CN102544133B - 一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法，由两片大小相同的导电玻璃和一层极化子氧化物薄膜构成中心对称结构，极化子氧化物薄膜夹在两片导电玻璃之间，并将两片导电玻璃隔开，导电玻璃与极化子氧化物薄膜相邻的一面具有导电膜，两片导电玻璃错开设置，导电玻璃的一端边缘与极化子氧化物薄膜边缘对齐，另一端突出于极化子氧化物薄膜，两片导电玻璃突出于极化子氧化物薄膜部分的导电膜分别与电池的正、负极引线连接。极化子氧化物薄膜由极化子氧化物经研磨后涂在导电玻璃上，经热处理制成。该半导体太阳能电池制作工艺很简单，适合大规模生产，具有原料成本低、稳定性好、无环境污染、制作工艺简单、元素丰度高等方面的优势。

Description

一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法

技术领域

    本发明涉及一种半导体太阳能电池，具体地说是一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法。

背景技术

光伏效应有四种常见的产生机制，即肖特基势垒机制、 p-n结机制、异质结机制以及激子机制。现有的太阳能电池都是利用上述一种或几种光伏机制来实现光电转换的。例如硅太阳能电池是利用p-n结机制，而有机太阳能电池主要是利用激子机制。用于太阳能电池的半导体材料，最常见的是硅（包括单晶、多晶、非晶），其次是砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物，再次是染料分子、聚合物等有机材料，以及用作电极的二氧化钛等氧化物。目前，硅、薄膜、染料敏化以及聚合物等太阳能电池，在转换效率、原料成本、稳定性、环境污染、制作工艺、元素丰度等方面，均有各自的局限。例如，单晶硅电池转换效率最高、工艺成熟，但原料成本很高；非晶硅薄膜太阳能电池成本低、转换效率较高，但稳定性不高；硫化镉薄膜电池转换效率较高、易于大规模生产，但镉有剧毒，会造成严重的环境污染；铜铟硒薄膜电池转换效率较高、价格低廉、工艺简单，但铟和硒是低丰度的元素，材料来源成问题；染料敏化太阳能电池价格低、效率较高，但工艺复杂、稳定性差；聚合物太阳能电池价格低、工艺简单，但效率低，仍处于研究开发阶段。

综上所述，在太阳能光电转换技术领域，探索新的光伏机理、开发新的光伏材料，对于提高太阳能电池转换效率、降低原料成本、减小环境污染、简化生产工艺、保证稳定性等，具有重要的工业应用和学术研究价值。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是提供一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池及制备方法，具有新的光伏效应产生机理，有助于开发低成本、零污染、工艺简单、稳定性高的新型半导体氧化物太阳能电池。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池，由两片大小相同的导电玻璃和一层极化子氧化物薄膜构成中心对称结构，极化子氧化物薄膜夹在两片导电玻璃之间，并将两片导电玻璃隔开，导电玻璃与极化子氧化物薄膜相邻的一面具有导电膜，两片导电玻璃错开设置，导电玻璃的一端边缘与极化子氧化物薄膜边缘对齐，另一端突出于极化子氧化物薄膜，两片导电玻璃突出于极化子氧化物薄膜部分的导电膜分别与电池的正、负极引线连接。

所述的极化子氧化物为金红石相二氧化钛、氧化铁或氧化钨。

所述的基于界面极化子效应的半导体太阳能电池的制备方法，采用两片大小相同的导电玻璃作为电极，采用极化子氧化物作为极化子半导体材料，制备步骤为：

步骤一、将极化子氧化物放入研磨器中，以丙酮为溶剂研磨1—1.5小时，保证颗粒尺度要小于10微米。

步骤二、取一片导电玻璃，将其设有导电膜的一面朝上放置，然后沿其一端的边缘在导电膜上粘贴胶带，粘贴的胶带总厚度为10―100微米，将步骤一研磨好的极化子氧化物混合液均匀涂抹在该导电玻璃的导电膜上，控制涂抹厚度，使极化子氧化物涂层与胶带相平。

步骤三、待极化子氧化物涂层中的丙酮挥发后，另取一块导电玻璃，将其设有导电膜的一面朝下设置，并使其一端的边缘与贴有胶带一侧的极化子氧化物涂层边缘对齐，将该导电玻璃盖在极化子氧化物涂层上，使极化子氧化物涂层夹在两片导电玻璃的导电膜之间，两片导电玻璃突出于极化子氧化物涂层的部分作为电池的正、负极引线接线端。

步骤四、揭去导电玻璃上的胶带，将两片导电玻璃连同夹在中间的极化子氧化物涂层放入马弗炉中进行热处理，将极化子氧化物涂层制成极化子氧化物薄膜，热处理方法为：以1℃/分钟的升温速率逐渐升温至300℃，然后在300℃保温60分钟，之后再自然降温至室温，热处理结束后取出，即制得太阳能电池。

其中导电玻璃用作电极材料，极化子氧化物薄膜用作吸光的半导体材料。对于这种结构的电池，产生光生电压和电流的唯一来源就是电池两侧光照度的不同。对于无机氧化物半导体材料，其激子效应一般很弱，可以不予考虑。但某些特殊氧化物材料，如金红石相二氧化钛和氧化钨等，具有很强的极化子效应，其电子能带结构中多出了极化子能带。对于具有极化子效应的氧化物材料，在光照侧界面处，极化子和光生电子转移速率上的巨大差异将导致电池产生数百毫伏的光生电压；其开路电压的最大理论值是半导体导带与极化子能带间的能隙差。这就是本发明提出的基于界面极化子效应的新光伏机理。

本发明的有益效果是：极化子氧化物半导体，如氧化钛、氧化铁、氧化钨等，多是价格低、稳定性高、无毒性、元素丰度高的材料，用在太阳能电池里，可以降低原料成本、减小环境污染、保证稳定性等。此外，极化子氧化物半导体太阳能电池制作工艺很简单，适合大规模生产。因此，新型极化子氧化物半导体太阳能电池具有原料成本低、稳定性好、无环境污染、制作工艺简单、元素丰度高等方面的优势。

附图说明

    图1是本发明太阳能电池的结构示意图。

    图中标记：1、导电玻璃，2、导电膜，3、极化子氧化物薄膜，4、电池正极，5、电池负极，6、太阳光入射方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1所示为本发明制成的基于界面极化子效应的半导体太阳能电池的结构示意图，该电池由两片大小相同的导电玻璃1和一层极化子氧化物薄膜3构成中心对称结构，极化子氧化物薄膜3夹在两片导电玻璃1之间，并将两片导电玻璃1隔开，导电玻璃1与极化子氧化物薄膜3相邻的一面具有导电膜2，两片导电玻璃1错开设置，导电玻璃1的一端边缘与极化子氧化物薄膜3边缘对齐，另一端突出于极化子氧化物薄膜3，两片导电玻璃1突出于极化子氧化物薄膜3部分的导电膜2分别与电池的正、负极引线连接。

本发明的太阳能电池导电玻璃1作为电极，导电玻璃1由平板玻璃和导电膜组成，导电膜设置在平板玻璃的一个表面上。半导体吸光材料由极化子氧化物薄膜3构成，在太阳光入射方向6的太阳光的照射下，在电池正极4与电池负极5间会产生电压和电流。

本发明的基于界面极化子效应的半导体太阳能电池的制备方法为：采用两片大小相同的导电玻璃作为电极，采用极化子氧化物作为极化子半导体材料，制备步骤为：

步骤一、研磨多晶极化子氧化物原料，原料纯度为99.9%。将极化子氧化物放入研磨器中研磨1—1.5小时，氧化物的粒度达到10微米以下，并保证颗粒均匀。研磨时以丙酮为溶剂，丙酮的加入量按照常规的研磨溶剂用量即可。

步骤二、取一片导电玻璃，将其设有导电膜的一面朝上放置，该导电玻璃的一端作为预留的电极，沿该预留端的边缘在导电膜上粘贴胶带，粘贴的胶带总厚度为10―100微米，将步骤一研磨好的极化子氧化物混合液均匀涂抹在该导电玻璃的导电膜上，控制涂抹厚度，使极化子氧化物涂层与胶带相平；粘贴的胶带总厚度即为氧化物薄膜的厚度，氧化物薄膜的厚度在10―100微米范围内是可行的。

步骤三、待极化子氧化物涂层中的丙酮挥发后，另取一块导电玻璃，将其设有导电膜的一面朝下设置，并使其一端的边缘与贴有胶带一侧的极化子氧化物涂层边缘对齐，将该导电玻璃盖在极化子氧化物涂层上，使极化子氧化物涂层夹在两片导电玻璃的导电膜之间，按照图1所示的结构将两片导电玻璃压制成电池，两片导电玻璃突出于极化子氧化物涂层的部分作为电池的正、负极引线接线端。压制成型后可以用常规方式将两片导电玻璃固定，例如采用任何可行的固定件、夹具等方式。

步骤四、揭去导电玻璃上的胶带，将两片导电玻璃连同夹在中间的极化子氧化物涂层放入马弗炉中进行热处理，通过热处理将极化子氧化物涂层制成极化子氧化物薄膜，热处理方法为：以1℃/分钟的升温速率逐渐升温至300℃，然后在300℃保温60分钟，之后再自然降温至室温，热处理结束后取出，即制得太阳能电池。

本发明中极化子氧化物可以采用金红石相二氧化钛、氧化铁或氧化钨等具有极化子效应的氧化物。其中优选采用金红石相二氧化钛，金红石相二氧化钛制成的太阳能电池稳定性更好，光生电压更高。金红石相二氧化钛制成的太阳能电池稳定性更好，光生电压更高。金红石相二氧化钛是一种典型的极化子半导体，常温下几乎没有激子效应。在光照条件下，如果该电池展示出显著的光生电压，其光生电压不可能起源于激子机制，而只能起源于极化子机制。

 按照上述方法，采用金红石相二氧化钛作为极化子半导体材料，制成厚度为50微米（由已知厚度为50微米的胶带控制）的二氧化钛薄膜，导电玻璃选用ITO。经测量表明，该极化子二氧化钛太阳能电池在AM1.5标准太阳光照射（1000 W/m²）下，光照侧为电池负极，反面为电池正极，电池正极与电池负极间最大开路电压是210 毫伏，最大短路电流1微安/平方厘米，填充因子约为50%，光电转换效率约为10^-6。如果改变光照方向，该电池的输出电压随之改变符号；若电池两侧接受同样的光照，则输出电压为零。因此，实验证实，基于界面极化子效应的光伏机理成立。尽管该电池光电流较小、转换效率低，但是通过氧化物材料的改性，可以显著提高光电流的大小；若将电池的对称结构改为非对称的，并和其它的半导体材料进行耦合，其光电转换效率将会得到进一步的大幅提升，甚至能和现有的太阳能电池相媲美。

Claims (1)

1.一种基于界面极化子效应的半导体太阳能电池，其特征在于：由两片大小相同的导电玻璃（1）和一层极化子氧化物薄膜（3）构成中心对称结构，极化子氧化物薄膜（3）夹在两片导电玻璃（1）之间，并将两片导电玻璃（1）隔开，导电玻璃（1）与极化子氧化物薄膜（3）相邻的一面具有导电膜（2），两片导电玻璃（1）错开设置，导电玻璃（1）的一端边缘与极化子氧化物薄膜（3）边缘对齐，另一端突出于极化子氧化物薄膜（3），两片导电玻璃（1）突出于极化子氧化物薄膜（3）部分的导电膜（2）分别与电池的正、负极引线连接；

所述的极化子氧化物为金红石相二氧化钛、氧化铁或氧化钨；

所述基于界面极化子效应的半导体太阳能电池的制备方法为：采用两片大小相同的导电玻璃作为电极，采用极化子氧化物作为极化子半导体材料，制备步骤为：

步骤一、将极化子氧化物放入研磨器中，以丙酮为溶剂研磨1—1.5小时，使氧化物的粒度小于10微米；

步骤二、取一片导电玻璃，将其设有导电膜的一面朝上放置，然后沿其一端的边缘在导电膜上粘贴胶带，粘贴的胶带总厚度为10―100微米，将步骤一研磨好的极化子氧化物混合液均匀涂抹在该导电玻璃的导电膜上，控制涂抹厚度，使极化子氧化物涂层与胶带相平；

步骤三、待极化子氧化物涂层中的丙酮挥发后，另取一块导电玻璃，将其设有导电膜的一面朝下设置，并使其一端的边缘与贴有胶带一侧的极化子氧化物涂层边缘对齐，将该导电玻璃盖在极化子氧化物涂层上，使极化子氧化物涂层夹在两片导电玻璃的导电膜之间，两片导电玻璃突出于极化子氧化物涂层的部分作为电池的正、负极引线接线端；

步骤四、揭去导电玻璃上的胶带，将两片导电玻璃连同夹在中间的极化子氧化物涂层放入马弗炉中进行热处理，将极化子氧化物涂层制成极化子氧化物薄膜，热处理方法为：以1℃/分钟的升温速率逐渐升温至300℃，然后在300℃保温60分钟，之后再自然降温至室温，热处理结束后取出，即制得太阳能电池。