CN113540289B - 一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，解决了如何拓宽太阳能响应波段，提高太阳能电池效率的问题，从制造光吸收层的太阳能电池薄膜出发，考虑基础的第一材料薄膜层及第二材料薄膜层，确定能够使太阳能电池的材料薄膜层光吸收谱产生红移或蓝移的应力方向，对第一材料薄膜层及第二材料薄膜层施加应力后进行堆叠，得到初始目标太阳能电池薄膜，以实现红移现象和蓝移现象重叠，提高光吸收谱与太阳光谱的重叠范围，沿第一应力方向或第二应力方向对初始目标太阳能电池薄膜施加应力，以弯曲所述初始目标太阳能电池薄膜，制成太阳能效率最优化的功能梯度材料，以提高所述太阳能电池的光吸收能力，从而提高太阳能电池的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，更具体地，涉及一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法。
背景技术
近年来，随着化石能源的消耗，人类环境问题日益加剧，太阳能作为一种清洁能源，在未来的发展中拥有广阔的空间，作为能将光能转换成电能的器件，太阳能电池自然成为其中最受关注的焦点。随着太阳能电池的应用越来越广泛，人们对太阳能电池的光电转化效率要求越来越高，如何拓宽太阳能响应波段是目前提高太阳能电池效率最重要的研究之一。
在一般情况下，太阳能电池的光电转化效率由其表面的光吸收层(可由太阳能电池薄膜制造)的材料决定。在实验方面，人们对太阳能电池的光吸收层材料进行了大量研究，如2012年1月4日，中国发明专利(公布号：CN102306666A)中公开了一种具有梯度能带的铜铟镓硒太阳能电池及其制备方法，该专利中提出使用CIGS四元靶材制备光吸收层，并采用间歇式溅射的方式在光吸收层中形成梯度能带，采用磁控溅射法制备ZnS过渡层取代传统的水浴沉积法制备CdS过渡层；实现了一步法制备CIGS光吸收层，通过使用CuGa靶或Ga靶的共溅射实现了光吸收层总能带的梯度分布，提高吸收层对入射光的吸收效率，从而提高了太阳能电池的光电转换效率，而且避免了有害元素的使用，规避了当前日益严格的环保要求，这种利用不同的材料制备太阳能电池的光吸收层或改变材料中分子结构来提升太阳能电池的效率的方法是有效的，但是对于工艺要求也严苛，一般情况下也不能满足工艺制备要求。
发明内容
为解决如何拓宽太阳能响应波段，提高太阳能电池效率的问题，本发明提出一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，制备的太阳能电池薄膜可拓宽太阳能电池的光响应波段及提高太阳能电池的光吸收效率，对进一步制造柔性太阳能电池的光吸收层具指导意义。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，所述方法制备的太阳能电池薄膜用于拓宽太阳能电池的光响应波段及提高太阳能电池的光吸收效率，包括第一材料薄膜层及第二材料薄膜层，所述制备方法至少包括:
S1.测定第一材料薄膜层的光吸收谱，确定使第一材料薄膜层的光吸收谱出现红移的第一应力方向，沿第一应力方向对第一材料薄膜层施加第一应力；
S2.测定第二材料薄膜层的光吸收谱，确定使第二材料薄膜层的光吸收谱出现蓝移的第二应力方向，沿第二应力方向对第二材料薄膜层施加第二应力；
S3.判断第一应力方向与第二应力方向是否平行，若是，执行步骤S4；否则，调整第一材料薄膜层的指向或第二材料薄膜层材料的指向，使第一应力方向与第二应力方向平行，执行步骤S4；
S4.沿第一应力方向或第二应力方向，将第一材料薄膜层与第二材料薄膜层进行堆叠，得到初始目标太阳能电池薄膜；
S5.沿第一应力方向或第二应力方向对初始目标太阳能电池薄膜施加应力，使初始目标太阳能电池薄膜弯曲，得到最终的太阳能电池薄膜。
在本技术方案中，考虑太阳能电池的光吸收能力与太阳能电池的光吸收层相关，从制造光吸收层的太阳能电池薄膜出发，考虑基础的第一材料薄膜层及第二材料薄膜层，确定能够使太阳能电池的材料薄膜层光吸收谱产生红移或蓝移的应力方向，对第一材料薄膜层及第二材料薄膜层施加应力后进行堆叠，得到初始目标太阳能电池薄膜，沿第一应力方向或第二应力方向对初始目标太阳能电池薄膜施加应力，以弯曲所述初始目标太阳能电池薄膜，制成太阳能效率最优化的功能梯度材料，以提高所述太阳能电池的光吸收能力，从而提高太阳能电池的工作效率。
优选地，步骤S1所述的第一应力方向的确定过程为：
S11.基于第一材料薄膜层的重心或中心或质心建立坐标系，所述坐标系包括X方向、Y方向、Z方向中的至少一个；
S12.基于第一性原理计算确定使光吸收谱发生红移的第一材料薄膜层在坐标系X方向、Y方向、Z方向中的至少一个方向，作为第一应力方向。
优选地，步骤S2所述的第二应力方向的确定过程为：
S21.基于第二材料薄膜层的重心或中心或质心建立坐标系，所述坐标系包括X方向、Y方向、Z方向中的至少一个；
S22.基于第一性原理计算确定使光吸收谱发生蓝移的第二材料薄膜层在坐标系X方向、Y方向、Z方向中的至少一个方向，作为第二应力方向。
在此，当材料薄膜层(第一材料薄膜层或第二材料薄膜层)中的有机化合物的方向结构发生变化，使其吸收带的最大吸收峰波长向短波移动，此现象称为蓝移；当有机化合物的结构发生变化，使其吸收带的最大吸收峰波长向长波方向移动，此现象称为红移，对第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层施加第一应力和/或第二应力后，第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层中的分子结构会发生变化，从而使第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层的光吸收峰出现红移和/或蓝移。
优选地，步骤S3所述调整第一材料薄膜层的指向或第二材料薄膜层材料的指向的方式为：
设置预设方向M为X方向、Y方向、Z方向中的一个，将第一材料薄膜层或第二薄膜材料绕预设方向M旋转，使第一应力方向与第二应力方向平行。
在此，在堆叠第一材料薄膜层和第二材料薄膜层时，第一应力方向和第二应力方向平行，能够有效拓宽薄膜材料的太阳能光谱响应波段，以提高通过薄膜材料制成的太阳能电池的工作效率。
优选地，初始目标太阳能电池薄膜弯曲时，目标太阳能电池薄膜的上表面形变最大，太阳能电池薄膜的中间层形变逐渐减小，下表面的形变最小。
优选地，所述第一材料薄膜层与第二材料薄膜层堆叠设置，堆叠的第一材料薄膜层与第二材料薄膜层分别为已施加第一应力的第一材料薄膜层及已施加第二应力的第二材料薄膜层，第一应力方向与第二应力方向平行。
优选地，所述第一材料薄膜层及第二材料薄膜层均有若干个，若干个第一材料薄膜层中的一个第一材料薄膜层与若干个第二材料薄膜层中的一个第二材料薄膜层依次交替堆叠设置，即太阳能电池薄膜的第一层薄膜材料为第一材料薄膜层，太阳能电池薄膜的第二层薄膜材料为第二材料薄膜层，太阳能电池薄膜的第三层薄膜材料为第三材料薄膜层，以此类推。
优选地，所述第一材料薄膜层及第二材料薄膜层均由砷元素、硅元素、磷元素中的至少一种元素制成。
优选地，所述第一材料薄膜层与第二材料薄膜层的构成元素相同。
优选地，所述第一材料薄膜层与第二材料薄膜层的构成元素不同。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，从制造光吸收层的太阳能电池薄膜出发，考虑基础的第一材料薄膜层及第二材料薄膜层，确定能够使太阳能电池的材料薄膜层光吸收谱产生红移或蓝移的应力方向，对第一材料薄膜层及第二材料薄膜层施加应力后进行堆叠，得到初始目标太阳能电池薄膜，以实现红移现象和蓝移现象重叠，提高光吸收谱与太阳光谱的重叠范围，沿第一应力方向或第二应力方向对初始目标太阳能电池薄膜施加应力，以弯曲所述初始目标太阳能电池薄膜，制成太阳能效率最优化的功能梯度材料，以提高所述太阳能电池的光吸收能力，从而提高太阳能电池的工作效率。
附图说明
图1表示本发明实施例1中提出的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法的流程示意图；
图2表示本发明实施例1中提出的一种砷分子结构示意图。
图3为本发明实施例1提供的第一材料薄膜层在第一应力方向施加第一应力后的光吸收峰示意图；
图4表示本发明实施例1提供的第二材料薄膜层在第二应力方向施加第二应力后的光吸收峰示意图；
图5表示本发明实施例1中提出的一种初始目标太阳能电池薄膜沿X方向弯曲的结构示意图；
图6表示本发明实施例1中提出的另一种初始目标太阳能电池薄膜沿Z方向弯曲的结构示意图；
图7表示本发明实施例1中提出的太阳能电池薄膜的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
考虑太阳能电池的光吸收能力与太阳能电池的光吸收层相关，本实施例从制造光吸收层的太阳能电池薄膜出发，如图1所示，提出一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，该方法制备的太阳能电池薄膜用于拓宽太阳能电池的光响应波段及提高太阳能电池的光吸收效率，太阳能电池薄膜包括第一材料薄膜层及第二材料薄膜层，参见图1，所述制备方法包括:
S1.测定第一材料薄膜层的光吸收谱，确定使第一材料薄膜层的光吸收谱出现红移的第一应力方向，沿第一应力方向对第一材料薄膜层施加第一应力；
S2.测定第二材料薄膜层的光吸收谱，确定使第二材料薄膜层的光吸收谱出现蓝移的第二应力方向，沿第二应力方向对第二材料薄膜层施加第二应力；
在本实施例中，所述的第一材料薄膜层的光吸收谱可以通过光吸收谱测试仪器直接测得，第二材料薄膜层的光吸收谱也是类似。
S3.判断第一应力方向与第二应力方向是否平行，若是，执行步骤S4；否则，调整第一材料薄膜层的指向或第二材料薄膜层材料的指向，使第一应力方向与第二应力方向平行，执行步骤S4；
S4.沿第一应力方向或第二应力方向，将第一材料薄膜层与第二材料薄膜层进行堆叠，得到初始目标太阳能电池薄膜；
S5.沿第一应力方向或第二应力方向对初始目标太阳能电池薄膜施加应力，使初始目标太阳能电池薄膜弯曲，得到最终的太阳能电池薄膜。
在本实施例中，步骤S1所述的第一应力方向的确定过程为：
S11.基于第一材料薄膜层的重心或中心或质心建立坐标系，所述坐标系包括X方向、Y方向、Z方向中的至少一个；
S12.基于第一性原理计算确定使光吸收谱发生红移的第一材料薄膜层在坐标系X方向、Y方向、Z方向中的至少一个方向，作为第一应力方向。
在本实施例中，步骤S2所述的第二应力方向的确定过程为：
S21.基于第二材料薄膜层的重心或中心或质心建立坐标系，所述坐标系包括X方向、Y方向、Z方向中的至少一个；
S22.基于第一性原理计算确定使光吸收谱发生蓝移的第二材料薄膜层在坐标系X方向、Y方向、Z方向中的至少一个方向，作为第二应力方向。
在此，当材料薄膜层(第一材料薄膜层或第二材料薄膜层)中的有机化合物的方向结构发生变化，使其吸收带的最大吸收峰波长向短波移动，此现象称为蓝移；当有机化合物的结构发生变化，使其吸收带的最大吸收峰波长向长波方向移动，此现象称为红移，对第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层施加第一应力和/或第二应力后，第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层中的分子结构会发生变化，从而使第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层的光吸收峰出现红移和/或蓝移。而无论是第一材料薄膜层还是第二材料薄膜层，均包括至少一个方向，能够使光吸收谱出现红移和/或蓝移现象。第一材料薄膜层及第二材料薄膜层可用于指示不同元素构成的材料层，也可以指示相同元素构成的材料层，不同元素或相同元素的薄膜材料的光吸收谱发生红移及蓝移的应力方向不同。
在本实施例中，设第一材料薄膜层和第二材料薄膜层均由砷元素构成，砷分子结构示意图如图2所示，具有X方向、Y方向和Z方向三个预设方向，其中，该砷分子结构的厚度为35A、直接带隙为1.32eV、晶格常数为a＝3.646、b＝34.382、c＝9.542、空间群为Pmc21。第一性原理计算是基于密度泛函理论的VASP模拟软件包，其中，在计算过程中，基于广义梯度近似(GGA)采用PBE交换关联函数描述，力学收敛标准为
平面波截止能量为550eV，可以通过第一性原理计算确定第一材料薄膜层在X方向上的第一应力方向，确定第二材料薄膜层在Z方向上的第二应力方向，对于第一应力方向和/或第二应力方向的计算，可以以砷的晶胞结构模型的VASP结构文件和其他输入文件为依据进行计算，部分关键参数如：PBE交换关联函数、平面波截止能量550 eV以及力学收敛标准为
VASP软件包的输出即为第一应力方向和/或第二应力方向。所述第一应力为8％的应力，所述第二应力为3％的应力，沿所述第一材料薄膜层的X方向施加第一应力，如图3所示，此时第一材料薄膜层的光吸收峰发生红移(箭头方向)，同样的，沿所述第二材料薄膜层的Z方向施加第二应力，如图4所示，此时第二材料薄膜层的光吸收峰发生蓝移(箭头方向)，在本实施例中，图3与图4仅做红移与蓝移的示意，对第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层施加第一应力和/或第二应力后，第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层中的砷分子结构会发生变化，从而使第一材料薄膜层和/或第二材料薄膜层的光吸收峰出现红移和/或蓝移。
在第一材料薄膜层的X方向施加的第一应力或在第二材料薄膜层的Z方向施加的第二应力有效提高了薄膜材料的太阳能吸收能力。与在Z方向施加的第二应力相比，在X方向施加第一应力对太阳能吸收能力的影响更明显，在X方向施加的第一应力越大，太阳能吸收能力越大。
在本实施例中，步骤S3所述调整第一材料薄膜层的指向或第二材料薄膜层材料的指向的方式为：
设置预设方向M为X方向、Y方向、Z方向中的一个，将第一材料薄膜层或第二薄膜材料绕预设方向M旋转，使第一应力方向与第二应力方向平行。初始目标太阳能电池薄膜弯曲时，目标太阳能电池薄膜的上表面形变最大，太阳能电池薄膜的中间层形变逐渐减小，下表面的形变最小。对初始目标太阳能电池薄膜沿第一应力方向或第二应力方向施加应力，以使初始目标太阳能电池薄膜的材料弯曲。图5表示一种初始目标太阳能电池薄膜沿X方向弯曲的结构示意图；图6表示另一种初始目标太阳能电池薄膜沿Z方向弯曲的结构示意图；即可以对初始目标太阳能电池薄膜进行X方向上或Z方向上的弯曲。其中，在初始目标太阳能电池薄膜弯曲时，内外表面的变形是不同的。外表面变形最大，沿负Y方向，中间层变形逐渐减小，内表面的变形最小。弯曲后的初始目标太阳能电池薄膜能够拓宽太阳能光谱响应波段，能够制成太阳能效率最优化的电池功能梯度材料，提升光吸收层的光吸收效率，以提高太阳能电池的光吸收能力。
在本实施例中，利用本发明所提方法制备的太阳能电池薄膜的第一材料薄膜层与第二材料薄膜层堆叠设置，堆叠的第一材料薄膜层与第二材料薄膜层分别为已施加第一应力的第一材料薄膜层及已施加第二应力的第二材料薄膜层，第一应力方向与第二应力方向平行。
第一材料薄膜层及第二材料薄膜层均由砷元素、硅元素、磷元素中的至少一种元素制成，材料薄膜层可以通过砷的某种分子结构、硅的某种分子结构以及磷的某种分子结构构成，不同的元素和/或元素的不同分子结构可以使薄膜材料具有不同的光吸收能力。
在本实施例中，第一材料薄膜层及第二材料薄膜层均有若干个，若干个第一材料薄膜层中的一个第一材料薄膜层与若干个第二材料薄膜层中的一个第二材料薄膜层依次交替堆叠设置，堆叠方式如图7所示，其中A用于表示第一材料薄膜层，B用于表示第二材料薄膜层，在对第一材料薄膜层和第二材料薄膜层堆叠时，将第一材料薄膜层和第二材料薄膜层交替堆叠，例如，第一材料薄膜层A有三个，编号为1、2、3，第二材料薄膜层B也有三个，编号为4、5、6，堆叠时按照142536的编号顺序进行堆叠，堆叠后得到初始目标太阳能电池薄膜。可以理解的，对第一材料薄膜层进行编号只是方便理解，不同编号的第一材料薄膜层的分子结构一样。
在本实施例中，第一材料薄膜层与第二材料薄膜层的构成元素相同，即第一材料薄膜层和第二材料薄膜层可以由同一种元素制成，例如第一材料薄膜层和第二材料薄膜层均是由砷元素制成的，但相同元素构成的薄膜材料发生红移对应的第一应力方向，与发生蓝移对应的第二应力方向也可能会不相同。
实施例2
与实施例1相比不同的地方，本实施例中的第一材料薄膜层与第二材料薄膜层的构成元素不同，第一材料薄膜层可以是由砷元素构成的薄膜材料，第二材料薄膜层可以是由硅元素构成的薄膜材料，对不同元素构成的薄膜材料，不同元素构成的材料薄膜层发生红移或蓝移对应的应力方向可能会不相同，在不同方向上施加应力，然后进行堆叠得到初始目标太阳能电池薄膜。
通过对不同元素构成的材料薄膜层施加不同方向的应力，并将第二材料薄膜层从Z轴绕X轴旋转90°，以使第一应力方向与第二应力方向平行。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法制备的太阳能电池薄膜用于拓宽太阳能电池的光响应波段及提高太阳能电池的光吸收效率，包括第一材料薄膜层及第二材料薄膜层，所述制备方法至少包括:
S1.测定第一材料薄膜层的光吸收谱，确定使第一材料薄膜层的光吸收谱出现红移的第一应力方向，沿第一应力方向对第一材料薄膜层施加第一应力；
S2.测定第二材料薄膜层的光吸收谱，确定使第二材料薄膜层的光吸收谱出现蓝移的第二应力方向，沿第二应力方向对第二材料薄膜层施加第二应力；
S3.判断第一应力方向与第二应力方向是否平行，若是，执行步骤S4；否则，调整第一材料薄膜层的指向或第二材料薄膜层材料的指向，使第一应力方向与第二应力方向平行，执行步骤S4；
S4.沿第一应力方向或第二应力方向，将第一材料薄膜层与第二材料薄膜层进行堆叠，得到初始目标太阳能电池薄膜；
S5.沿第一应力方向或第二应力方向对初始目标太阳能电池薄膜施加应力，使初始目标太阳能电池薄膜弯曲，得到最终的太阳能电池薄膜。
2.根据权利要求1所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的第一应力方向的确定过程为：
S11.基于第一材料薄膜层的重心或中心或质心建立坐标系，所述坐标系包括X方向、Y方向、Z方向中的至少一个；
S12.基于第一性原理计算确定使光吸收谱发生红移的第一材料薄膜层在坐标系X方向、Y方向、Z方向中的至少一个方向，作为第一应力方向。
3.根据权利要求2所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的第二应力方向的确定过程为：
S21.基于第二材料薄膜层的重心或中心或质心建立坐标系，所述坐标系包括X方向、Y方向、Z方向中的至少一个；
S22.基于第一性原理计算确定使光吸收谱发生蓝移的第二材料薄膜层在坐标系X方向、Y方向、Z方向中的至少一个方向，作为第二应力方向。
4.根据权利要求3所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3所述调整第一材料薄膜层的指向或第二材料薄膜层材料的指向的方式为：
设置预设方向M为X方向、Y方向、Z方向中的一个，将第一材料薄膜层或第二薄膜材料绕预设方向M旋转，使第一应力方向与第二应力方向平行。
5.根据权利要求1所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，初始目标太阳能电池薄膜弯曲时，目标太阳能电池薄膜的上表面形变最大，太阳能电池薄膜的中间层形变逐渐减小，下表面的形变最小。
6.根据权利要要求1所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一材料薄膜层与第二材料薄膜层堆叠设置，堆叠的第一材料薄膜层与第二材料薄膜层分别为已施加第一应力的第一材料薄膜层及已施加第二应力的第二材料薄膜层，第一应力方向与第二应力方向平行。
7.根据权利要求6所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一材料薄膜层及第二材料薄膜层均有若干个，若干个第一材料薄膜层中的一个第一材料薄膜层与若干个第二材料薄膜层中的一个第二材料薄膜层依次交替堆叠设置。
8.根据权利要求6所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一材料薄膜层及第二材料薄膜层均由砷元素、硅元素、磷元素中的至少一种元素制成。
9.根据权利要求8所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一材料薄膜层与第二材料薄膜层的构成元素相同。
10.根据权利要求8所述的拓宽光响应波段的太阳能电池薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一材料薄膜层与第二材料薄膜层的构成元素不同。
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