CN102244111B

CN102244111B - 一种薄膜太阳能电池

Info

Publication number: CN102244111B
Application number: CN201110175145.1A
Authority: CN
Inventors: 郑分刚; 曹大威; 王春燕; 沈明荣
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: CN102244111A

Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池，从上到下依次包括ITO导电玻璃、PZT薄膜层、Cu₂O薄膜层和金属电极，所述PZT薄膜层设于ITO导电玻璃的导电面上；所述金属电极与Cu₂O薄膜层形成欧姆接触；所述ITO导电玻璃的导电面与PZT薄膜层构成肖特基接触结构；所述金属电极和ITO导电玻璃的导电面构成太阳能电池的正负电极结构。本发明得到了Cu₂O/PZT/ITO结构的薄膜太阳能电池，该电池具有较高的短路电流和光电转换效率，相比普通的PZT/ITO结构的薄膜太阳能电池，本发明的电池的短路电流提高了40~130倍，可达6.32mA/cm²，取得了意想不到的效果。

Description

一种薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种薄膜太阳能电池。

背景技术

能源是为人类的一切活动提供不同种类能量的资源，是人类社会最重要的基础资源之一，可以说是与人类的现在与未来密不可分的一种物质，因此备受人们关注。作为清洁型能源中的太阳能以其覆盖面广、环境限制低，又无需运输等优点而成为人们关注的焦点。

目前，太阳能的开发与利用主要分为热能利用以及光能利用，太阳能热能利用是指通过利用阳光加热水产生蒸汽等方式以利用其内能；光能利用是指用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利用。因电能更易储存和输送，将太阳能转化为电能更有利于人们对太阳能的综合利用。因此，太阳能电池在近几十年中成为了各国研发的热点。

传统的固态太阳能电池主要有：晶体硅（单晶和多晶）太阳能电池、非晶/微晶硅薄膜太阳能电池和化合物太阳能电池（GaAs，CIGS）。这些固态太阳能电池有正-负极联接——正极半导体层和负电子层之间的联接。这些联接层是光伏效应的关键，当太阳能电池吸收来自太阳的光子时，光子的能量会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗竭区内被分开，也就是微小的正-负联接区，然后被收集为电力。然而，这个过程需要光子穿透耗尽区的物质。他们的能量也必须精确地匹配半导体的电子能带隙能量，也就是半导体价带和传导能带之间的差距，导带与价带之间没有电子状态的存在。传统固态光电器件可以产生的最大电压等于其电子能隙，即使是所谓的串联细胞——其中有一些半导体正-负联结的堆积，其能产生的光电电压也是有限的，因为光穿透的深度是有限的。半导体的光生伏打效应是由宏观不均匀性造成的，产生光伏电压一般不超过半导体的禁带宽度（一般为数伏）。

另一方面，由于铁电材料具有完全不同于半导体的反常光生伏打效应：均匀铁电晶体在均匀光照下出现稳态短路光生电流或开路电压的现象，光伏电压不受晶体禁带宽度(Eg)的限制，可比Eg高2~4个数量级，达10³~10⁵ V/cm。正是由于铁电材料的这种超过千伏的输出光电压和将光能转换为电能的性质，使其在光传感器、光驱动器、铁电光伏电池等领域具有重要的应用前景。另外，铁电材料的光吸收区域是整个材料内部，而不仅仅局限于耗尽区，大大增加了光吸收，有利于产生更多的电子-空穴对；材料内部产生的电子-空穴对可以被铁电材料的退极化场分离开来。

目前，已在钛酸钡、铌酸锂、钛酸铅、铋铁氧系等铁电材料中发现了光伏效应。传统的铁电薄膜太阳能电池结构为金属电极/铁电薄膜/金属电极结构；在铁电薄膜的上、下两个界面处都存在着金属/薄膜肖特基势垒，该上、下界面肖特基势垒形成的内建电场的方向总是相反的，从而导致总的内建电场的减小。

文献（ITO衬底上PZT膜的性能研究，江苏石油化工学院学报，Vol.11 No.3，P48~51）公开了一种在ITO衬底上旋涂PZT膜的结构，可取代昂贵的Pt衬底作铁电薄膜的性能研究。然而，由于PZT薄膜具有较大的禁带宽度（3.5eV左右），只能吸收太阳光谱中紫外光，而太阳光中紫外光的功率只占整个太阳光谱的5%左右；而且其导电能力较差（常温下小于20mA/cm²），因此其光电转换效率通常较低，一般在0.01%以下。

发明内容

本发明目的是提供一种薄膜太阳能电池。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种薄膜太阳能电池，从上到下依次包括ITO导电玻璃、PZT薄膜层、Cu₂O薄膜层和金属电极，所述PZT薄膜层设于ITO导电玻璃的导电面上；所述金属电极与Cu₂O薄膜层形成欧姆接触；所述ITO导电玻璃的导电面与PZT薄膜层构成肖特基接触结构；所述金属电极和ITO导电玻璃的导电面构成太阳能电池的正负电极结构。

上文中，所述ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜加工制作成的，是现有技术。

所述PZT薄膜层是指锆钛酸铅薄膜层，所述PZT是将醋酸铅、钛酸丁酯、锆酸丁酯等按一定化学计量比溶解在醋酸和乙二醇甲醚混合中，形成溶胶，利用甩膜的方法制备而成。所得的PZT薄膜具有铁电效应。

所述ITO导电玻璃的导电面作为与金属电极相对的另一电极，ITO与PZT接触形成肖特基势垒，该内建电场的方向由PZT薄膜指向ITO导电玻璃的导电面；ITO导电玻璃的导电面作为电极的同时，让光通过电极照射入电池内部。金属电极与Cu₂O之间形成欧姆接触。

所述ITO导电玻璃的导电面作为与金属电极相对的另一电极，其与金属电极一起构成太阳能电池的正负电极结构。

上述技术方案中，所述PZT薄膜层的厚度为200~400 nm。

上述技术方案中，所述Cu₂O薄膜层为n型。

本发明的设计机理为：Cu₂O的禁带宽度在2.2~2.8eV，能够吸收太阳光谱中的短波长可见光；并且Cu₂O作为半导体材料，其导电能力要比铁电薄膜强得多；更重要的是，高载流子浓度的Cu₂O与金属电极可以形成欧姆接触。因此在PZT薄膜上增加一层Cu₂O薄膜，形成PZT/Cu₂O复合薄膜，既可以吸收利用部分短波长可见光，又可以消除一个界面的肖特基势垒（PZT/ITO界面仍然为肖特基接触，Cu₂O/Ag界面为欧姆接触），从而提高内建电场的大小。另外，如果Cu₂O的导电类型是n型，在PZT/Cu₂O的界面处形成异质结的电场方向与PZT/ITO界面肖特基势垒的电场方向是一致的。

综上所述，本发明利用Cu₂O薄膜，从两个方面着手提高铁电薄膜太阳能电池的效率：一是增强薄膜内部的内建电场；二是增加光吸收，提高太阳光的利用效率。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明在PZT薄膜层上设置了Cu₂O薄膜层，构成了Cu₂O/PZT/ITO的结构，该结构的薄膜太阳能电池具有较高的短路电流和光电转换效率，相比普通的PZT/ITO结构的薄膜太阳能电池，本发明的电池的短路电流提高了40~130倍，可达6.32 mA/cm²，取得了意想不到的效果。

2．本发明的电池结构简单，易于制备，适于推广应用。

附图说明

附图1是本发明实施例一的结构示意图；

附图2是本发明实施例一、二和对比例一中电池样品的XRD图；（未作金属电极）

附图3是本发明实施例一、二和对比例一中电池样品的透射谱图；（未作金属电极）

附图4是本发明实施例一、二和对比例一中电池样品的电滞回线图；

附图5是本发明实施例一、二和对比例一中电池样品的开路电压-时间特性曲线图；

附图6是本发明实施例一、二和对比例一中电池样品的短路电流-时间特性曲线图；

附图7是本发明实施例一中电池样品的光电流密度-电压特性曲线图。

其中：1、PZT薄膜层；2、Cu₂O薄膜层；3、金属电极；4、导电面；5、ITO导电玻璃。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

参见附图1~7所示，在玻璃上沉积ITO薄膜，构成ITO导电玻璃，其透光率大于85%，表面电阻为90 Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/glass；在ITO/glass上用sol-gel法沉积320 nm厚的PZT薄膜，经过580℃氧气下退火，形成多晶PZT薄膜；接着，在PZT/ITO/glass上用磁控溅射沉积n型的Cu₂O，厚度为80nm，形成Cu₂O/PZT/ITO/glass结构。

测试Cu₂O/PZT/ITO/glass的XRD（如图2中的曲线2），PZT薄膜为纯铁电相，（100）择优取向，并且有Cu₂O的相存在。

测试Cu₂O/PZT/ITO/glass透射谱（如图3中的曲线2），吸收截止波长为430nm左右。该样品的吸收光谱比对比例一中的样品吸收光谱要宽。

然后用磁控溅射在PZT/ITO/glass上沉积上金属电极Ag，即形成薄膜太阳能电池。

测试电池样品的电滞回线（如图4中的曲线2），表现为铁电材料典型的电滞回线，该样品的剩余极化与对比例一中的样品差别不大。在AM1.5光照射下，光从ITO导电玻璃照射入电池，测试电池样品的短路电流（如图5中的曲线2）和开路电压（如图6中的曲线2），分别为6.32 mA/cm²和0.51 V。样品的光伏电流-电压曲线如图7所示，填充因子为0.38，光电转换效率为1.25%。

实施例二

在玻璃上沉积ITO薄膜，透光率大于85%，表面电阻为90 Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/glass；在ITO/glass用sol-gel法沉积240nm厚的PZT薄膜，经过580℃氧气下退火，形成多晶PZT薄膜；接着在PZT/ITO/glass上用磁控溅射沉积n型的Cu₂O，厚度为160nm，形成Cu₂O/PZT/ITO/glass结构。

测试Cu₂O/PZT/ITO/glass的XRD（如图2中的曲线3），PZT薄膜为纯铁电相，（100）择优取向，并且有Cu₂O的相存在。

测试Cu₂O/PZT/ITO/glass透射谱（如图3中的曲线3），吸收截止波长为450nm左右。该样品的吸收光谱比实施例一中的样品的吸收光谱更宽一些。

然后用磁控溅射在PZT/ITO/glass上沉积上电极Ag，即形成太阳能电池。

测试电池样品的电滞回线（如图4中的曲线3），表现为铁电材料典型的电滞回线；但是由于PZT薄膜厚度减小、样品漏电流增加，剩余极化有所减小。在AM1.5光照射下，光从ITO导电玻璃照射入电池，测试电池样品的短路电流（如图5中的曲线3）和开路电压（如图6中的曲线3），分别为2.3 mA/cm²和0.42 V。

对比例一

在玻璃上沉积ITO薄膜（ITO/glass），透光率大于85%，表面电阻为90 Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/glass；在ITO/glass用sol-gel法沉积400nm厚的PZT薄膜，经过580℃氧气下退火（超过这个温度，玻璃将融化），形成多晶PZT薄膜（一般认为多晶PZT薄膜具有p型或n^-型半导体特征）。

测试PZT/ITO/glass的XRD（如图2中的曲线1），PZT薄膜为纯铁电相，并且是（100）择优取向。

测试PZT/ITO/glass透射谱（如图3中的曲线1），吸收波长为330nm左右。

然后用磁控溅射在PZT/ITO/glass上沉积上金属电极Ag，即形成太阳能电池。

测试电池样品的电滞回线（如图4中的曲线1），表现为铁电材料典型的电滞回线。在AM1.5光照射下，光从下电极照射入电池，测试电池样品的短路电流（如图5中的曲线1）和开路电压（如图6中的曲线1），分别为0.05 mA/cm²和0.56 V。

可见，与对比例一相比，本发明的薄膜太阳能电池具有较高的短路电流，短路电流提高了40~130倍，实施例一的短路电流可达6.32 mA/cm²，取得了意想不到的效果。

Claims

1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于：从上到下依次包括ITO导电玻璃(5)、PZT薄膜层(1)、Cu₂O薄膜层(2)和金属电极(3)，所述PZT薄膜层设于ITO导电玻璃的导电面(4)上；

所述金属电极与Cu₂O薄膜层形成欧姆接触；所述ITO导电玻璃的导电面与PZT薄膜层构成肖特基接触结构；所述金属电极和ITO导电玻璃的导电面构成太阳能电池的正负电极结构。

2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述PZT薄膜层的厚度为200~400 nm。

3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述Cu₂O薄膜层为n型。