CN104851928B - 一种太阳能电池结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种太阳能电池结构，包括基片，所述基片上生长有铁电材料，所述铁电材料上生长有第一电极和第二电极，所述第一电极设置在铁电材料的中心，所述第二电极设置在铁电材料的边缘，且第二电极至少部分包围第一电极，第一电极和第一电极之间留有距离。所述第二电极上设置有圆形的让位孔，所述第一电极设置在让位孔的中心，且第一电极为圆形。使铁电材料内的电场由第一电极向第二电极呈辐射状发散，且电场对称分布。较普通太阳能电池结构的电场为均匀分布、且垂直于两个电极，本发明的太阳能电池结构的电场由第一电极向第二电极呈辐射状发散，则电场所包围的体积显著扩大，从增加被电场分离的载流子数量，最终达到增强光伏效应的效果。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种太阳能电池结构。
背景技术
如图1和图2所示的普通太阳能电池结构在基片a1上生长有铁电材料a2、在铁电材料a2上生长有第一电极a3、第二电极a4，第一电极a3、第二电极a4设置在铁电材料a2的左、右两侧，第一电极a3、第二电极a4面积都比较小，例如边长为200μm～600μm的正方形。在这样的尺度下，用外电场将铁电材料极化之后，在第一电极a3、第二电极a4之间会产生退极化场。由于第一电a3极、第二电极a4的边长一般远大于他们之间的距离(一般约1μm)，因此第一电极a3、第二电极a4之间的电场A可以近似看成均匀分布的，且垂直于两个电极，如图2所示。如果第一电极a3、第二电极a4的边长远大于他们之间的距离(一般约1μm)这个条件得不到满足，那么两个电极之间的电场在边界处有一定的发散。
上述普通太阳能电池结构，在铁电材料中由于光照所激发的载流子(电子、空穴)在电场下就会分离，向第一电极a3、第二电极a4聚集，产生光电压。由于电场均匀分布，且垂直于第一电极a3、第二电极a4，因此被电场分离的载流子数量N为
N＝n0×V (1)
式中n0为光激发的载流子浓度(单位体积中的载流子个数)。这里假设在铁电材料中载流子浓度n0为恒定值，与位置无关。公式(1)中体积V＝n0×L×l×d为均匀电场下所包围的体积，式中，L为第一电极a3和第二电极a4的边长，l为第一电极a3和第二电极a4之间的距离，d为铁电材料a2的厚度。
从公式(1)中可知，被电场分离的载流子数量正比于被电场包围的体积，对光伏效应的强弱起决定性作用。
因此，欲增强光伏效应，在不改变图1和图2结构中尺寸的情况下，我们可以通过改变电场的分布来实现从公式(1)中体积V的增大，从而增加被电场分离的载流子数量N，最终达到增强光伏效应的效果。
发明内容
为了解决现有普通太阳能电池光电转化效率低的问题，本发明提供一种太阳能电池结构，将普通太阳能电池结构中左右设置的第一电极、第二电极改为设置在铁电材料中心的第一电极和设置在铁电材料边缘的第二电极，且第二电极至少部分包围第一电极，第一电极和第二电极之间留有距离。将电场分布由普通太阳能电池结构中的均匀、垂直于第一电极和第二电极变为由第一电极向第二电极呈辐射状、发散的。本发明的太阳能电池结构的电场占据的体积大于普通太阳能电池结构的电场占据的体积，载流子的数量相应增加，最终提高光伏效应的作用。
本发明通过以下技术方案实现：
一种太阳能电池结构，包括基片，所述基片上生长有铁电材料；所述铁电材料上生长有第一电极和第二电极，所述第一电极设置在铁电材料的中心，所述第二电极设置在铁电材料的边缘；所述第二电极至少部分包围第一电极，且第一电极和第二电极之间留有距离。
进一步，所述第二电极设置在第一电极的四周并延伸将第一电极包围。
进一步，所述第二电极上设置有圆形的让位孔；所述第一电极为圆形，第一电极设置在让位孔内，且第一电极的轴线与让位孔的轴线重合。
本发明的有益效果：
本发明的太阳能电池结构，将普通太阳能电池结构中左右设置的第一电极、第二电极改为设置在铁电材料中心的第一电极和设置在铁电材料边缘的第二电极，且第二电极至少部分包围第一电极，第一电极和第二电极之间留有距离。将普通太阳能电池结构中铁电材料层中电场的分布由均匀的、且垂直于第一电极、第二电极的变为由不均匀的、由第一电极向第二电极发散的。将第二电极设置在第一电极的四周并延伸将第一电极包围，则电场由第一电极向第二电极发散，第一电极到第二电极之间的电场可以是对称分布，可以不是对称分布。第二电极上设置有圆形的让位孔，所述第一电极为圆形，第一电极设置在让位孔内，且第一电极的轴线与让位孔的轴线重合，电场由第一电极向第二电极呈辐射状发散，第一电极到第二电极之间的电场形成对称分布，增大电场占据的有效体积，从而增加被电场分离的载流子数量，其载流子数量较普通太阳能电池结构的载流子数量呈数量级的增加，最终达到增强光伏效应的效果。
附图说明
图1是普通太阳能电池结构的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明的太阳能电池结构的主视图；
图4是图3的俯视图；
图5是BFO/STO的XRD衍射图谱；
图6是普通太阳能电池结构测量光照的I-V曲线；
图7是用本发明的太阳能电池结构测量光照的I-V曲线图。
附图标记
a1、b1-基片；a2、b2-铁电材料；a3、b3-第一电极；a4、b4-第二电极；A、B-电场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图3和图4所示，一种太阳能电池结构，包括基片b1，所述基片b1上生长有铁电材料b2；所述铁电材料b2上生长有第一电极b3和第二电极b4，所述第一电极b3设置在铁电材料b3的中心，所述第二电极b4设置在铁电材料b2的边缘；所述第二电极b4至少部分包围第一电极b3，且第一电极b3和第二电极b4之间留有距离。
所述第二电极b4设置在第一电极b3的四周并延伸将第一电极b3包围。
本实施例中，所述第二电极b4上设置有圆形的让位孔；所述第一电极b3为圆形，第一电极b3设置在让位孔内，且第一电极的轴线与让位孔的轴线重合。
现将图1、图2和图3、图4中载流子的数量做一个粗略的比较：
对图1和图2而言，根据公式(1)，载流子数量为
N＝n0×V＝n0×L×l×d (2)
式中，L为第一电极a3和第二电极a4的边长；l为第一电极a3和第二电极a4之间的距离；d为铁电材料a2厚度。假设第一电极a3和第二电极a4边长为200μm，第一电极a3和第二电极a4之间的距离为200μm，铁电材料a2的厚度为500nm，则载流子数量为
N＝n0×2×10-8cm3。 (3)
对图3和图4而言，根据公式(1)，载流子数量粗略估计为(其体积视为圆柱体的体积)
N＝n0×V＝n0×π(R2-r2)×d (4)
式中R为第二电极b4让位孔半径；r为第一电极b3的半径，d为铁电材料b2的厚度。将第一电极b3的半径200μm，铁电材料b2的厚度500nm，第二电极b4让位孔半径R为0.1cm带入公式(4)，则载流子数量为
N’≈n0×1.5×10-6cm3。 (5)
对比公式(4)和(5)可以发现，本发明的太阳能电池结构相对于普通太阳能电池结构而言，其载流子数量提高了近2个量级(约100倍)。如果将第二电极b4让位孔半径R增大，则本发明的太阳能电池结构的效果更明显：将公式(4)与公式(2)相比，得到两种太阳能电池结构的载流子数量之比为：
由于通常第一电极b3的半径r约200μm，第一电极a3和第二电极a4之间的距离l小于200μm，第二电极b4让位孔半径R一般远大于200μm，即有R≧r≧l，则
1)如果第一电极b3半径r为100μm，第一电极a3和第二电极a4之间的距离l为100μm，第二电极b4让位孔半径R为500μm，则本发明的太阳能电池结构中载流子数量是普通太阳能电池结构的75倍；
2)如果第一电极b3半径r为100μm，第一电极a3和第二电极a4之间的距离l保持为100μm，第二电极b4让位孔半径R增大为5mm，则本发明的太阳能电池结构中载流子数量是普通太阳能电池结构的7500倍；
3)如果第一电极b3半径r为100μm，第一电极a3和第二电极a4之间的距离l依然保持为100μm，第二电极b4让位孔半径R增大为5cm，则本发明的太阳能电池结构中载流子数量是普通太阳能电池结构的750000倍；
由上面的近似计算结果可知，第二电极b4让位孔半径R越大，则用本发明的太阳能电池结构得到的光伏效应就越强。
本发明的太阳能电池通过以下方法制备得到：
对于铁电材料是薄膜的情况，制备步骤如下，以脉冲激光沉积法为例：
一、制备铁酸铋(BiFeO3，简写为BFO)薄膜：首先将(001)取向的SrTiO3基片(当然也可以是其它取向的、其它类型的基片)分别在丙酮、酒精中用超声波进行清洗，晾干；用砂纸将基片台进行打磨，并清洗干净，将晾干的基片用导热银胶粘在基片台上；晾干后放入腔体中加热台上，开始抽真空；待气压抽到10-4Pa时，开始加热基片台。缓慢加热，加热到650℃，达到目标温度后，用挡板将基片挡住，并通入所需气体到一定压强。设定激光的能量和频率参数，进行预溅射以去掉BFO靶材表面的污物，使靶材露出新鲜的表面，预溅射时间一般为2～5分钟；预溅射过程中，调整激光光路、靶距等参数，以使羽辉末端与基片台相切。转动基片台及BFO靶材，并使激光在X、Y方向来回扫描；待温度、气压稳定之后，移开挡板，进行沉积。根据所需的BFO薄膜厚度选择合适的沉积时间，沉积结束之后，按照需要充入一定的气体并缓慢降温。
二、制备电极：用图4中形状的掩膜版，挡住BFO薄膜，选择合适的位置并且对准中心，然后在BFO表面通过蒸镀、沉积等方法镀上Ag、Cu、Au、ITO至少一种导电层作为第一电极和第二电极。
使用本发明的太阳能电池结构进行实验
以SrTiO3单晶作为基片，BFO为铁电材料，Ag为上电极作为例。首先采用脉冲激光沉积法在(001)取向的SrTiO3基片上沉积了500nm厚的BFO铁电薄膜，最后在BFO薄膜上沉积了第一电极半径为200μm，第二电极让位孔半径为2mm的Ag作为电极。测量光伏效应之前，用10kV的电压(采用高压状置)将铁电薄膜进行极化，采用波长520nm，功率为10mW/cm2的激光作为光源。测得的结果如下：
其中，图5为BFO/STO的XRD衍射图谱，从图5中可以看到，我们所制备的BFO薄膜为纯相，没有其它杂相产生。图6为用普通太阳能电池结构测量光照的I-V曲线。图7为用本发明的太阳能电池结构测量光照的I-V曲线图。从图6和图7中可以看出，用本发明状置得到的光伏效应明显增强了：光生电流从0.06μA/cm2增加到3μA/cm2，增加了50倍；光生电压从7.5V增加到50V，增加了7倍。相应地，光电转换效率从0.012％增加到0.86％。可见，本发明状置使得光电状换效率得到明显的提高，提高了70倍以上。根据前面的分析，如果减小本实验中第一电极的面积，增大第二电极让位孔半径，并且将第一电极、第二电极换成透明导电的ITO电极的话，则转换效率会提高得更多。不过，第二电极让位孔半径越大，就需要更大的电压来极化BFO铁电薄膜(所需电场的大小约为20-200kV/cm，与材料本身特性、制备条件、制备方法等因素有关)。
Claims (2)
1.一种太阳能电池结构，包括基片，所述基片上生长有铁电材料；所述铁电材料上生长有第一电极和第二电极，其特征在于：所述第一电极设置在铁电材料的中心，所述第二电极设置在铁电材料的边缘；所述第二电极设置在第一电极的四周并延伸将第一电极包围，且第一电极和第二电极之间留有距离。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池结构，其特征在于：所述第二电极上设置有圆形的让位孔；所述第一电极为圆形，第一电极设置在让位孔内，且第一电极的轴线与让位孔的轴线重合。
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