CN104900726A - 一种太阳能电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池结构，包括上电极层和下电极层以及设置在上电极层和下电极层之间的铁电材料层，所述下电极层设置在上电极层的外围，所述下电极层可以完全包围或者部分包围上电极层在下电极层上的投影，这样使铁电材料内的电场呈分散分布且不垂直于上、下电极层的表面。本发明将普通太阳能电池结构中铁电材料层内的磁场分布由均匀的、垂直于上下电极表面变为分散的、不垂直于上下电极层表面，从而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

一种太阳能电池结构

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及其制作方法。

背景技术

如图1和图2所示的普通太阳能电池的结构，从下至上依次有下电极层1、铁电材料层2和上电极层3。上电极层3和下电极层1分别通过导线与外接设备连接。对于图1来说，铁电材料层相对比较薄，例如500nm，下电极层面积比较大，例如边长为1cm的正方形，上电极层边长为200μm的正方形。在这样的尺度下，用外电场将铁电材料极化之后，在上、下两个电极之间会产生退极化场。由于上电极层、铁电材料层、下电极层三者就构成平行板电容器，而上、下电极层的边长远大于铁电层材料的厚度，因此铁电材料层中的电场5可以近似看成均匀分布的，且垂直于上、下电极层，如图1所示。在铁电材料层中由于光照所激发的载流子(电子、空穴)在电场下就会分离，向两个电极层聚集，产生光电压。由于电场是均匀分布，且垂直于上、下电极层的，因此被电场分离的载流子数量N为：

N＝n₀×V    (1)

式中：n₀时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＝S×d为均匀电场下所包围的体积，S是上电极层面积(下电极层 面积比上电极层面积大很多，电容器的有效面积为上电极层的面积)，d是铁电材料的厚度。

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的下电极层改变，下电极层设置在上电极层的外围，下电极层可以完全包围或者部分包围上电极层在下电极层上的投影，使铁电材料层中电场的分布不再是均匀的、垂直于上下电极层的，而是发散的、不垂直于上下电极层表面的，从而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。

本发明通过以下技术方案实现：

一种太阳能电池结构，包括上电极层和下电极层以及设置在上电极层和下电极层之间的铁电材料层，所述下电极层设置在上电极层的外围。

进一步，所述下电极层完全包围上电极层在下电极层上的投影。

进一步，所述下电极层部分包围上电极层在下电极层上的投影。

本发明的有益效果：

本发明的太阳能电池结构，通过改变普通太阳能电池结构的下电极层，在相同铁电材料层和上电极层的情况下，下电极层设置上电极层的外围，下 电极层可以完全包围或者部分包围上电极层在下电极层上的投影，减少了下电极层的面积，可以降低太阳能电池的成本，同时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、且垂直于电极表面的变为发散的、不垂直于电极表面的，从而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。

附图说明

图1是普通太阳能电池与外接设备连接的主视图；

图2是图1中太阳能电池的俯视图；

图3是本发明的太阳能电池与外接设备连接的半剖视图；

图4是图3中太阳能电池的俯视图；

图5是图3中太阳能电池的仰视图；

图6是使用本发明测试BFO/LSMO/STO的XRD衍射图谱；

图7是用普通太阳能电池结构测得的I-V曲线图；

图8是用本发明太阳能电池结构测得的I-V曲线图。

附图标记

1’-下电极层；2-铁电材料层；3-上电极层；4-外接设备；5’-电场。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

如图3、图4和图5所示，一种太阳能电池结构，包括上电极层3和下电极层1以及设置在上电极层3和下电极层1’之间的铁电材料层2，所述下电极层1’设置在上电极层3的外侧。所述下电极层1’完全包围上电极层3在下电极层1’上的投影。所述下电极层1’部分包围上电极3层在下电极层1’上的投影。 从而使铁电材料层2中电场5’的分布为发散的、不垂直于上下电极层表面的，与相同铁电材料层2和上电极层3的普通太阳能电池结构相比，本发明的太阳能电池结构的铁电材料层中的电场体积增大，从而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。所述上电极层3和下电极层1’通过导线与外接设备4连接。本实施例中所述上电极层3设置在铁电材料层2表面的中心，上电极层3和铁电材料层2均设置为正方形(显而易见也可以设置为圆形或者其他形状)，下电极层1’沿所在铁电材料层表面的边缘设置为封闭的回形将上电极层3在下电极层1’上的投影完全包围(显而易见下电极层1’也可在所在铁电材料层表面设置为其他封闭的形状将上电极层3在下电极层1’上的投影完全包围，或者下电极层1’也可在所在铁电材料层表面设置为其他不封闭的回形或其他形状将上电极层3在下电极层1’上的投影部分包围)。

现将图1和图3中载流子的数量做一个粗略的比较：

对图1而言，根据公式(1)，载流子数量为

N＝n₀×V＝n₀×S×d    (2) 

假设上电极边长为200μm，铁电材料厚度为500nm，则载流子数量为

N＝n₀×2×10^-10cm³。    (3) 

对图3而言，根据公式(1)，载流子数量粗略估计为(其体积视为台体的体积)

$N^{,}=n_0\×V=n_0\×\frac{1}{3}(S^{,}+S+\sqrt{S^{,}\·S})\×d---\left(4\right)$

式中：S’是上电极的面积；S是铁电材料的面积。

将上电极边长200μm，铁电材料厚度500nm，铁电材料边长1cm带入公式(3)，则载流子数量为

N’≈n₀×1.67×10^-7cm³。    (5) 

对比公式(3)和(5)可以发现，本发明装置相对于普通太阳能电池装置而言，其载流子数量增提高了近3个量级(≈1000倍)。如果将上电极的面积减小，则本装置的效果更明显：将公式(4)与公式(2)相比，得到两种装置下的载流子数量之比为：

$\frac{N^{,}}{N}=\frac{S^{,}+\sqrt{S^{,}\×S}+S}{S^{,}}---\left(6\right)$

由于通常铁电材料层的边长远大于上电极边长，即有S≧S’，则

$\frac{N^{,}}{N}\≈\frac{S}{S^{,}}$

①如果上电极层边长为100μm，铁电材料层边长为1cm，则本发明中载流子数量比传统装置比起来增加10⁴倍；

②如果铁电材料层的边长保持为1cm，而上电极层边长减小为10μm，则本发明中载流子数量比传统装置比起来增加10⁶倍；

③如果铁电材料层的边长依然保持为1cm，而上电极层边长减小为10nm，则本发明中载流子数量比传统装置比起来增加10¹⁶倍。

通过以上近似的计算结果，可以说明，上电极层的面积越小，则用本装置得到的光伏效应就越强。根据这一结论，如果采用纳米线作为上电极层，或者直接采用探针(例如扫描探针显微镜SPM中的探针)作为测量光伏效应的上电极，则所得到的光生电流密度远大于普通太阳能电池结构得到的值。

一种太阳能电池结构的制作方法，根据铁电材料是陶瓷或薄膜，分为两种情况：

第一种，铁电材料是陶瓷，以铁酸铋(BiFeO3：BFO)铁电陶瓷为例，且以固相反应法为例，太阳能电池结构的制作方法包括以下步骤：

1)、BFO铁电陶瓷的制备

首先将原料Bi₂O₃，及Fe₂O₃，按照原子摩尔比Bi:Fe＝1:1的比例和原料的纯度计算各原料的所需质量，充分研磨使其均匀混合；然后将上述粉末放入清洗干净的坩埚内并置于马弗炉中，在700℃第一次预烧10h，初步成相；所得产物经充分研磨后在750℃煅烧30h，使原料完全反应；再进行第三次充分研磨，然后根据所需尺寸进行压型，在800℃中烧结36h后获得BFO(BiFeO3)铁电陶瓷片；将得到的BFO铁电陶瓷片打磨到所需厚度。

2)、下电极的制备

在1)得到的BFO铁电陶瓷片的其中一面的边上涂上银胶作为下电极层，或者通过蒸镀或沉积的方法镀上Ag、Cu、Au其中的一种作为下电极层。

3)、上电极的制备

在1)得到的BFO铁铁电陶瓷另一表面通过蒸镀或者沉积的方法镀上Ag、Cu、Au和ITO导电层其中一种作为上电极层。

第二种，铁电材料是薄膜，以脉冲激光沉积法为例，太阳能电池结构的制作方法包括以下步骤：

1)、下电极的制备

首先将(001)取向的STO(SrTiO₃)基片或者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，然后用掩膜版挡住基片的中心，只留出边上部分，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，开始缓慢加热基片台。加热到700℃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LSMO(这里以La0.7Sr0.3MnO3：简写为LSMO为例作为测量光伏效应的下电极，也可以选择其他导电薄膜)靶材或者其他导电薄膜表面的污物，使靶材露出新鲜的表面，预溅射时间为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。

2)、BFO铁电薄膜的制备

BFO铁电薄膜的制备：在1)制备好的下电极的薄膜上制备BFO铁电薄膜：将LSMO/STO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，开始缓慢加热基片台。加热到650℃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。

3)上电极的制备 

在2)中制备好的BFO铁电薄膜表面通过蒸镀或沉积的方法镀上Ag、Cu、Au、ITO导电层中的其中一种作为上电极。

使用本发明太阳能电池结构以及上述制作方法进行实验测试：

以LSMO为下电极，BFO为铁电材料，Ag为上电极作为例子。首先采用脉冲激光沉积法在(001)取向的SrTiO3基片上沉积了30nm厚度的LSMO作为下电极，之后在LSMO上生长了2μm厚的BFO铁电薄膜，最后再BFO薄膜上沉积了边长为200μm，厚度为30nm的Ag作为上电极。测量光伏效应之前，用30V的电压将铁电薄膜进行极化，采用波长532nm，功率为10mW/cm²的激光作为光源，测得的结果如下：

其中，图6为BFO/LSMO/STO的XRD衍射图谱，图7为用传统办法测量光照的I-V曲线。图8为用本发明装置得到的I-V曲线图。从图中可以看出，用本发明装置得到的光伏效应明显增强了：光生电流从10μA/cm²增加到150μA/cm²，增加了15倍；光生电压从0.56V增加到1.6V，增加了2.7倍。相应地，光电转换效率从0.025％增加到0.13％。可见，本发明装置使得光电装换效率得到明显的提高，提高了几十倍以上。综上所述，如果减小本实验中上电极Ag的面积，则转换效率会提高得更多。此外，由于本实验中铁电薄膜的厚度只有约500nm，而上电极的边长为200μm，在这样的尺寸下，本装置中这种“非对称电极”所产生的离散电场得不到很好的体现，只有当厚度大于边长的时候效果才能达到最佳状态，例如，将500nm后的铁电薄膜换成厚度为1mm以上的铁电陶瓷，则得到的光伏效应会有明显的增强。

Claims (3)

1.一种太阳能电池结构，包括上电极层和下电极层以及设置在上电极层和下电极层之间的铁电材料层，其特征在于：所述下电极层设置在上电极层的外围。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池结构，其特征在于：所述下电极层完全包围上电极层在下电极层上的投影。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池结构，其特征在于：所述下电极层部分包围上电极层在下电极层上的投影。