CN101694816A - 一种异质结和光电化学混合太阳能电池 - Google Patents

一种异质结和光电化学混合太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种属于太阳能电池和纳米材料应用技术领域的异质结和光电化学混合太阳能电池结构。其特征在于，所述的透明电极层、半导体纳米线阵列和电解溶液层两两接触，透明电极层与半导体纳米线阵列形成异质结太阳能电池，透明电极层、半导体纳米线阵列和电解溶液层共同形成光电化学太阳能电池。本发明提供的这种具有新型结构的太阳能转换装置，是由异质结太阳能电池和光化学电池混合而成，并同时具有两种电池的特征，光电转换效率高。

Description

一种异质结和光电化学混合太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种异质结和光电化学混合太阳能电池装置，属于太阳能电池和纳米材料应用技术领域。
背景技术
面对全球能源短缺危机和生态环境不断恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能源，从而实现能源工业和社会的可持续发展。其中，太阳能以其独有的优势而成为可再生能源的焦点。假如把地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率为5％，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。因而太阳能被认为是能源危机和生态环境恶化的最佳解决途径。
太阳能电池是通过半导体p-n结的光伏效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前商业化太阳能电池以单晶硅和非晶硅为主。当前，人们除了大量应用单晶硅太阳电池外[参见专利：专利号JP5243597-A；专利号KR2002072736-A]，还研制成功了多晶硅电池[参见专利：专利号US6307146-B1]、薄膜太阳电池等各种新型的电池[参见专利：专利号JP2002198549-A]，并且还在不断的研制各种新材料、新结构的太阳电池[参见专利：专利号DE19743692-A；DE19743692-A1]。在第三代低成本高转换效率的太阳能电池的研发竞赛种，纳米技术作为建造更好的太阳能电池的一种方法出现了。这些基于纳米材料开发的电池按照是否使用电解溶液，可以分为两类。
第一类是使用电解溶液的电池：1991年，瑞士洛桑高等理工学院Gratzel教授率先发明了二氧化钛纳米晶薄膜染料敏化太阳能电池[B.O’Regan，M.Gratzel，A low-cost，highefficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films.Nature 1911，353，737-740]，其光电能量转换率在AM1.5模拟日光照射下可达7.1％，接近了多晶硅电池的转换效率；2005年美国加州大学的杨培东教授课题组首次采用一维ZnO纳米线作为太阳能电池的阳极材料，该电池的光电转换效率可达1.5％[M.Law，L.E.Greene，J.C.Johnson，et al.Nanowiredye-sensitized solar cell.Nature Materials 2005，4，455-459]。2007年，美国圣母大学的Kamat等人将二氧化钛的纳米颗粒吸附于单壁碳纳米管上，利用碳纳米管来引导光生电荷的流动，使电荷更容易到达电极成为电流，结果发现太阳能电池紫外光转换为电流的效率为仅使用二氧化钛的两倍[A.KongKanand，R.M.Dominguez，P.V.Kamat，Single wall carbon nanotubescaffolds for photoelectrochemical solar cells.Capture and transport of photogenerated electrons.Nano letters 2007，7，676-680]。2008年，中国北京师范大学彭奎庆教授发明了基于硅纳米线的光电化学太阳能电池[参见专利：专利号CN101262019A]。
第二类是不使用电解质溶液的电池。2005年以来，彭奎庆等人先后发明了了大面积纳米硅线制备技术和太阳能电池技术[参见：中国专利CN 1382626；中国专利申请号2005100117533；中国专利申请号CN200810084205.7；Kuiqing Peng，Mingliang Zhang，AijiangLu，NingBew Wong，Ruiqin Zhang，Shuit-Tong Lee.Ordered Si nanowire arrays via NanosphereLithography and Metal-induced etching.Applied Physics Letters 2007，90，163123]。2008年，彭奎庆等人还发明了用铂颗粒修饰的硅纳米线光电化学太阳能电池[参见专利：专利号CN101369493A]。2007年以来，韦进全等人发明并改进了碳纳米管/硅异质结太阳能电池[参见：中国专利CN 1996620；Jinquan Wei，Yi Jia，Qinke Shu，Zhiyi Gu，Kunlin Wang，DamingZhuang，Gong Zhang，Zhicheng Wang，Jianbin Luo，Anyuan Cao，Dehai Wu.Double-walled carbonnanotube solar cell.Nano letters 2007，7，2317-2321；Yi Jia，Jinquan Wei，Kunlin Wang，AnyuanCao，Qinke Shu，Xuchun Gui，Yanqiu Zhu，Daming Zhuang，Gong Zhang，Beibei Ma，Liduo Wang，Wenjin Liu，Zhicheng Wang，Jianbin Luo，Dehai Wu.Nanotube-Silicon Heterojunction Solar Cells.Advanced materials 2008，20，4594-4598.]，其转换效率最高可以达到7％。
在以上两类太阳电池模型存在的不足之处在于：当使用具有半导体纳米线阵列层的结构时，如果只形成异质结电池，则很难利用半导体纳米线之间的空间，导致结面积不高，从而导致电池效率不高；如果形成传统的光电化学电池，则透明电极层和纳米半导体层之间的电解溶液层将增大电池的内阻，从而导致电池效率不高。
针对以上问题，我们设计了一种异质结和光电化学混合太阳能电池。这种电池在传统的光电化学电池的基础上，将透明电极层、纳米半导体层和电解溶液层两两接触。这种特别的结构，使得透明电极层和纳米半导体层形成异质结太阳能电池，属于上述第一类电池；同时，透明电极层、纳米半导体层和电解溶液层形成光电化学电池，属于上述第二类电池。这种异质结和光电化学混合太阳能电池兼具上述两类电池的特点，不仅充分利用了半导体纳米线之间的空间，形成更大的结面积，而且降低了由电解溶液层带来的内阻，从而具有更高的光电转换效率。
为了说明这种新型结构的优势，我们选用硅纳米线阵列作为半导体纳米线阵列层，选用碳纳米管薄膜作为透明电极层，选用含有HBr和Br2的溶液作为电解溶液，并进行了相应的实验。实验结果显示：如果不滴加含有HBr和Br2的溶液作为电解溶液，仅仅将碳纳米管薄膜和硅纳米线阵列相接触，则只能形成异质结电池，且光电转换效率小于0.1％；如果滴加含有HBr和Br2的溶液作为电解溶液，但不使碳纳米管薄膜和硅纳米线阵列相接触，则只能形成光电化学电池，且光电转换效率仅为0.7％。当我们将碳纳米管薄膜、硅纳米线阵列和电解溶液两两接触时，则形成异质结和光电化学混合太阳能电池，使光电转换效率提高到1.29％。
发明内容
本发明目的是设计一种光电转换效率高的异质结和光电化学混合太阳能电池结构。
本发明提出的一种异质结和光电化学混合太阳能电池结构，其结构从下至上依次含有：Ag层(1)、Pd(2)层、Ti(3)层、半导体基底层(4)，在半导体基底层的上表面的中心区域有刻蚀出的半导体纳米线阵列(5)；在半导体基底层的上表面没有半导体纳米线阵列的边缘区域，是绝缘封闭层(6)；绝缘封闭层之上是透明电极层(7)，透明电极层同时和半导体纳米线阵列接触；绝缘封闭层中心是电解溶液层(8)；透明电极层上面是透明封装材料层(9)。其中，Ag层、Pd、Ti共同形成电池的下电极层；电解溶液层中的电解液会渗入半导体纳米线阵列中。该结构的特征是：所述的透明电极层、纳米半导体层和电解溶液层两两接触，透明电极层与纳米半导体层形成异质结太阳能电池，透明电极层、纳米半导体层和电解溶液层共同形成光电化学电池。
本发明使用单面中心具有半导体纳米线阵列的半导体基体。在有半导体纳米线阵列的一面覆盖电池的绝缘封闭层，其中，绝缘封闭层只覆盖到半导体基底层边缘没有半导体纳米线阵列的部分；用热蒸镀技术在该半导体基底层没有半导体纳米线阵列的一面先后沉积Ti、Pd、Ag金属层形成欧姆接触电极。将透明电极层和电解溶液层组装到半导体纳米线阵列上，并使得透明电极层、半导体纳米线阵列和电解溶液层两两接触；然后，用透明封装材料层对电池进行封装，便得到一个单片的异质结和光电化学混合太阳能电池。这种异质结和光电化学混合太阳能电池兼具异质结太阳能电池和光电化学太阳能电池的特点，不仅充分利用了半导体纳米线之间的空间，形成更大的结面积，而且降低了由电解溶液层带来的内阻，从而具有更高的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的异质结和光电化学混合太阳能电池结构示意图。
1-Ag层
2-Pd层
3-Ti层
4-半导体基底层
5-半导体纳米线阵列
6-绝缘封闭层
7-透明电极层
8-电解溶液层
9-透明封装材料层
图2为本发明的的对比方案之一的结构示意图。
1-Ag层
2-Pd层
3-Ti层
4-半导体基底层
5-半导体纳米线阵列
6-绝缘封闭层
7-透明电极层
8-电解溶液层
9-透明封装材料层
图3为本发明的的对比方案之二的结构示意图。
1-Ag层
2-Pd层
3-Ti层
4-半导体基底层
5-半导体纳米线阵列
6-绝缘封闭层
7-透明电极层
8-透明封装材料层
具体实施方式
实施例1
使用单面中心具有硅纳米线阵列的单晶n型硅片；在有硅纳米线阵列的一面覆盖电池的绝缘封闭层，其中，绝缘封闭层只覆盖到硅片边缘没有硅纳米线阵列的部分；用热蒸镀技术在该硅片没有硅纳米线阵列的一面先后沉积Ti、Pd、Ag金属层形成欧姆接触电极。将50nm厚的碳纳米管薄膜铺展在硅纳米线阵列上，其边缘铺在绝缘封闭层上。在碳纳米管薄膜和硅纳米线阵列接触的地方，滴加含有溴(3％)和溴化氢(40％)的电解溶液，该电解溶液通过碳纳米管薄膜的空隙渗透到硅纳米线阵列的空隙中，实现碳纳米管薄膜、硅纳米线阵列和电解溶液两两接触；然后，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)层对电池进行封装，便得到一个单片的异质结和光电化学混合太阳能电池。该电池不仅充分利用了硅纳米线阵列中的空间，形成更大的结面积，而且降低了由电解溶液层带来的内阻，从而达到1.29％的转换效率。
比较例1
使用完全相同的材料，但使用附图2所示结构，即透明电极层(7)不和半导体纳米线阵列(5)接触。具体如下。使用单面中心具有硅纳米线阵列的单晶n型硅片；在有硅纳米线阵列的一面覆盖电池的绝缘封闭层，其中，绝缘封闭层只覆盖到硅片边缘没有硅纳米线阵列的部分；用热蒸镀技术在该硅片没有硅纳米线阵列的一面先后沉积Ti、Pd、Ag金属层形成欧姆接触电极。在硅纳米线阵列上滴加含有溴(3％)和溴化氢(40％)的电解溶液，该电解溶液渗透到硅纳米线阵列的空隙中；将50nm厚的碳纳米管薄膜铺展在聚二甲基硅氧烷(PDMS)层上，再将铺有碳纳米管薄膜的聚二甲基硅氧烷层整体盖在绝缘封闭层上面，便得到一个单片光电化学太阳能电池。其中，碳纳米管薄膜和硅纳米线阵列不接触。该电池中的电解溶液层增大了电池的内阻只得到0.7％的光电转换效率。
比较例2
但使用附图3所示结构，即不使用电解溶液层。具体如下。使用单面中心具有硅纳米线阵列的单晶n型硅片；在有硅纳米线阵列的一面覆盖电池的绝缘封闭层，其中，绝缘封闭层只覆盖到硅片边缘没有硅纳米线阵列的部分；用热蒸镀技术在该硅片没有硅纳米线阵列的一面先后沉积Ti、Pd、Ag金属层形成欧姆接触电极。将50nm厚的碳纳米管薄膜铺展在硅纳米线阵列上，其边缘铺在绝缘封闭层上。然后，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)层对电池进行封装，便得到一个单片的异质结太阳能电池。该电池没有充分利用了硅纳米线阵列中的空间，使得结面积很小，光电转换效率小于1％。

Claims (1)

1.一种异质结和光电化学混合太阳能电池，该太阳能电池结构从下至上依次含有：Ag层(1)、Pd(2)层、Ti(3)层、半导体基底层(4)，在半导体基底层的上表面的中心区域有刻蚀出的半导体纳米线阵列(5)；在半导体基底层的上表面没有半导体纳米线阵列的边缘区域，是绝缘封闭层(6)；绝缘封闭层之上是透明电极层(7)，透明电极层同时和半导体纳米线阵列接触；绝缘封闭层中心是电解溶液层(8)；透明电极层上面是透明封装材料层(9)；其中，Ag层、Pd、Ti共同形成电池的下电极层；电解溶液层中的电解液会渗入半导体纳米线阵列中；其特征是在于：所述的透明电极层、纳米半导体层和电解溶液层两两接触，透明电极层与纳米半导体层形成异质结太阳能电池，透明电极层、纳米半导体层和电解溶液层共同形成光电化学电池。
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