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Abstract

本专利公开了一种叠层薄膜太阳能电池，以高透明性染料敏化太阳能电池作前电池，以碲化镉薄膜太阳能电池作底电池；所述染料敏化太阳能电池由光阳极、对电极及密封于两者之间的电解质构成；所述碲化镉薄膜太阳能电池依次由第三导电玻璃、透明氧化层、窗口层n型硫化镉、吸收层p型碲化镉以及镍基背电极构成；所述染料敏化太阳能电池和所述碲化镉薄膜太阳能电池的正负极通过沙林膜或紫外固化胶串联连接形成叠层薄膜太阳能电池。该叠层太阳能电池有效地抑制了光能损失，进一步提高单位面积光能利用率，使得其光电转化效果超过单电池转化效果。

Description

一种叠层薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及叠层太阳能电池技术领域，尤其涉及一种由染料敏化太阳能电池与碲化镉薄膜太阳能电池组成的叠层薄膜太阳能电池。
背景技术
众所周知，太阳光谱的能量分布较宽，而任何一种半导体只能吸收其中能量比自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收转变为热能，就是将能量传递给电池材料本身的原子，使材料发热，这些能量都不能通过产生光生载流子变成电能。不仅如此，这些光子产生的热效应还会升高电池工作温度而使电池性能下降。为了最大程度地利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域，用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池，使整个电池的光谱响应接近太阳光光谱，具有这样结构的太阳能电池称为叠层电池。这种电池从迎光面开始，材料的带隙依次下降，即最外面的材料带隙宽，有利于吸收短波长的光，而透过的长波长的光则被里层带隙较窄的材料吸收，这样可以最大限度地吸收太阳光的能量。
专利号ZL 200810207873.4，授权公告号CN 101510470B的中国发明专利，名称为一种非晶硅太阳能电池与染料敏化电池叠层结构，包括位于顶部吸收偏向短波的高能太阳光的非晶硅太阳能电池和位于底部的吸收偏向长波的低能太阳光的染料敏化电池，非晶硅太阳能电池与染料敏化电池通过串联或并联方式进行连接。解决了常规太阳能电池光电转换效率低，吸收太阳能光谱不够宽的问题。但该技术方案中，非晶硅太阳能电池在光照后，非晶硅膜中缺陷态密度增加，导致电池内的光生电子和空穴复合几率增加，电池的转换效率下降。同时，两电池的正负极之间的连接通过缓冲层(可以为氧化锌掺铝或者碳纳米管等)，导致电路损耗较大，且加工不方便。因此，叠层电池的结构还有待进一步改进。
如今，新型薄膜太阳能电池以其简单的制备工艺及低廉的生产成本越来越受到业内人士的青睐。其中，染料敏化太阳能电池(Dye-sensitizedsolar cell，简称DSC或DSSC)是由光阳极、对电极及两极间注入的电解质组成，光阳极为表面负有纳米晶TiO2薄膜的导电衬底，吸收偏向长波的低能太阳光。目前，染料敏化太阳能电池在实验室的最新光电转换效率测试数据已经超过13％。碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe)较其他的薄膜电池容易制造，是应用前景最好的新型薄膜太阳能电池。其带隙1.5eV，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有28％的理论光电转换效率，且性能稳定。但将碲化镉薄膜太阳能电池应用于叠层太阳能电池却未见文献记载。
发明内容
针对现有的叠层太阳能电池中非晶硅膜导致电池光电转换效率下降，以及两电池的正负极之间的连接通过缓冲层导致电路损耗较大，且加工不方便的问题，本发明的目的是提供一种由染料敏化太阳能电池与碲化镉薄膜太阳能电池组成的叠层薄膜太阳能电池。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种叠层薄膜太阳能电池，所述叠层薄膜太阳能电池是以高透明性染料敏化太阳能电池作前电池，以碲化镉薄膜太阳能电池作底电池；
所述染料敏化太阳能电池由光阳极、对电极及密封于两者之间的电解质构成；
所述碲化镉薄膜太阳能电池依次由第三导电玻璃、透明氧化层、窗口层n型硫化镉、吸收层p型碲化镉以及镍基背电极构成；
所述染料敏化太阳能电池和所述碲化镉薄膜太阳能电池的正负极通过沙林膜或紫外固化胶串联连接形成叠层薄膜太阳能电池。
进一步优选地，所述染料敏化太阳能电池的光阳极采用丝网印刷，网版网孔400目，丝印薄膜采用粒度为20nmTiO2粉体，薄膜厚度为10～12μm。
传统的染料敏化太阳能电池(英文缩写为DSSC)光阳极一般由20nmTiO2透明层(厚度在10～14μm)与400nmTiO2(厚度4～5μm)光反射层结合，而本发明的DSSC光阳极仅使用20nm颗粒TiO2，控制膜厚，使得制备的DSSC具有高透明率，不仅使更多剩余的光能被底层碲化镉薄膜太阳能电池吸收，而且可以降低光生电子的传输损耗，有助于提高DSSC的开路电压。
同时，本专利中采用沙林膜或紫外固化胶串联连接染料敏化太阳能电池和碲化镉薄膜太阳能电池的正负极，从而使得整个叠层太阳能电池的制备更为简单，电路损耗较小。
进一步优选地，所述碲化镉薄膜太阳能电池的窗口层n型硫化镉的厚度为70～100nm，所述吸收层p型碲化镉的厚度为2～10μm。
所述染料敏化太阳能电池的光阳极由第一导电玻璃上涂覆厚度为5～10μm的TiO2纳米透明层制得，所述对电极由第二导电玻璃上涂覆铂层制得；所述电解质为I-1/I3 -1电解质。
制备本发明叠层薄膜太阳能电池的制备步骤如下：
(i)制备染料敏化太阳能电池；
(ii)制备碲化镉薄膜太阳能电池；
(iii)粘结所述染料敏化太阳能电池和所述碲化镉太阳能电池的正负极使两个电池串联连接形成叠层薄膜太阳能电池。
所述染料敏化太阳能电池的制备步骤如下：
(1)制备光阳极
(a)清洗：清洗第一导电玻璃；
(b)TiCl4溶液预处理：将所述第一导电玻璃在TiCl4溶液中浸渍清洗，并烘干备用；
(c)丝印TiO2纳米透明层：采用丝网印刷法将TiO2料浆涂覆于所述第一导电玻璃表面制备TiO2纳米透明层；
(d)热处理：将涂覆有所述TiO2纳米透明层的所述第一导电玻璃经热处理后制得所述光阳极；
(2)制备对电极
(a)打孔：在第二导电玻璃表面打孔，用作电解质注入孔；
(b)清洗：清洗所述第二导电玻璃；
(c)丝印铂层：在所述第二导电玻璃表层丝印铂层；
(d)烧结：将丝印有所述铂层的所述第二导电玻璃经烧结后炉冷至室温取出，制得所述对电极；
(3)染料敏化太阳能电池的组装
(a)电极对接封装：将所述对电极与所述光阳极对接并封装；
(b)注入电解质：在真空环境中，由所述注入孔注入电解质；
(c)密封电解质：以所述碲化镉薄膜太阳能电池作所述注入孔封装基底制得所述染料敏化太阳能电池。
所述制备光阳极的步骤(b)中，温度条件为70℃，TiCl4溶液的浓度为40mmol/L，浸渍时间为30分钟，所述制备光阳极的步骤(d)中，热处理温度为550℃，处理时间30～60分钟，所述制备对电极的步骤(d)中，烧结的温度条件为400℃，保温时间为5～10min。
所述碲化镉薄膜太阳能电池的制备步骤如下：
(a)制备衬底：清洗第三导电玻璃并刻蚀透明氧化层后制得衬底；
(b)制备窗口层n型硫化镉：利用化学气相沉积法在衬底上得到窗口层n型硫化镉，并退火处理；制备过程中控制气压为103Pa，环境气氛为50％氩气和50％氧气、衬底温度500℃，退火的环境气氛为80％氩气和20％氢气，温度400℃，退火时间20min。
(c)制备吸收层p型碲化镉：真空蒸发法制备吸收层p型碲化镉；制备过程中源材料CdCl2升华温度为500℃～650℃，衬底温度为400℃～600℃，氩气为保护气氛，源材料CdCl2与衬底之间的距离在1～5mm之间。
(d)制备复合背接触层：利用共蒸发法制备复合背接触层，先沉积一层未掺杂ZnTe，再共蒸发沉积ZnTe:Cu；制备过程中Cu掺杂比例为3％～10％，在260℃下的氮气环境中退火，所述步骤(e)中，环境压强10-3Pa～9×10-3Pa，偏压10kv，沉积时间2～3min。
(e)制备镍基背电极：利用电子束蒸发法制备镍基背电极。
本专利的效果在于：本发明并非简单的将这两种薄膜太阳能电池机械结合，而是优化各个电池组成部分的参数，其目的在于使入射光最大限度被电池吸收，使其达到最佳的光电转化效果。CdTe薄膜太阳能电池也相应的对其结构以及各个组成部分材料工艺进行优化，即适当的减薄窗口层n型硫化镉的厚度，以减少入射光的损失，从而增加CdTe薄膜太阳能电池的短波效应以提高短路电流；增加了接触层ZnTe或ZnTe:Cu，降低了吸收层p型碲化镉与镍基背电极的欧姆接触。该叠层太阳能电池有效地抑制了光能损失，进一步提高单位面积光能利用率，使得其光电转化效果超过单电池转化效果。另外，由于两个子电池是串联在一起的，总的开路电压比单个电池高很多，因而能够大幅度提高转换效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
图1为本发明叠层太阳能电池的结构示意图；
图中标号说明：
101-第一导电玻璃    102-TiO2纳米透明层    103-电解质
104-铂层            105-第二导电玻璃
201-第三导电玻璃    202-窗口层n型硫化镉   203-吸收层p型碲化镉
204-复合背接触层    205-镍基背电极
301-封装粘结剂      302-导电胶带          303-封装外壳
304-叠层电池正极    305-叠层电池负极
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，下文中所描述的上、下与附图的上、下相一致，这不能成为本发明技术方案的限制。
结合附图1详细介绍本发明叠层薄膜太阳能电池，它包括上下设置的一染料敏化太阳能电池和一碲化镉薄膜太阳能电池，染料敏化太阳能电池依次由光阳极、对电极及密封于两者之间的电解质103组成。碲化镉薄膜太阳能电池由上至下依次由第三导电玻璃201、透明氧化层(TCO，Transparent Conductive Oxide)、窗口层n型硫化镉202、吸收层p型碲化镉203以及镍基背电极205组成。染料敏化太阳能电池与碲化镉太阳能电池通过串联方式进行连接。太阳光依次经染料敏化太阳能电池的光阳极、电解质和对电极后，由碲化镉太阳能电池的第三导电玻璃201上方照射进入，先透过TCO层，再进入CdS/CdTe异质结。
碲化镉薄膜太阳能电池的窗口层n型硫化镉202的厚度为70～100nm，吸收层p型碲化镉203的厚度为2～10μm。进一步优选地，窗口层n型硫化镉202的厚度为50～100nm、吸收层p型碲化镉203的厚度为1～8μm。染料敏化太阳能电池的光阳极由第一导电玻璃101上涂覆厚度为5～10μm的TiO2纳米透明层102制得，对电极由第二导电玻璃105上涂覆铂层104制得；电解质103为I-1/I3 -1氧化还原对电解质。
本发明的叠层太阳能电池的制备方法步骤如下：
(i)制备染料敏化太阳能电池；
(ii)制备碲化镉薄膜太阳能电池；
(iii)叠层电池的粘结：粘结染料敏化太阳能电池和碲化镉薄膜太阳能电池；
(iv)叠层电池正负极串联：使用导电胶带302将染料敏化太阳能电池正极与碲化镉薄膜太阳能电池负极串联，其外部使用塑料封装外壳303密封包装制备叠层薄膜太阳能电池，实现同光照下两电池光生电压的叠加。
其中，染料敏化太阳能电池制备步骤如下：
1、制备光阳极
(a)清洗：清洗第一导电玻璃101，用于DSSC光阳极的衬底；
(b)TiCl4溶液预处理：在温度70℃条件下，将导电玻璃101在40mmol/L的TiCl4溶液中浸渍30分钟后清洗，烘干备用；
(c)丝印TiO2纳米透明层：采用丝网印刷法将微粒粒径20nm的TiO2料浆涂覆于导电玻璃101表面制备TiO2纳米透明层102，每次丝印后静置5min并烘干，反复操作控制TiO2薄膜厚度在5～10μm，使负载有TiO2薄膜的导电玻璃101具有较高的光透过率。其中，丝网印刷网版网孔为400目。染料敏化剂吸附于TiO2纳米透明层102表面。
(d)热处理：将丝印有TiO2纳米透明层102的导电玻璃101置于石英管式炉中，于550℃下热处理30～60分钟，烘干后制得光阳极。
2、制备对电极
(a)打孔：使用1mm钻头在第二导电玻璃105表面打孔，用作电解质注入孔；
(b)清洗：清洗第二导电玻璃105并烘干备用，用于DSSC光阳极衬底；
(c)丝印铂层：在第二导电玻璃105表层丝印一层铂层104；
(d)烧结：将丝印有铂层104的第二导电玻璃105在400℃下保温5～10min，炉冷至室温取出，制得对电极。
3、染料敏化太阳能电池的组装
(a)电极对接封装：将对电极与光阳极对接，使用沙林膜进行封装；
(b)注入电解质：在真空环境中由注入孔注入电解质103，即I-1/I3 -1氧化还原对；
(c)密封电解质：以CdTe薄膜太阳能电池作注入孔封装基底，以沙林膜或紫外固化胶作封装粘结剂301，制得染料敏化太阳能电池。其中，采用沙林膜的厚度为50μm，在120℃保温2～5min，利用热封机封装；采用紫外固化胶则使用高压汞灯照射数秒达到封装效果，叠加封装操作简单。
碲化镉薄膜太阳能电池制备步骤如下：
(a)制备衬底：清洗第三导电玻璃201，激光刻蚀透明氧化层TCO，用于碲化镉薄膜太阳能电池的衬底；
(b)制备窗口层n型硫化镉：利用化学气相沉积法制备窗口层n型硫化镉202，控制气压为103Pa，环境气氛为50％氩气和50％氧气、衬底温度500℃；
(c)退火：在环境气氛为80％氩气和20％氢气，温度400℃下退火20min，除去窗口层n型硫化镉202表面的CdF2和CdO钝化层；
(d)制备吸收层p型碲化镉：真空蒸发法制备吸收层p型碲化镉203，源材料CdCl2在温度500℃～650℃时升华，冷凝在温度为400℃～600℃衬底上，以氩气为保护气氛，源材料CdCl2与衬底之间的距离在1～5mm之间；
(e)CdCl2处理：保持高真空度同时降低源材料CdCl2的温度，衬底温度在400～500℃，使CdTe吸收层表面的CdCl2重新蒸发，藉着区域性气相的传输作用，促进了CdTe的再结晶过程，增加载流子密度，加剧CdTe的P型化，能够进一步提高CdTe/CdS异质结太阳电池的转换效率；
(f)制备复合背接触层：为降低电池与背电极之间的欧姆接触，利用共蒸发法制备复合背接触层204，先沉积一层未掺杂ZnTe，再共蒸发沉积ZnTe:Cu，Cu掺杂比例为3％～10％。在260℃下的氮气环境中退火；
(g)制备镍基背电极：利用电子束蒸发法制备镍基背电极205，环境设定压强10-3Pa～9×10-3Pa，偏压10kv，沉积时间2～3min。
本实施例中的导电玻璃优选为耐高温的硼硅玻璃。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本专利内容，不应理解为是对本专利保护范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利保护范围。

Claims (3)

1.一种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是以高透明性染料敏化太阳能电池作前电池，以碲化镉薄膜太阳能电池作底电池；
所述染料敏化太阳能电池由光阳极、对电极及密封于两者之间的电解质构成；
所述碲化镉薄膜太阳能电池依次由第三导电玻璃、透明氧化层、窗口层n型硫化镉、吸收层p型碲化镉以及镍基背电极构成；
所述染料敏化太阳能电池和所述碲化镉薄膜太阳能电池的正负极通过沙林膜或紫外固化胶串联连接形成叠层薄膜太阳能电池。
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：所述染料敏化太阳能电池的光阳极采用丝网印刷，网版网孔400目，丝印薄膜采用粒度为20nmTiO2粉体，薄膜厚度为10～12μm。
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：所述碲化镉薄膜太阳能电池的窗口层n型硫化镉的厚度为70～100nm，所述吸收层p型碲化镉的厚度为2～10μm。
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