CN102332479A - 叠层薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种太阳能电池，特别是一种叠层薄膜太阳能电池。所述叠层薄膜太阳能电池，是一种层状结构，其包括阳极(2)和阴极(5)，在阳极(2)和阴极(5)之间设有两层光敏半导体，其中一层是氧化铅(3)，另一层是金属硫族化合物(4)，在阳极(2)的外面设有基片(1)。本发明的积极效果如下：氧化铅的导电带值与价电带值都同比金属硫族化合物的导电带值与价电带值要大，这种特性有效地帮助因光伏作用在氧化铅里产生的电子流向金属硫族化合物的导电带，而且此特性也在帮助泄露电流的有效最小化；本发明是一种低成本，无剧毒材料的高转换效率的光伏电池。

Description

叠层薄膜太阳能电池
技术领域
本发明是一种太阳能电池，特别是一种叠层薄膜太阳能电池。
背景技术
太阳能电池也称光伏电池，它是一种利用光伏作用直接把太阳光转换成电能的一种电子装置。太阳能电池利用其中的半导体材料吸收太阳光并转换成电能。太阳能电池需要在半导体材料的两端设置两个电极，一端是阳极另一端是阴极。以上所说的半导体材料加上两个电极，便被称为太阳能电池。当两个电极与外部负载接触时，太阳能电池所产生的电流可以被外部负载所用。
目前常用的光伏电池分为两大类，第一类为晶硅电池，包括多晶硅与非晶硅，第二类为薄膜电池，包括铜铟镓硒(CIGS)与碲化镉(CdTe)。晶硅电池中硅材料的制造耗能较大，导致硅材料的成本高昂。薄膜电池中铜铟镓硒与碲化镉的生产过程，都运用到了剧毒材料，如铜铟镓硒制造过程中用到氢化硒(H(2)Se)，碲化镉制造过程中用到镉，剧毒材料对环境会造成严重的污染。
所述氧化铅(3)与金属硫族化合物(4)以pn异质结结合，其中金属硫族化合物(4)可以是n型半导体，氧化铅(3)可以是p型半导体，两种半导体的结合构成了p-n异质结；pn异质结的结合方式，使金属硫族化合物(4)中的元素可以自然地扩散到氧化铅(3)内，使氧化铅(3)内掺杂有另外一种金属和/或一种硫族元素，其掺杂后的化学配比为PbwAxOyBz，其中w＝0.1-0.5，x＝0-0.25，y＝0.5-0.9，z＝0-0.25，其中A代表以下金属：镉，铜，镓，铟，锌，锡；B代表以下硫族元素：硫，硒，碲。氧化铅P型半导体以空穴为多数载流子，电子为少数载流子，氧化铅的费米能级离价电带的距离比离导电带的距离要近；金属硫族化合物，例如硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硫化铟(InS)，其费米能级离导电带的距离比离价电带的距离要近，并且它的多数载流子为电子，少数载流子为空穴，这两种材料的直接接触使pn异质结形成，pn结的内建电场使电子和空穴有方向性的向相反方向流动，空穴向氧化铅方向流动，电子向金属硫族化合物方向流动。
所述氧化铅(3)与金属硫族化合物(4)形成两个相邻层，此相邻层可以为平行相邻层，也可为无规则相邻层。
所述氧化铅(3)为晶体和多晶，氧化铅(3)的化学配比是PbxOy，x＝0.1-0.5，y＝0.5-0.9；所述金属硫族化合物(4)的化学配比是AxBy，其中A代表以下金属：镉(Cd)，铜(Cu)，锌(Zn)，铟(In)，锡(Sb)，镓(Ga)；B代表以下硫族元素：硫(S)，硒(Se)，碲(Te)，x＝1-3，y＝1-3。氧化铅(3)的能带隙取决于x/y的比率，在此比率小于2大于1时，PbxOy的能带隙会在2.5eV-1.2eV之间，以此为基准能带隙的宽度就可以透过调整x/y比率从而可以使氧化铅金属硫族异质结得到有效地优化，氧化铅的能带隙值为1.4eV，利用肖克利-奎赛尔法计算，最高光电转换效率可以达到25％。
所述金属硫族化合物(4)可以为：硫化镉(CdS)，硫化锌(ZnS)，硫化铟(InS)，硫化铜(CuS)，硒化镉(CdSe)，碲化镉(CdTe)，碲化铟(InTe)，硒化铟(SeIn)。
所述阳极(2)可以是下列材料：金、银、钼、钢、氟化氧化锡；所述阴极(5)可以是下列材料：金、铝、钙、银、镁、铟锡氧化物；所述基片(2)可以是下列材料：钢、玻璃、高分子聚合物。
所述阳极(2)与阴极(5)至少有一极为透明材料。
所述阳极(2)与阴极(5)至少有一极有足够厚度给予电池物理支撑，在这种情况下，可以省略基片(1)。
所述叠层薄膜太阳能电池，可以利用以下方式制造：真空蒸镀、真空溅镀、化学气相沉积、纳米粒子沉积、化学池沉积。
所述氧化铅(3)的晶体大小在200-2000纳米之间，金属硫族化合物(4)的晶体大小在100-500纳米之间。
本发明的积极效果如下：氧化铅的导电带值与价电带值都同比金属硫族化合物的导电带值与价电带值要大。这种特性有效地帮助因光伏作用在氧化铅里产生的电子流向金属硫族化合物的导电带，同样也帮助金属硫族化合物中的空穴流向氧化铅的价电带，这种扩散电流的产生给予净电流的贡献是不可忽视的，而且此特性也在帮助泄露电流的有效最小化。本发明是一种低成本，无剧毒材料的高转换效率的光伏电池，
附图说明
图1是本发明结构图
图2是金属硫族化合物与氧化铅平行结合图
图3是金属硫族化合物与氧化铅无规则结合图
图中：1基片            2阳极         3氧化铅
      4金属硫族化合物  5阴极
具体实施方式
在具体实施中，本发明按基片1、阳极2、氧化铅3、金属硫族化合物4、阴极5的顺序，可以有以下叠层排列：
一.钢层，钼层，氧化铅层，硫化镉层，铟锡氧化物层。
二.玻璃层，钼层，氧化铅层，硫化镉层，铟锡氧化物层。
三.钢层，钼层，氧化铅层，硫化锌层，铟锡氧化物层。
四.玻璃层，钼层，氧化铅层，硫化锌层，铟锡氧化物层。
五.钢层，钼层，氧化铅层，硫化铟层，铟锡氧化物层。
六.玻璃层，钼层，氧化铅层，硫化铟层，铟锡氧化物层。
七.玻璃层，氟化氧化锡层，氧化铅层，硫化镉层，金层。
本发明可以利用本领域技术人员所熟知的物理气相沉积方法例如真空溅镀法。可以选择1毫米钢片作为基片，放置在真空舱中，先用钼制靶材在真空压力10-3Pa，溅镀100纳米形成阳极；氧化铅层需要在含氧真空舱内在250摄氏度溅镀500纳米；金属硫族化合物例如硫化镉可用硫化镉靶材在300摄氏度沉积200纳米；阴极例如铟锡氧化物(ITO)可以在200摄氏度沉积100纳米。
本发明的半导体异质结的电子性能，受材料晶体化程度的直接影响，晶体化程度越高，或者说晶体颗粒越大，代表着电子性能就越好，并且会直接体现在光电转换效率的提高。本专利涉及到的阳极为空穴收集的一极，阴极为电子收集的一极。基于以上定义阳极与氧化铅层直接相邻，阴极与金属硫族化合物直接相邻。阴极与阳极所用的材料可以是金属，合金或宽能带隙导电氧化金属。至少有一极必须透明，使光可以透过它到达光敏半导体异质结层致使有效地发电。为了使内建电厂不因阴阳极材料的误选而导致电厂减弱，阳极材料功函数的绝对值必须大于阴极材料功函数的绝对值。
基于本发明涉及到的半导体异质结对电磁波吸收的能力，本发明也可用于X射线探测器。

Claims (10)

1.一种叠层薄膜太阳能电池，是一种层状结构，其特征在于：其包括阳极(2)和阴极(5)，在阳极(2)和阴极(5)之间设有两层光敏半导体，其中一层是氧化铅(3)，另一层是金属硫族化合物(4)，在阳极(2)的外面设有基片(1)，所述基片(1)也可以设于阴极(5)的外面。
2.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述氧化铅(3)与金属硫族化合物(4)以pn异质结结合，其中金属硫族化合物(4)可以是n型半导体，氧化铅(3)可以是p型半导体，两种半导体的结合构成了p-n异质结；pn异质结的结合方式，使金属硫族化合物(4)中的元素可以自然地扩散到氧化铅(3)内，使氧化铅(3)内掺杂有另外一种金属和/或一种硫族元素，其掺杂后的化学配比为PbwAxOyBz，其中w＝0.1-0.5，x＝0-0.25，y＝0.5-0.9，z＝0-0.25，其中A代表以下金属：镉，铜，镓，铟，锌，锡；B代表以下硫族元素：硫，硒，碲。
3.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述氧化铅(3)与金属硫族化合物(4)形成两个相邻层，此相邻层可以为平行相邻层，也可为无规则相邻层。
4.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述氧化铅(3)为晶体和多晶，氧化铅(3)的化学配比是PbxOy，x＝0.1-0.5，y＝0.5-0.9；所述金属硫族化合物(4)的化学配比是AxBy，其中A代表以下金属：镉(Cd)，铜(Cu)，锌(Zn)，铟(In)，锡(Sb)，镓(Ga)；B代表以下硫族元素：硫(S)，硒(Se)，碲(Te)，x＝1-3，y＝1-3。
5.根据权利要求4所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述金属硫族化合物(4)可以为：硫化镉(CdS)，硫化锌(ZnS)，硫化铟(InS)，硫化铜(CuS)，硒化镉(CdSe)，碲化镉(CdTe)，碲化铟(InTe)，硒化铟(SeIn)。
6.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极(2)可以是下列材料：金、银、钼、钢、氟化氧化锡；所述阴极(5)可以是下列材料：金、铝、钙、银、镁、铟锡氧化物；所述基片(2)可以是下列材料：钢、玻璃、高分子聚合物。
7.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极(2)与阴极(5)至少有一极为透明材料。
8.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极(2)与阴极(5)至少有一极有足够厚度给予电池物理支撑，在这种情况下，可以省略基片(1)。
9.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述叠层薄膜太阳能电池，可以利用以下方式制造：真空蒸镀、真空溅镀、化学气相沉积、纳米粒子沉积、化学池沉积。
10.根据权利要求1所述的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于：所述氧化铅(3)的晶体大小在200-2000纳米之间，金属硫族化合物(4)的晶体大小在100-500纳米之间。
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