CN107039549A - 一种薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜太阳能电池，包括：外延片，所述外延片包括由下往上依次设置的衬底、背电极层、光吸收层和正面电极层；所述外延片一侧或两侧设有壳核纳米结构层；使所述薄膜太阳能电池光学吸收性增强，电池的效率提高，保证电池性能。
Description
技术领域
本发明涉及光伏能源领域，具体涉及一种薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
环境污染和能源短缺已成为制约社会的可持续发展的关键因素，太阳能作为可再生能源技术代表了清洁能源的发展方向，太阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。目前成熟商用Si太阳电池普遍厚度为200微米～1000微米。其中，薄膜太阳能电池具备弱光条件下仍可发电、生产过程能耗低及可大幅度降低原料和制造成本等一系列优势，已成为近年来的研究热点，其市场发展潜力巨大。
然而薄膜太阳能电池由于光吸收层厚度薄的特性，造成光吸收层光吸收性弱，使薄膜太阳能电池光吸收性受到影响。目前，可通过增加金属纳米结构增作为等离子元来增强薄膜太阳电池的吸收，利用金属特有的表面等离子共振(surfaceplasmonresonace,SPR)，包括纳米颗粒的近场增强和纳米颗粒的远场散射，可提高光学吸收效率。但是，金属纳米结构会作为复合中心，增加表面复合和体内复合，导致太阳电池的电学性能降低。而且，金属纳米结构会导致背散射，从而导致进被吸收的光减少。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种薄膜太阳能电池及其制备方法，所述薄膜太阳能电池设置壳核纳米结构层，使所述薄膜太阳能电池光学吸收性增强，电池的效率提高，保证电池性能，减少了薄膜太阳能电池制备材料的使用，降低生产成本。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是提供一种薄膜太阳能电池，包括：外延片，所述外延片包括由下往上依次设置的衬底、背电极层、光吸收层和正面电极层；所述外延片一侧或两侧设有壳核纳米结构层。
优选的，所述薄膜太阳能电池厚度≥2μm。
优选的，所述壳核纳米结构层由壳核纳米颗粒形成。
优选的，所述壳核纳米结构层由壳核纳米颗粒耦合形成。
优选的，所述壳核纳米结构层由壳核纳米颗粒热蒸发法耦合形成。
优选的，所述壳核纳米颗粒包括：内核和外壳；所述内核为Au、Ag、Al或Cu，所述外壳为绝缘体、半导体。
优选的，所述内核为Au或Ag。
优选的，所述绝缘体为SiO2或Si3N4，所述半导体为GaAs、Si或InP。
优选的，所述外壳为SiO2或Si3N4。
优选的，所述内核直径为10～400nm。
优选的，所述外壳直径为0～400nm。
优选的，所述外延片的上侧设有所述壳核纳米结构层，所述壳核纳米结构层紧贴所述正面电极层。
优选的，所述光吸收层包括p型半导体层、n型半导体层中至少一种。
优选的，所述p型半导体层为铜铟镓硒半导体层、III-V族化合物半导体层、硅半导体层；所述n型半导体层为铜铟镓硒半导体层、III-V族化合物半导体层、硅光吸半导体层。
优选的，所述光吸收层还包括i型本征层。
优选的，所述光吸收层厚度为1～10μm。
优选的，所述光吸收层和所述正面电极层之间设置减反射层。
优选的，所述减反射层为Si3N4反射层。
优选的，所述衬底为硅衬底、玻璃衬底或锡箔纸衬底。
优选的，所述正面电极为梳状电极。
优选的，所述正面电极为Au、Ag或Al。
优选的，所述正面电极厚度大于20nm。
本发明还提供了一种薄膜太阳能电池的制备方法，包括：在衬底上依次形成背电极层、光吸收层和正面电极层，得到外延片；在所述外延片的一侧或两侧耦合壳核纳米颗粒，得到所述薄膜太阳能电池。
优选的，在所述外延片的一侧或两侧热蒸发法耦合壳核纳米颗粒。
优选的，所述热蒸发法耦合壳核纳米颗粒加热温度为100摄氏度摄氏度。
优选的，在所述外延片的上侧或两侧耦合壳核纳米颗粒。
优选的，所述的制备方法还包括以Au、Ag、Al或Cu为内核材料，以绝缘体或半导体为外壳材料，采用液相还原法、溶剂热合成法或合成法合成所述壳核纳米颗粒。
优选的，所述的制备方法还包括在所述光吸收层和所述正面电极层之间形成减反射层。
优选的，所述的制备方法还包括在所述光吸收层和所述正面电极层之间采用蒸镀法、气相沉积法形成所述减反射层。
优选的，所述光吸收层和所述正面电极层之间采用等离子增强化学气相沉积法所述形成减反射层。
优选的，所述等离子增强化学气相沉积法形成所述减反射层，形成温度为250°，形成时间为100s，形成速度为1nm/Min。
优选的，采用蒸镀法或丝网印刷形成所述背面电极层。
优选的，所述蒸镀法为磁控溅射法、电子束蒸发法。
优选的，采用掩膜法形成所述正面电极层。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
本申请提供的薄膜太阳能电池包括壳核纳米结构层，用壳核纳米结构层散射均匀性增强，散射截面增大，前向散射增强，背向散射减弱，增强了薄膜太阳能电池光学吸收性；进一步的保证光吸收层厚度为1～10μm条件下，薄膜太阳能电池的光吸收性好，利于减少薄膜太阳能电池厚度，减少了薄膜太阳能电池制备材料的使用，从而节约薄膜太阳能电池的制造成本。
本申请技术方案中由内核为金属，电介质外壳为电介质的壳核纳米颗粒耦合形成的壳核纳米结构层可阻止表面复合，从而增大薄膜太阳能电池光电流、提高薄膜太阳能电池的效率、保证薄膜太阳能电池性能。
本申请壳核纳米颗粒耦合形成的壳核纳米结构层增强了薄膜太阳能电池陷光效应，增加了进入到电池内部的光子数量,进而提高太阳能电池的光电转换效率。
本申请光吸收层和正面电极层之间设置减反射层。利用光在减反射层上、下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射，增加薄膜太阳能电池的光吸收性。
附图说明
图1为本申请实施例所述的薄膜太阳能电池样品和对照例所述的电池样品I-V曲线图；
图2为实施例1的薄膜太阳能电池样品入射光极化图；
图3为实施例7的薄膜太阳能电池样品入射光极化图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种薄膜太阳能电池，包括：外延片，所述外延片包括由下往上依次设置的衬底、背电极层、光吸收层和正面电极层；所述外延片的上侧设有壳核纳米结构层，所述壳核纳米结构层紧贴所述正面电极层。所述壳核纳米结构层由壳核纳米颗粒热蒸发法耦合形成，所述壳核纳米颗粒包括：内核和外壳；所述内核为Au，所述外壳为绝缘体，所述绝缘体为SiO2。所述内核直径为10～400nm，所述外壳直径为0～400nm。
所述薄膜太阳能电池厚度≥2μm，所述衬底为硅衬底，所述硅衬底电阻率为1Ω·cm。所述光吸收层包括p型半导体层，所述p型半导体层为铜铟镓硒半导体层；所述半导体层厚度为1～10μm；所述正面电极为梳状电极，所述正面电极为Au，所述正面电极厚度大于20nm。
本实施例所述薄膜太阳能电池的制备方法，包括：在衬底上依次形成背电极层、光吸收层和正面电极层，得到外延片；在所述外延片的上侧热蒸发法耦合壳核纳米颗粒，所述热蒸发法加热温度为100摄氏度，得到所述薄膜太阳能电池；其中，以Au为内核材料，以半导体为外壳材料，采用液相还原法合成所述壳核纳米颗粒；采用磁控溅射法形成所述背面电极层；采用掩膜法形成所述正面电极层。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒内核为Ag。
实施例3
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒内核为Al。
实施例4
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒内核为Cu。
实施例5
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒外壳为绝缘体，所述绝缘体为Si3N4。
实施例6
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒外壳为半导体，所述半导体为GaAs。
实施例7
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒外壳为半导体，所述半导体为Si。
实施例8
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池及其制备方法中壳核纳米颗粒外壳为半导体，所述半导体为InP。
实施例9
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池外延片的下侧设有壳核纳米结构层，所述壳核纳米结构层紧贴所述衬底。
本实施薄膜太阳能电池制备方法中，在外延片的的下侧耦合壳核纳米颗粒。
实施例10
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池外延片的两侧设有壳核纳米结构层。
本实施薄膜太阳能电池制备方法中，在外延片的的两侧耦合壳核纳米颗粒。
实施例11
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池光吸收层和正面电极层之间设置减反射层，所述减反射层为Si3N4减反射层。
本实施薄膜太阳能电池制备方法中，在光吸收层和正面电极层之间采用等离子增强化学气相沉积法形成减反射层，形成温度为250°，形成时间为100s，形成速度为1nm/Min。
实施例12
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括p型半导体层，所述p型半导体层为III-V族化合物半导体层。
实施例13
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括p型半导体层，所述p型半导体层为硅半导体层。
实施例14
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括n型半导体层，所述n型半导体层为硅半导体层。
实施例15
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括n型半导体层，所述n型半导体层为铜铟镓硒半导体层。
实施例16
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括n型半导体层，所述n型半导体层为III-V族化合物半导体层。
实施例17
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括n型半导体层，所述n型半导体层为硅光吸半导体层。
实施例18
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括p型半导体层和n型半导体层，所述p型半导体层和n型光吸收层均为铜铟镓硒半导体层。
实施例19
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括p型半导体层和n型半导体层，所述p型半导体层和n型半导体层均为III-V族化合物半导体层。
实施例20
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
所述光吸收层包括p型半导体层、n型半导体层和i型本征层，所述p型半导体层和n型半导体层均为硅光吸光吸收
实施例21
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施薄膜太阳能电池衬底为玻璃衬底，正面电极为Ag。
本实施薄膜太阳能电池制备方法中，采用溶剂热合成法合成壳核纳米颗粒，采用电子束蒸发法形成背面电极层。
实施例22
本实施例除下述特征外，其他均与实施例9相同：
本实施薄膜太阳能电池衬底为锡箔纸衬底，正面电极为Al。
本实施薄膜太阳能电池制备方法中，采用合成法合成壳核纳米颗粒，采用蒸镀法形成减反射层，采用丝网印刷所述背面电极层。
实施例22
壳核纳米颗粒内核材质对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例1-4所述的薄膜太阳能电池样品(壳核纳米颗粒内核分别为Au、Ag、Al、Cu)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表1。
表2壳核纳米颗粒内核材质对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 8.10 | 0.75 | 15.0 | 72.1 |
| 实施例2 | 7.07 | 0.74 | 13.4 | 71.3 |
| 实施例3 | 6.77 | 0.72 | 13.2 | 71.2 |
| 实施例4 | 7.16 | 0.72 | 14.1 | 70.6 |
其中，Eff为光电转换效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出的实施例1、2样品电池性能较好，即壳核纳米颗粒内核分别为Au、Ag时，其电池性较好，为优选方案。
实施例24
壳核纳米颗粒外壳材质对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例1、5～8所述的薄膜太阳能电池样品(壳核纳米颗粒外壳分别为SiO2、Si3N4、GaAs、Si、InP)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表2。
表2壳核纳米颗粒外壳材质对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 8.10 | 0.75 | 15.0 | 72.1 |
| 实施例5 | 7.56 | 0.71 | 14.8 | 70.0 |
| 实施例6 | 7.26 | 0.71 | 14.2 | 72.0 |
| 实施例7 | 7.21 | 0.72 | 14.1 | 71.0 |
| 实施例8 | 7.31 | 072 | 14.3 | 71.0 |
其中，Eff为光电转换效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上可以看出的壳核纳米颗粒外壳为绝缘体、半导体，所述绝缘体为SiO2或Si3N4，所述半导体为Si、GaAs或InP；从数据可知，实施例1、5样品电池性能较好，即外壳为SiO2或Si3N4时，其电池性较好，为优选方案。
实施例25
壳核纳米结构层对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：
实施例1所述的薄膜太阳能电池样品(为外延片的上侧设置壳核纳米结构)；
对照例所述的薄膜太阳能电池样品，包括：外延片，所述外延片包括由下往上依次设置的衬底、背电极层、光吸收层和正面电极层；所述外延片的上侧耦合金纳米结构层，所述金纳米结构层紧贴所述正面电极层，所述金纳米结构层由金纳米颗粒热蒸发法耦合形成，所示金纳米颗粒半径为50nm；所述衬底为硅衬底。所述光吸收层包括p型光吸收层，所述p型光吸收层为铜铟镓硒光吸收层；所述光吸收层厚度为1～10μm。
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表3、图1。
图1为本申请实施例1所述的薄膜太阳能电池样品和对照例样品的I-V曲线图
表3壳核纳米结构层对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 8.10 | 0.75 | 15.0 | 72.1 |
| 对照例 | 6.40 | 0.74 | 12.0 | 72.1 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
可以看出的实施例1所述样品电池性能明显优于对照例所示样品，即本发明提供的薄膜太阳能电池有壳核纳米结构层，入射光向前散射得到增强，向后散射得到减弱，散射均匀性增强，光学吸收性增强。
实施例26
壳核纳米结构层位置对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例9、10所述的薄膜太阳能电池样品(分别为外延片的上侧、下侧、两侧设置壳核纳米结构层)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表4。
表4壳核纳米结构层位置对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 8.10 | 0.75 | 15.0 | 72.1 |
| 实施例9 | 6.19 | 0.72 | 12.1 | 71.1 |
| 实施例10 | 8.94 | 0.71 | 18.0 | 70.0 |
其中，Eff光电转换效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
同时；观察实施例1的薄膜太阳能电池样品入射光极化现象，如图2所示；观察实施例7的薄膜太阳能电池样品入射光极化现象，如图3所述。
可以看出实施例1样品电池对前向散射增强，背向散射减弱效果明显优于实施例9样品电池，即外延片上侧设置壳核纳米结构层对光学吸收性的增强优于外延片下侧设置壳核纳米结构层对光学吸收性的增强优于，外延片上侧设置壳核纳米结构层为优选方案；实施例10样品电池光电转换效率大于实施例1和实施例9样品电池，即外延片两侧侧设置壳核纳米结构层对光学吸收性的增强优于外延片一侧设置壳核纳米结构层，外延片两侧设置壳核纳米结构层为更优方案。
实施例27
减反射层对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例1、11所述的薄膜太阳能电池样品(分别为薄膜太阳能电池不包括减反射层，薄膜太阳能电池包括减反射层)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表5。
表5减反射层对薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 8.10 | 0.75 | 15.0 | 72.1 |
| 实施例11 | 9.53 | 0.69 | 20.0 | 69.1 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出的实施例11样品电池性能较好，即薄膜太阳能电池光吸收层和正面电极层之间设置层Si3N4反射层时，其电池性较好，为优选方案。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜太阳能电池，包括：外延片，其特征在于，所述外延片包括由下往上依次设置的衬底、背电极层、光吸收层和正面电极层；所述外延片一侧或两侧设有壳核纳米结构层。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述壳核纳米结构层由壳核纳米颗粒形成。
3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述壳核纳米颗粒包括：内核和外壳；所述内核为Au、Ag、Al或Cu，所述外壳为绝缘体、半导体。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述外延片的上侧设有所述壳核纳米结构层，所述壳核纳米结构层紧贴所述正面电极层。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层包括p型半导体层、n型半导体层中至少一种。
6.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述p型半导体层为铜铟镓硒半导体层、III-V族化合物半导体层、硅半导体层；所述n型半导体层为铜铟镓硒半导体层、III-V族化合物半导体层、硅半导体层。
7.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层和所述正面电极层之间设置减反射层。
8.根据权利要求7所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述减反射层为Si3N4反射层。
9.一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上依次形成背电极层、光吸收层和正面电极层，得到外延片；在所述外延片的一侧或两侧耦合壳核纳米颗粒，得到所述薄膜太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括以Au、Ag、Al或Cu为内核材料，以绝缘体或半导体为外壳材料，采用液相还原法、溶剂热合成法或合成法合成所述壳核纳米颗粒。
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| CN201710288579.XA CN107039549A (zh) | 2017-05-25 | 2017-05-25 | 一种薄膜太阳能电池及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710288579.XA CN107039549A (zh) | 2017-05-25 | 2017-05-25 | 一种薄膜太阳能电池及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109148611A (zh) * | 2018-07-31 | 2019-01-04 | 江苏理工学院 | 一种利用岛状银纳米颗粒增强铜铟镓硒太阳能电池效率的方法 |
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| CN103441191A (zh) * | 2013-08-21 | 2013-12-11 | 华北电力大学 | 一种薄膜太阳电池Ag/Al芯壳复合纳米颗粒陷光结构的制备方法 |
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2017
- 2017-05-25 CN CN201710288579.XA patent/CN107039549A/zh active Pending
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