO₂靶材制备宽带减反复合膜的第三层结构，溅射时间为340s，控制薄膜厚度约为81nm；

(d)、调节气压至0.5Pa，稳定后射频150W与射频200W溅射共溅射TiO₂靶材与SiO₂靶材制备宽带减反复合膜的第四层结构，溅射时间为430s，控制薄膜厚度约为101nm；

(e)、调节气压至0.7Pa，稳定射频150W与射频200W溅射共溅射TiO₂靶材与SiO₂靶材制备宽带减反复合膜的第五层结构，溅射时间为431s，控制薄膜厚度约为113nm；

(f)、调节气压至0.7Pa，稳定后射频250W溅射SiO₂靶材制备宽带减反复合膜的第六层结构，溅射时间为770s，控制薄膜厚度约为145nm；

(g)、调节气压至0.9Pa，稳定后275W溅射SiO2靶材制备宽带减反复合膜的第七层结构，溅射时间为624s，控制薄膜厚度约为156nm。

本发明的光谱下转换离散的纳米硅薄膜，在传统硅电池上的制备按下述步骤进行：

(a)、将P型(100)单晶硅外延片(电阻率10～20Ω·cm)先后在纯丙酮和无水乙醇溶液中采用超声波清洗10～20min，然后置入电子束蒸发镀膜设备中，在单晶硅片背面蒸镀一层厚度为2～3μm的纯铝层，蒸镀完毕，在500～550℃的温度中真空退火30min，形成良好的欧姆接触。

(b)、电解液采用浓度＞40％的氢氟酸(HF)和无水乙醇的混合，其溶液的体积比为2∶3，在氧化池中进行阳极氧化，单晶硅片为阳极，铂片为阴极，温度保持为0℃，避免光照。氧化采用稳压恒流方式，电流密度为5～50mA/cm²，氧化时间均为2h，制得多孔硅。氧化完成后，用去离子水反复淋洗，尽可能清除孔内的电解液，然后在大气中自然晾干，不同氧化电流制成的多孔硅表面颜色不同(其颜色呈棕红色、土黄色和淡黄绿色)。

(c)、将上述所制得到的多孔硅置入盛有10～20mL纯丙酮的玻璃瓶中，利用超声波将多孔硅层从单晶硅表面剥离并粉碎，粉碎时间为10～20min，此时的丙酮溶液呈胶体状，淡黄色，将此丙酮溶液经提纯、干燥制得硅纳米颗粒。

(d)、取2～5g上述制得的硅纳米颗粒粉末放入烧杯，并加入5～20mL的异丙醇0.1～0.2mM，超声分散制得硅(Si)纳米颗粒悬浮液备用。用滴管吸取Si悬浮缓慢滴在清洁好的标准硅太阳能电池表面，调整旋涂仪，使其转速为200～1000r/min进行旋转分散。待异丙醇蒸发后，制得致密的硅(Si)纳米膜。

本发明中的光谱下转换离散的纳米CdS薄膜，它在传统硅电池上的制备按下述步骤进行：

(a)、各取50～60ml的0.003～0.005mM醋酸镉、0.04～0.05mM醋酸铵、0.1～0.15mM硫脲和0.6～0.7mM氨水放入反应器中混合，然后将清洁的磁力搅拌子放入反应器并密封，再将密封好的反应容器置于40～50℃的水浴之中反应，并伴以磁力搅拌，反应时间为10～20min。反应结束后，反应液经蒸发、提纯后得到CdS固体颗粒备用。

(b)、取2～5g的CdS粉末放入烧杯，并加入5～20mL纯异丙基酒精溶液，超声分散制得CdS微粒悬浮液备用。

(c)、将制备好的宽带减反射膜层的电池置于旋涂仪上并固定，启动吸气装置并调整旋涂仪使转速设定在200～1000r/min，用滴管吸取CdS微粒悬浮液缓慢滴在宽带减反射膜层的表面进行旋转分散，待酒精蒸发后，制得致密的CdS纳米尺度粒子膜。

Claims (5)

1、一种薄膜太阳能电池，其特征在于该电池由P型硅(P-Si)层、N型硅(N-Si)层、氮化硅(Si₃N₄)层、宽带减反复合膜或光谱下转换纳米颗粒薄膜构成。

2、根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于所述宽带减反复合膜由多层纳米薄膜材料叠加而成，膜层材料为Ag、Au、TiO₂、MgO、SiO₂或类金刚石(DLC)，其制备采用磁控溅射、真空蒸发、化学镀、电化学镀、浸镀、旋涂或超声镀。

3、根据权利要求1或2所述薄膜太阳能电池，其特征在于所述宽带减反复合膜为七层厚度不同、折射率呈梯度变化的多层结构膜，并在传统硅电池的氮化硅(Si₃N₄)上制备，折射率n＝1.0～3.0；厚度t＝60～200nm。

4、根据权利要求1所述薄膜太阳能电池，其特征在于所述光谱下转换纳米颗粒薄膜材料为Si、ZnO、ZnS、CdS、InP、InAs、PbSe、CdSe CeO₂、Y₂O₃或Eu³⁺，其制备采用磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶法、化学镀、电化学镀、浸镀、旋涂或超声镀。

5、根据权利要求1或4所述薄膜太阳能电池，其特征在于所述光谱下转换纳米颗粒薄膜由1～3nm的硅颗粒构成，其制备包括以下步骤：

(a)多孔硅层制备

采用稳压、恒流氧化法制备多孔硅层，其电流密度为5～50mA/cm²；氧化时间为2～2.5h；

(b)硅纳米颗粒制备

利用超声波将上述制备的多孔硅层从单晶硅表面剥离并粉碎，制得硅纳米颗粒粉末，粉碎时间为10～15min；

(c)硅纳米膜制备

利用旋涂法制备致密的硅(Si)纳米膜，旋转速度为200～1000r/min。

Images