CN102623516A - 一种单线结构柔性可编织的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单线结构柔性可编织的太阳能电池及其制备方法，包括：基底、半导体薄膜、缓冲层、本征ZnO层和导电层，其特征在于，所述的基底为导电柔性线状基底；其制备方法，包括：将清洗过的导电柔性线状基底在前驱体溶液中进行电化学沉积；然后进行烧结，再利用化学浴沉积的方法沉积缓冲层，最后制备本征ZnO层和导电层，即得。本发明的用于组装单线结构柔性可编织太阳能电池，易于封装，具有广泛的应用前景；本发明中以可导电的柔性线状体为基底，采用电化学沉积法制备半导体薄膜，操作简单，成本较低，不会产生有毒气体，对环境友好。

Description

一种单线结构柔性可编织的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池及其制备领域，特别涉及一种单线结构柔性可编织的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
传统的太阳能电池由于材料与加工技术的限制，其基底通常采用刚性平板结构，这为运输带来不便也大大限制了其日常应用。柔性纤维状太阳能电池打破了传统太阳能电池在材料与形状上的局限，可为狭小有限的空间提供电源，并可被编织进衣物、帐篷等中，因其具有可编织性、生产制造成本低、质量轻、应用广泛等突出优势，得到人们的广泛关注。
现有报道的一类双线结构的柔性纤维状太阳能电池，它由两根电极相互缠绕而成，但存在电接触不好，副电极的遮光效应，以及光生载流子传送距离长等问题。并且现阶段的柔性纤维状太阳能电池多为染料敏化太阳能电池，因其大多使用液态电解质，所以存在溶液的泄漏及挥发，封装困难，长效性能不稳定等缺点。因而发展一种全固态的单线结构柔性纤维状太阳能电池是很有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单线结构柔性可编织的太阳能电池及其的制备方法，该单线结构柔性可编织太阳能电池，具有广泛的应用前景，该方法操作简单，成本较低，不会产生有毒气体，对环境友好。
本发明的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，包括：基底、半导体薄膜、缓冲层、本征ZnO层和导电层，所述的基底为导电柔性线状基底。
所述的导电柔性线状基底为金属丝或非金属丝。
所述的金属丝为铜丝或钼丝；所述的非金属丝为碳纤维。
所述的半导体薄膜为CuInSe2、CuInS2或CdTe半导体薄膜。
所述的半导体薄膜的厚度为0.5～100μm。
所述的缓冲层为CdS或ZnS，厚度控制在10～100nm。
所述的本征ZnO层通过化学浴沉积或磁控溅射的方法制得，厚度控制在10nm～1μm。
所述的导电层为AZO(铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃)或ITO(氧化铟锡透明导电玻璃)，可通过磁控溅射或溶胶凝胶法制得，厚度控制在0.1～10μm。
本发明的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池的制备方法，包括：
将清洗过的导电柔性线状基底在CuInSe2、CuInS2或CdTe前驱体溶液中进行电化学沉积，沉积时间为0.01～1h；然后进行烧结5～30min，烧结温度为300～700℃；再利用化学浴沉积的方法沉积缓冲层，最后制备本征ZnO层和导电层，即得单线结构柔性可编织的太阳能电池。
所述的电化学沉积方法为恒电位沉积或恒电流沉积；其中恒电位沉积的沉积电位为-0.01～-1V，恒电流沉积的沉积电流为0.01～10A。
所述的前驱体溶液中含有金属盐和络合剂的混合物，所述的金属盐和络合剂的混合物为Cu2SO4、InCl3、Na2S2O3和柠檬酸；Cu2SO4、InCl3、SeO2和柠檬酸；CdSO4、TeO2和H2SO4。
有益效果
(1)本发明的用于组装单线结构柔性可编织太阳能电池，易于封装，可为狭小有限的空间提供有效电源，具有柔性和可编织性使其可以被编进衣物帐篷等，具有广泛的应用前景；
(2)本发明中以可导电的柔性线状体(如金属丝，碳纤维等)为基底，采用电化学沉积法制备半导体薄膜，操作简单，成本较低，不会产生有毒气体，对环境友好。
附图说明
图1.是本发明制备的Mo/CIS线表面的SEM图片；
图2.是本发明制备的Mo/CIS线表面的EDS谱图；
图3.是本发明制备的Mo/CIS线的SEM断面图；
图4.是本发明组装的CIS太阳能电池的性能测试示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将长度20cm，直径50±5μm的碳纤维两端固定在塑料架放入抛光液(浓硫酸与30％双氧水3∶1混合)清洗10min，并用蒸馏水洗净。将碳纤维穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，浸入CuInS2前驱体溶液(Cu2SO410mM，InCl350mM，Na2S2O340mM，柠檬酸50mM作为络合剂，调节pH值为3)中在室温下(25℃)进行电化学沉积，碳纤维作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电流沉积，沉积电流为1A，沉积时间为1h。然后在Ar/S气氛下进烧结30min，烧结温度为700℃。利用化学浴沉积的方法沉积ZnS层(100nm厚)，最后通过化学浴沉积ZnO层(1μm厚)，磁控溅射AZO层(10μm厚)，得到单线结构柔性可编织的CIS太阳能电池。
实施例2
将长度17cm，直径50±5μm的碳纤维两端固定在塑料架进行表面处理，并用蒸馏水洗净。将钼丝穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，浸入CuInSe2前驱体溶液(Cu2SO41mM，InCl320mM，SeO24mM，柠檬酸25mM作为络合剂，调节pH值为2)中在恒温下(40℃)进行电化学沉积，碳纤维作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电位沉积，沉积电位为-0.8V，沉积时间为5min。然后在Ar/Se气氛下进烧结10min，烧结温度为500℃。利用化学浴沉积的方法沉积CdS层(50nm厚)，最后通过磁控溅射沉积ZnO层(80nm厚)，溶胶凝胶法制得ITO层(500nm厚)，得到单线结构柔性可编织的CIS太阳能电池。
实施例3
将长度15cm，直径50±5μm的铜丝两端固定在塑料架放入抛光液(浓硫酸与30％双氧水3∶1混合)清洗10min，并用蒸馏水洗净。将铜丝穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，首先浸入镀金液中恒电流沉积金，清洗后浸入CuInSe2前驱体溶液(Cu2SO41mM，InCl320mM，SeO24mM，柠檬酸30mM作为络合剂，调节pH值为2)中在恒温温下(50℃)进行电化学沉积，铜丝作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电位沉积，沉积电位为-0.8V，沉积时间为20min。然后在Ar/S气氛下进烧结10min，烧结温度为500℃。利用化学浴沉积的方法沉积CdS层(50nm厚)，最后通过磁控溅射沉积ZnO层(60nm厚)和ITO层(300nm厚)，得到单线结构柔性可编织的CIS太阳能电池。
实施例4
将长度17cm，直径50±5μm的钼丝两端固定在塑料架进行表面处理，并用蒸馏水洗净。将钼丝穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，浸入CdTe前驱体溶液(CdSO40.5M，饱和TeO2，H2SO40.15M)中在恒温下(40℃)进行电化学沉积，钼丝作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电位沉积，沉积电位为-0.6V，沉积时间为5min。然后在Ar气氛下进烧结10min，烧结温度为300℃。利用化学浴沉积的方法沉积ZnS层(50nm厚)，最后通过磁控溅射沉积ZnO层(80nm厚)，溶胶凝胶法制得ITO层(500nm厚)，得到单线结构柔性可编织的CdTe太阳能电池。
实施例5
将长度17cm，直径50±5μm的碳纤维两端固定在塑料架进行表面处理，并用蒸馏水洗净。将碳纤维穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，浸入CdTe前驱体溶液(CdSO41mM，饱和TeO2，H2SO40.15mol/L)中在恒温下(20℃)进行电化学沉积，碳纤维作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电位沉积，沉积电位为-0.7V，沉积时间为20min。然后在Ar气氛下进烧结10min，烧结温度为300℃。利用化学浴沉积的方法沉积CdS层(50nm厚)，最后通过化学浴沉积法制备ZnO层(80nm厚)，溶胶凝胶法制得ITO层(500nm厚)，得到单线结构柔性可编织的CdTe太阳能电池。
实施例6
将长度20cm，直径50±5μm的钼丝两端固定在塑料架放入抛光液(浓硫酸与30％双氧水3∶1混合)清洗10min，并用蒸馏水洗净。将钼丝穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，浸入CuInS2前驱体溶液(Cu2SO410mM，InCl350mM，Na2S2O340mM，柠檬酸50mM作为络合剂，调节pH值为3)中在室温下(25℃)进行电化学沉积，钼丝作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电位沉积，沉积电位为-1V，沉积时间为1h。然后在Ar/S气氛下进烧结30min，烧结温度为200℃。利用化学浴沉积的方法沉积ZnS层(100nm厚)，最后通过化学浴沉积ZnO层(1μm厚)，磁控溅射AZO层(10μm厚)，得到单线结构柔性可编织的CIS太阳能电池。
实施例7
将长度15cm，直径50±5μm的钼丝两端固定在塑料架放入抛光液(浓硫酸与30％双氧水3∶1混合)清洗10min，并用蒸馏水洗净。将钼丝穿过直径2cm长10cm厚1mm的钛管，并固定好塑料架，浸入CuInSe2前驱体溶液(Cu2SO41mM，InCl320mM，SeO24mM，柠檬酸25mM作为络合剂，调节pH值为2)中在室温下(25℃)进行电化学沉积，钼丝作为工作电极，钛管作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极进行恒电位沉积，沉积电位为-0.8V，沉积时间为10min。(所得的Mo/CIS的SEM图以及EDS图谱如图1，2，3所示)然后在Ar/Se气氛下进烧结10min，烧结温度为500℃。利用化学浴沉积的方法沉积CdS层(10nm厚)，最后通过磁控溅射沉积ZnO层(10nm厚)和ITO层(100nm厚)，得到单线结构柔性可编织的CIS太阳能电池。
这种已制得的CIS太阳能电池具有很好的柔性，且在AM1.5标准模拟太阳光下，其光电转化效率达到2.31％。它结构均一，在旋转弯曲以及长时间使用过程中仍具有稳定的转化效率。这种单线结构的太阳能电池可以编织成为大面积的立体太阳能电池织物，具有很大的应用前景。

Claims (10)

1.一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，包括：基底、半导体薄膜、缓冲层、本征ZnO层和导电层，其特征在于，所述的基底为导电柔性线状基底。
2.根据权利要求1所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，其特征在于：所述的导电柔性线状基底为金属丝或非金属丝。
3.根据权利要求2所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，其特征在于：所述的金属丝为铜丝或钼丝；所述的非金属丝为碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，其特征在于：所述的半导体薄膜为CuInSe2、CuInS2或CdTe半导体薄膜；所述的半导体薄膜的厚度为0.5～100μm。
5.根据权利要求1所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，其特征在于：所述的缓冲层为CdS或ZnS，厚度控制在10～100nm。
6.根据权利要求1所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，其特征在于：所述的本征ZnO层通过化学浴沉积或磁控溅射的方法制得，厚度控制在10nm～1μm。
7.根据权利要求1所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池，其特征在于：所述的导电层为AZO或ITO，通过磁控溅射或溶胶凝胶法制得，厚度控制在0.1～10μm。
8.一种单线结构柔性可编织的太阳能电池的制备方法，包括：
将清洗过的导电柔性线状基底在CuInSe2、CuInS2或CdTe前驱体溶液中进行电化学沉积，沉积时间为0.01～1h；然后进行烧结5～30min，烧结温度为300～700℃；再利用化学浴沉积的方法沉积缓冲层，最后制备本征ZnO层和导电层，即得单线结构柔性可编织的太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的电化学沉积方法为恒电位沉积或恒电流沉积；其中恒电位沉积的沉积电位为-0.01～-1V，恒电流沉积的沉积电流为0.01～10A。
10.根据权利要求8所述的一种单线结构柔性可编织的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的前驱体溶液中含有金属盐和络合剂的混合物，所述的金属盐和络合剂的混合物为Cu2SO4、InCl3、Na2S2O3和柠檬酸；Cu2SO4、InCl3、SeO2和柠檬酸；CdSO4、TeO2和H2SO4。
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