CN102315288A - 薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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邢政
张宝顺
杨辉
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Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池及其制备方法。该薄膜太阳能电池包括太阳能电池基体，该太阳能电池基体的采光面表面覆设有欧姆电极，其该采光面表面还覆设有石墨烯薄膜，使得采光面上未覆盖欧姆电极的采光区域与欧姆电极导通。该方法为：在覆设有欧姆电极的太阳能电池基体的采光面表面上再覆设石墨烯薄膜，使得太阳能电池基体表面未覆盖欧姆电极的采光区域与欧姆电极导通。与现有技术相比，本发明具有可以获得更低的太阳电池损耗电阻，更强的电流收集能力，从而提高了太阳电池的光电转换效率，同时，其制备工艺简单，易于规模化生产，适用于太阳电池等光电器件领域。

Description

薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能利用装置及其制造方法，尤其涉及一种具有较低损耗电阻的薄膜太阳能电池及其制备方法，属于光伏技术领域。  
背景技术
随着日益突出的能源匮乏和环境污染问题，对新能源的开发与利用显得十分紧迫。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭，而且无污染的新能源，受到人们越来越多的关注。 
太阳电池是一种可以将光能转换成电能的器件，当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；现已研制出的太阳电池可以分为：硅太阳电池，如单晶硅(C - Si) 、多晶硅(PC - Si) 和非晶硅(a - Si) 太阳电池；II-VI族化合物太阳电池,如CdTe 电池等；CuInSe薄膜太阳电池；级联电池，亦称叠层电池；III-V族化合物太阳电池，如GaAs、InP电池等。 
采用高倍聚光提高的光电转换效率，已经成为此领域的研究热点。在高倍聚光条件下，太阳电池的输出功率与电流密度大大增加，现在常见太阳电池采光面的金属电极多为细栅线与主收集电极组成，电流通过各细栅金属电极汇集后传输到主收集金属电极。从理论上说，这种电流的收集方式关系到电流收集的能力和损耗状况，直接与电池的效率息息相关。因此，如何合理构建电池表面结构，降低损耗电阻，提高电流收集能力，已经成为业界广泛关注的问题。  
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜太阳能电池及其制备方法，其利用高导电透明的石墨烯薄膜与金属栅线电极组合构建太阳电池表面结构，降低太阳能电池损耗电阻的方法以便提高太阳能电池对太阳光的利用效率，得到较高的光输出功率，实现较高的转换效率，从而克服了现有技术中的问题。 
为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案： 
一种薄膜太阳能电池，包括太阳能电池基体，所述太阳能电池基体的采光面表面覆设有欧姆电极，其特征在于：所述采光面表面还覆设有厚度在0.1nm-1000nm的石墨烯薄膜，使得采光面上未覆盖欧姆电极的采光区域与欧姆电极导通。
更具体的，所述欧姆电极是形成于太阳能电池基体采光面表面的导电欧姆接触栅条状结构层。 
所述欧姆电极的栅条状结构与石墨烯薄膜连通构成网状导通层。 
所述欧姆接触栅条结构层的厚度在1nm-5毫米。 
所述太阳能电池基体的结构形式至少选自单结、双结、三结和三结以上、双结级联式及双结以上级联式结构、复合双结级联式加双结级联式结构、复合三结级联式加单结结构、复合双结级联式加双结级联式加单结结构、复合三结级联式加双结级联式加单结结构。 
一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法为：在覆设有欧姆电极的太阳能电池基体的采光面表面再覆设石墨烯薄膜，使得太阳能电池基体表面未覆盖欧姆电极的采光区域与欧姆电极导通。 
进一步的讲，所述欧姆电极是形成于太阳能电池基体采光面表面的导电欧姆接触栅条状结构层，所述石墨烯薄膜与该导电欧姆接触栅条结构层连通，形成网状导通层。 
所述石墨烯薄膜是通过直接覆盖法或间接转移法被覆盖到太阳能电池基体的采光面表面的。 
所述欧姆接触栅条结构层的厚度在1nm-5毫米，其由无机导电材料和/或有机导电材料形成； 
所述无机导电材料至少选自金属、金属氧化物和导电非金属材料中的任意一种或一种以上，所述金属包括Al、Ni、Au、Pd、Ti、Zn、Pt、Ag、Cu、Cr、Ge、AuGe和NiAuGe，所述金属氧化物包括氧化铟、氧化锌、掺锡氧化铟、掺氟氧化铟、掺镓氧化锌、掺铝氧化锌和氟化掺锡氧化铟，所述导电非金属材料包括碳纳米管；所述有机导电材料选自聚合导电物质，但不仅限于以上材料。
所述太阳能电池基体的结构形式至少选自单结、双结、三结和三结以上、双结级联式及双结以上级联式结构、复合双结级联式加双结级联式结构、复合三结级联式加单结结构、复合双结级联式加双结级联式加单结结构、复合三结级联式加双结级联式加单结结构。 
与现有技术相比，本发明的优点在于：利用石墨烯薄膜的优良透明导电性能来降低太阳电池的损耗电阻，与传统工艺相比，具有更优的电流收集能力，且工艺过程实现简单，易于规模化生产，适用于太阳电池等光电器件领域。 
具体实施方式
针对现有技术的不足，本案发明人经长期研究和实践，提出了利用石墨烯薄膜的优良透明导电性能来降低太阳电池的损耗电阻，从而提高太阳能电池对太阳光的利用效率和电流收集能力，得到较高的光输出功率，实现较高的转换效率。 
具体的讲，本发明的技术方案是：对太阳能电池晶片（基体）采光面进行有效的处理后将石墨烯薄膜沉积或转移其上表面，使得未覆盖欧姆电极采光区域与欧姆接触栅条结构层（欧姆电极）有效地连通构成网状导通层，降低电池的损耗电阻，提高电池的使用效率。 
进一步地，本发明的技术方案包括：在吸收电磁波辐射光电转换的结构层上进行表面处理后制作完成导电要求的欧姆接触电极，之后将石墨烯薄膜制备到太阳电池采光窗口表面。 
更进一步地，所述导电前欧姆接触电极的可以是Al、Ni、Au、Pd、Ti、Zn、Pt、Ag、Cu、Cr、Ge、AuGe、NiAuGe、以及如氧化铟、氧化锌、掺锡氧化铟、掺氟氧化铟、掺镓氧化锌、掺铝氧化锌、氟化掺锡氧化铟等氧化物类材料、聚合导电物质、含有碳管的聚合导电物质等中一种或任意几种，但不仅限于上述材料。 
更进一步地，所述的导电欧姆接触电极材料可通过蒸发，或溅射、或激光沉积、或旋涂、或喷涂、或印刷、或化学气相、或化学液相等化学或物理沉积的方式制备。 
更进一步地，所述石墨烯薄膜制备可以采用化学沉积法、化学氧化剥离法、溶剂热法、机械剥离法、黏附剥离法、分离悬浮溶液旋涂法、悬浮溶液浸润法等但不仅限于上述所列制备方法的。 
更进一步地，石墨烯薄膜可以使用胶带剥离法制备的石墨烯是由HOPG、鳞片石墨层层剥离得到；溶剂热法的原料为金属钠、乙醇；反应温度为20℃-800℃；化学氧化剥离法是利用超声振荡的方式，还原剂为肼，对苯二酚，硼氢化钠。 
更进一步地，覆盖石墨烯薄膜可以直接沉积在电池的采光窗口区域或将制备出的石墨烯薄膜转移到电池的采光窗口区域。 
更进一步地，所述的石墨烯薄膜覆盖到电池衬底材料表面的方法可以使用将石墨烯悬浊液滴覆在有金属电极的电池片表面，然后进行旋涂，最后进行烘干。 
下面通过若干较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明，但本发明并不局限于此。以下各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所用试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。 
实施例1
 (1)按照太阳能电池的标准化工艺，对电池太阳能电池晶片进行有效处理，完成前采光区域电极的表面图形化制备、后电极的欧姆接触以及其他工艺的制备过程，金属电极的厚度可为1nm-5mm；
(2)采用Hummers 方法制备氧化石墨：在反应瓶中加入浓硫酸，3 g石墨粉和2 g硝酸钠的固体混合物，再加入6 g 高锰酸钾，反应温度20℃，搅拌反应一段时间，然后加入双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色，趁热过滤，并用5%HCl 溶液（体积百分比）和去离子水洗涤；
(3)将制备的氧化石墨分散于100 g 水溶液中，得到棕黄色的悬浮液，然后进行超声，时间1 h，得到稳定的氧化石墨烯胶状悬浊液。然后加入0.5 mL水合肼，90 °C 恒温反应24 h，得到稳定的石墨烯胶状悬浮液；
(4)将制备的石墨烯溶液滴在已经图形化的GaAs电池衬底采光区域的表面，进行旋涂，厚度在1nm-1μm之间，最后进行烘干，烘干温度在20℃-1000℃
实施例2
 (1)按照太阳能电池的标准化工艺，对电池太阳能电池晶片进行有效处理，完成前采光区域电极的表面图形化制备、后电极的欧姆接触以及其他工艺的制备过程，金属电极的厚度可为1nm-5mm；
(2)将制备出的石墨烯采用剥离氧化法分离，制备获得石墨烯的悬浊液，将其滴覆在有图形化的金属电极的电池片表面，然后进行旋涂，厚度在1nm-1μm之间，最后进行烘干，烘干温度在20℃-1000℃
实施例3
(1)按照太阳能电池的标准化工艺，对电池太阳能电池晶片进行有效处理，完成前采光区域电极的表面图形化制备、后电极的欧姆接触以及其他工艺的制备过程，金属电极的厚度可为1nm-5mm。
(2)将制备出石墨烯采用剥离超声法分离，制备获得石墨烯的悬浊液，将其滴覆在有图形化的金属电极的电池片表面，然后进行旋涂，厚度在1nm-1μm之间，最后进行烘干，烘干温度在20℃-1000℃。 本发明工艺制法及选材上具有多样性，以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的几个实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是材料的简单替换而形成的技术方案，只要是采用本发明具减反射效果的薄膜结构制备太阳能电池，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池，包括太阳能电池基体，所述太阳能电池基体的采光面表面覆设有欧姆电极，其特征在于：所述采光面表面还覆设有石墨烯薄膜，使得采光面上未覆盖欧姆电极的采光区域与欧姆电极导通。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述欧姆电极是形成于太阳能电池基体采光面表面的导电欧姆接触栅条状结构层。
3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述欧姆电极的栅条状结构与石墨烯薄膜连通构成网状导通层，所述石墨烯薄膜厚度在0.1nm-1000nm。
4.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述欧姆接触栅条状结构层的厚度在1nm-5mm。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池基体的结构形式至少选自单结、双结、三结和三结以上、双结级联式及双结以上级联式结构、复合双结级联式加双结级联式结构、复合三结级联式加单结结构、复合双结级联式加双结级联式加单结结构、复合三结级联式加双结级联式加单结结构。
6.一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法为：在覆设有欧姆电极的太阳能电池基体的采光面表面上再覆设石墨烯薄膜，使得太阳能电池基体表面未覆盖欧姆电极的采光区域与欧姆电极导通。
7.如权利要求6所述薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述欧姆电极是形成于太阳能电池基体采光面表面的导电欧姆接触栅条状结构层，所述石墨烯薄膜与该导电欧姆接触栅条结构层连通，形成网状导通层。
8.如权利要求6所述薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜是通过直接覆盖法或间接转移法被覆盖到太阳能电池基体的采光面表面，该石墨烯薄膜厚度在0.1nm-1000nm。
9.如权利要求7所述薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述欧姆接触栅条状结构层的厚度在1nm-5mm，其由无机导电材料和/或有机导电材料形成；
所述无机导电材料至少选自金属、金属氧化物和导电非金属材料中的任意一种以上，所述金属包括Al、Ni、Au、Pd、Ti、Zn、Pt、Ag、Cu、Cr、Ge、AuGe和NiAuGe，所述金属氧化物包括氧化铟、氧化锌、掺锡氧化铟、掺氟氧化铟、掺镓氧化锌、掺铝氧化锌和氟化掺锡氧化铟，所述导电非金属材料包括碳纳米管；所述有机导电材料选自聚合导电物质。
10.如权利要求6-8中任一项所述薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述太阳能电池基体的结构形式至少选自单结、双结、三结和三结以上、双结级联式及双结以上级联式结构、复合双结级联式加双结级联式结构、复合三结级联式加单结结构、复合双结级联式加双结级联式加单结结构、复合三结级联式加双结级联式加单结结构。
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