CN114503287B - 用于薄膜太阳能电池的改进的超晶格结构 - Google Patents

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Abstract

薄膜太阳能电池的超晶格结构。超晶格结构包括纳米晶体的多个叠加层，并且被配置为当其受到太阳辐射照射时产生穿过所述层的电子流。层中的每一层包括纳米晶体阵列，该纳米晶体阵列具有基本相同的尺寸和形状，并且层中的每一层的纳米晶体相对于其他层的纳米晶体具有不同的尺寸和/或不同的形状。层以超晶格结构为各向异性的顺序排列。本发明还涉及一种包括该超晶格结构的薄膜太阳能电池和制造该超晶格结构的方法。

Description

用于薄膜太阳能电池的改进的超晶格结构
技术领域
本发明涉及一种用于薄膜太阳能电池的超晶格结构，包括超晶格结构的薄膜太阳能电池，以及制造该超晶格结构的方法。
背景技术
众所周知，太阳能电池或光伏电池是一种通过光伏效应将光能直接转化为电能的设备。
太阳能电池最相关的特征是它的效率，即，太阳能电池可以将以太阳辐射形式存在的部分能量转化为电能的。
第一代太阳能电池(也称为常规的、传统的或基于晶片的电池)通常由晶体硅制成，更准确地说，包括多晶硅和单晶硅等材料。单个的传统太阳能电池通常组合成模块，也称为太阳能电池板。
这些硅基太阳能电池以具有竞争力的成本提供了相对较高的效率(就能量转换效率而言)，因此，目前仍在商业上占主导地位。
在现有技术中，传统的硅基太阳能电池使用单个p-n结，其最高效率约为30％。
众所周知，这些使用单个p-n结的传统硅基太阳能电池具有33％-34％的最大理论效率，称为“Shockley-Queisser极限”。
多结太阳能电池也已知具有更高的效率极限，但它们非常昂贵并且不易制造：它们更高的复杂性和制造价格限制了它们的特殊用途，特别是在航空航天中，它们的高功率重量比是可取的。
除了上述效率极限外，硅基太阳能电池还存在其他限制，特别是在多功能性、重量和尺寸、生产速度以及灵活性等特征方面。
随着时间的推移，已经开发出第二代太阳能电池，通常称为薄膜太阳能电池。
已知的薄膜太阳能电池通常是通过在诸如玻璃、塑料或金属的衬底上沉积一个或多个光伏材料的薄层或薄膜(TF)来制造的。薄膜通常包括碲化镉(CdTe)、二硒化铜铟镓(CIGS)和非晶薄膜硅(a-Si、TF-Si)等材料。
薄膜的厚度从几纳米(nm)到几十微米(μm)不等，因此薄膜太阳能电池比传统的硅基太阳能电池薄得多。这使得薄膜太阳能电池比晶体硅太阳能电池更灵活，重量更轻，因此更通用。此外，这些已知的薄膜太阳能电池比传统的晶体硅太阳能电池便宜。
例如，如今，薄膜太阳能电池通常用于建造集成光伏，并作为可层压在窗户上的半透明光伏玻璃材料。
然而，在现有技术中，薄膜太阳能电池的效率低于传统的晶体硅太阳能电池。
事实上，已知的薄膜太阳能电池的最大效率约为10％。
近年来，人们研究了一些新的薄膜太阳能电池吸收光伏材料，其中就有超晶格结构。
众所周知，所提及的超晶格是包括纳米晶体阵列的周期性结构，纳米晶体也称为“量子点”或“量子线”，其是几纳米尺寸的半导体颗粒。更准确地说，这种纳米晶体的尺寸小于其构成物质的玻尔半径，因此由于量子效应，它们具有特殊的光学和电子特性。
根据已知的技术，光伏超晶格是各向同性结构，其中纳米晶体实际上是改组的。
虽然理论上很有前途，但这些光伏超晶格至今还没有达到足够的效率来用于商业应用。
事实上，在现有技术中，已知的具有超晶格作为吸收光伏材料的薄膜太阳能电池的最大效率约为8％-12％。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术问题，消除现有技术的缺点并克服现有技术的局限性，提供一种相对于现有技术提高了效率的薄膜太阳能电池。
在该目的的范围内，本发明的目的是提供一种易于制造并且成本具有竞争力的薄膜太阳能电池。
此外，本发明的目的是提供一种通用性强的薄膜太阳能电池。
本发明的另一个目的是还提供已知解决方案的替代方案。
这一目标以及下文将变得更清楚的这些和其他目的通过薄膜太阳能电池的超晶格结构来实现，所述超晶格结构包括纳米晶体的多个叠加层，并且被配置为当其受到太阳辐射照射时产生穿过所述层的电子流，其中，所述层中的每一层包括具有基本相同尺寸和形状的纳米晶体阵列，
并且其中，所述层中的每一层的纳米晶体相对于其他层的纳米晶体具有不同的尺寸和/或不同的形状；
所述层以所述超晶格结构为各向异性的顺序排列。
这一目标和这些目的还通过根据权利要求8的薄膜太阳能电池来实现。
这一目标和这些目的还通过根据权利要求9的制造超晶格结构的方法来实现。
附图说明
通过以下对根据本发明的超晶格结构和薄膜太阳能电池的优选但非排他性实施例的描述，本发明的前述以及进一步特征和优点将变得更加显而易见，所述薄膜太阳能电池包括借助于非限制性示例在附图中示出的超晶格结构，其中：
图1是根据本发明的薄膜太阳能电池的示意图；
图2是根据本发明的超晶格结构的示意图。
应当注意，为了更好地显示本发明的基本结构，上述附图必须是示意性的，因为它们没有反映确切的比例。
具体实施方式
参考所引用的图，通常由参考数字1表示的薄膜太阳能电池包括超晶格结构10(在图2中对其详细描绘)。
超晶格结构10包括纳米晶体21、22、23、24、25、31、32、33、34的多个叠加层2A、2B、2C、2D、2E、3A、3B、3C、3D，并且被配置为当其受到太阳辐射S照射时产生穿过所述层2A至2E、3A至3E的电子流e-，这将在下文中变得更清楚。
在所示的非限制性的超晶格结构10的实施例中，有九层：2A至2E、3A至3D，然而，层的数量可以根据实施例而改变。优选地，层2A至2E，3A至3D是至少两个；更优选地，层2A至2E、3A至3D的数量使得超晶格结构10的厚度小于0.5μm。
每个层2A至2E，3A至3E包括具有基本相同尺寸和形状(在同一层内)的纳米晶体21至25，31至35阵列：第一层2A的所有纳米晶体21具有基本相同尺寸和形状，第二层3A的所有纳米晶体31具有基本相同尺寸和形状，等等。
需要指出，在本说明书和所附权利要求中，术语“形状”被理解为仅指纳米晶体的几何形状(即几何结构)，而不管其大小。
所有层2A至2E、3A至3E位于垂直于要求导电性的横向Y的平面上。换句话说，横向Y是由横轴Y限定的方向，横轴Y垂直于层2A至2E、3A至3E所在的平面。
根据本发明，各层2A至2E、3A至3E的纳米晶体相对于其他层2A至2E、3A至3E的纳米晶体具有不同的尺寸和/或不同的形状。
更准确地说，层2A至2E、3A至3E有利地以超晶格结构10是各向异性(即，当沿不同方向的轴测量时，其表现出具有不同值的性质)的顺序排列。
更准确地说，超晶格结构10沿要求导电性的横向Y是各向异性的。
换句话说，超晶格结构10由沿着横向Y方向各向异性并且沿着其他两个正交方向各向同性的纳米晶体21至25、31至35的矩阵组成。作为该特征的效果，在超晶格结构10中存在电子e-流动的优先方向(即，横向Y)，这将在下文中变得更明显。
例如，在图2所示的优选实施例中，第一层2A、第三层2B、第五层2C、第七层2D和第九层2E(以下称为“奇数层2A至2E”)的纳米晶体21至25具有相同的形状；然而，在奇数层2A至2E中的每一个中，纳米晶体具有不同的尺寸，更准确地说，纳米晶体21至25的尺寸沿着横向Y减小：第一层2A的纳米晶体21的尺寸大于第三层2B的纳米晶体22的尺寸，第三层2B的纳米晶体22的尺寸大于第五层2C的纳米晶体23的尺寸，等等。
类似地，第二层3A、第四层2B、第六层3C和第八层3D(以下称为“偶层3A至3D”)的纳米晶体31至34具有相同的形状；然而，对于偶数层3A至3D中的每一个，纳米晶体31至34具有不同的尺寸，并且更准确地说，纳米晶体31至34的尺寸沿着横向Y减小：第二层3A的纳米晶体31的尺寸大于第四层3B的纳米晶体32的尺寸，第四层3B的纳米晶体32的尺寸大于第六层3C的纳米晶体33的尺寸，等等。
然后，一般地，所有层2A至2E、3A至3E根据纳米晶体21至25、31至34的尺寸沿着要求导电性的横向Y以升序或降序排列。
事实上，纳米晶体中的能隙(即，电子的导带底部和价带顶部之间的能量差)与纳米晶体的尺寸成反比，因此在超晶格结构10中，根据本发明，电子e-被诱导沿着横向Y从第一层2A流向最后一层(在示例中是第九层2E)，反之亦然。
应当注意，在超晶格结构10内，纳米晶体以它们具有能量配向的方式固定在预定位置。实际上，纳米晶体的能隙是对齐的，以便允许电子e-(由太阳辐射S吸收激发)横穿整个超晶格结构10。
在太阳能电池1的优选实施例中，超晶格结构10插入在第一导体触点91和第二导体触点92(例如电极)之间，并且层2A至2E、3A至3E从第一导体触点91向第二导体触点92按照纳米晶体的尺寸的升序排列，使得电子e-沿着横向Y向第二导体触点92流动(并且因此电流c沿相反方向流动)。
关于超晶格结构10的优选实施例，层2A至2E，3A至3E优选地包括：
-第一类型的层2A至2E，其包括具有第一形状的纳米晶体21至25，
-第二类型的层3A至3D，其包括具有不同于所述第一形状的第二形状的纳米晶体31至34。
通过查看附图可以理解，所有奇数层2A至2E是第一类型的层2A至2E，并且所有偶数层3A至3D是第二类型的层：实际上，第一类型的层2A至2E与第二类型的层3A至3D以规则图案交替。
在所示的非限制性示例中，第一形状(即，奇数层2A至2E的纳米晶体21至25的形状)为十六面体，并且第二形状(即，偶数层3A至3D的纳米晶体31至34的形状)为五面体。
在其他实施例(未示出)中，第一和/或第二形状是不同的，例如八面体、立方八面体、六角体等。
在其它实施例(未示出)中，所有层2A至2E，3A至3E中的所有纳米晶体21至25，31至34(即，包括在超晶格结构10中的所有纳米晶体21至25，31至34)具有相同的形状；在这些实施例中，纳米晶体的尺寸在不同的层中是不同的，并且优选地，纳米晶体31至34的尺寸沿着横向Y减小：第一层的纳米晶体的尺寸大于第二层的纳米晶体的尺寸，第二层的纳米晶体的尺寸又大于第三层的纳米晶体的尺寸，第三层的纳米晶体的尺寸又大于第四层的纳米晶体的尺寸，等等。
在又一实施例(未示出)中，所有层2A至2E，3A至3E中的所有纳米晶体21至25，31至34(即，包括在超晶格结构10中的所有纳米晶体21至25，31至34)具有基本相同的尺寸，并且仅纳米晶体的形状(沿着横向Y)变化。
然后，应当注意，在超晶格结构10内，纳米晶体21至25、31至34以它们具有形状方向对齐的方式固定在预定位置。
更详细地，设置纳米晶体21至25、31至34的形状和定向，使得纳米晶体21至25、31至34不仅具有能量配向，而且具有机械配向。
更详细地，选择纳米晶体21至25、31至34的形状和定向，使得由于每个纳米晶体21至25、31至34和沿着横向Y相邻的纳米晶体21至25、31至34之间的纳米晶体21至25、31至34的几何形状而引起的能量势垒最小化，因此电子e-甚至更容易从最后一层(示例中的第九层2E)沿横向Y流向第一层2A。
机械配向是通过协调层的几何相容性来获得的，这意味着顶层将适合底层的配向，因此纳米晶体将聚集在一起。
最后，在优选实施例中，纳米晶体21至25、31至34被固定在所述层2A至2E、3A至3E内的预定位置上，使得它们具有能量配向和机械配向。
有利地，由连接到纳米晶体21至25、31至34的配体分子控制纳米晶体21至25、31至34之间的间隙和连接。
作为这种能量配向和机械配向的协同组合的结果，在超晶格结构10内，由于吸收太阳辐射的光子而在纳米晶体21至25，31至34中激发的电子e-“跳跃”(移动)到在横向Y上邻近第二导体触点92的纳米晶体21至25，31至34中的概率非常高，并且这种电子e-“跳跃”(移动)到在其他方向上邻近的其他纳米晶体21至25，31至34中的概率非常低。
此外，由于超晶格结构10内纳米晶体21至25、31至34的特殊尺寸，存在多激子产生的概率(即，单个光子的吸收导致多个电子的激发和发射的概率)增加，并且因此根据本发明的超晶格结构10能够超过Shockley-Queisser效率极限。
此外，纳米晶体21至25、31至34的不同形状和尺寸提供多色响应，因为每种类型的纳米晶体21至25、31至34吸收太阳辐射S光谱的不同部分，因此，在优选实施例中，吸收效率高于已知的单结电池。
在根据本发明的太阳能电池的优选实施例中，所有上述有利效果的组合允许达到超过40％的效率。
关于纳米晶体21至25、31至34的组成，它们由半导体材料制成，例如：CdS，CdSe，CdTe，InP，InAs，ZnS，ZnSe，HgTe，GaN，GaP，GaAs，GaSb，InSb，Si，Ge，AlAs，AlSb，PbSe，PbS，PbTe，InGaAs，InGaN，AlInGaP。
在优选实施例中，纳米晶体21至25、31至34由以下一种或多种材料制成：PbSe，PbS，PbTe，CdS，CdSe，CdTe。
优选地，所有纳米晶体21至25、31至34由相同的材料制成。
然而，在一些实施例中，可选地，奇数层2A至2E的纳米晶体21至25由第一材料制成，偶数层3A至3D的纳米晶体31至34由不同于所述第一材料的第二材料制成，使得第一材料的纳米晶体21至25与第二材料的纳米晶体21至25沿横向Y以规则图案交替。
所有纳米晶体21至25、31至34的尺寸(即，最大尺寸)小于构成它们的物质的玻尔半径。
根据本发明的超晶格结构10也非常容易制造。
根据本发明，用于制造薄膜太阳能电池1的超晶格结构10的方法包括顺序沉积具有上述特征的一系列层2A至2E、3A至3E的过程。
通常，用于制造超晶格结构10的方法包括以下步骤：
a.沉积包括具有第一形状和第一尺寸的第一纳米晶体21阵列的第一层2A；
b.在所述第一层2A上沉积包括具有第二形状和第二尺寸的第二纳米晶体31阵列的第二层3A，所述第二形状不同于所述第一形状，和/或所述第二尺寸不同于所述第一尺寸；
c.在所述第二层3A上沉积包括具有所述第一形状和第三尺寸的第三纳米晶体22阵列的第三层2B，所述第三尺寸优选地不同于所述第一尺寸(甚至更优选地大于所述第一尺寸)；
d.在所述第三层2B上沉积包括具有所述第二形状和第四尺寸的第四纳米晶体32阵列的第四层3B，所述第四尺寸优选地不同于所述第二尺寸(甚至更优选地大于所述第二尺寸)；
以此类推，直到达到预定数量的层2A至2E，3A至3E。
在优选实施例中，所述第二形状不同于所述第一形状。
在其它实施例中，所述第一形状和所述第二形状相同，并且优选地，所述第一尺寸大于所述第二尺寸，所述第二尺寸大于所述第三尺寸，所述第三尺寸大于所述第四尺寸，等等。
在其中所述第二形状不同于所述第一形状的一些实施例中，所述第一尺寸、所述第二尺寸、所述第三尺寸和所述第四尺寸是相同的(因此所有纳米晶体的尺寸都是相同的)。
可选地，第一层沉积在透明导体材料上，例如(并且不限于)ITO和FTO。
可选地，在最后一层2E的顶部放置导体触点91(例如电极)。
层2A至2E、3A至3E可以通过能够沉积均匀和保形薄膜的任何已知技术来沉积，例如喷墨技术、原子层沉积、旋涂、浸涂、铸涂相分离等。
在一些实施例中，除了超晶格结构10之外，薄膜太阳能电池1还包括其他有源层(本领域中已知的层)。
超晶格结构和包括超晶格结构的薄膜太阳能电池的操作从上面所描述的内容是清楚和明显的。
实践中已经发现，根据本发明的超晶格结构实现了预期的目标和目的，因为相对于现有技术，它允许提高薄膜太阳能电池的效率。
根据本发明的超晶格结构的另一优点在于，它允许提供高度通用的薄膜太阳能电池。
根据本发明的超晶格结构的进一步优点在于，它高度可靠，相对容易制造，并且成本具有竞争力。
此外，根据本发明的超晶格结构提供了已知解决方案的替代方案。
如此设计的本发明可以进行多种修改和变型，所有这些修改和变型都在本发明构思的范围之内；此外，所有细节都可以用其他技术上等效的元件代替。
实际上，根据要求和现有技术，所使用的材料以及尺寸可以是任何材料。
在任何权利要求中提及的技术特征后附有参考符号，包括参考符号的唯一目的是增加权利要求的可理解性，因此，参考符号及其缺失均不对上述技术特征或任何权利要求要素的范围产生任何限制性影响。
因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述来指示，并且因此在权利要求书等价的含义和范围内的所有变化都旨在包含在其中。

Claims (7)

1.一种用于薄膜太阳能电池(1)的超晶格结构(10)，所述超晶格结构(10)包括纳米晶体(21至25,31至34)的多个叠加的层(2A至2E,3A至3E)，并且所述超晶格结构被配置为当所述超晶格结构受到太阳辐射(S)照射时产生穿过所述层(2A至2E,3A至3E)的电子流(e-)，其中，所述层(2A至2E,3A至3E)中的每一者包括具有基本相同尺寸和形状的纳米晶体(21至25,31至34)阵列，
并且其中，所述层(2A至2E,3A至3E)中的每一者的纳米晶体(21至25,31至34)相对于其他的所述层的纳米晶体具有不同的尺寸和/或不同的形状；
所述层彼此直接叠加；
所述纳米晶体的尺寸小于所述纳米晶体的构成物质的玻尔半径；
所述层以所述超晶格结构为各向异性的顺序排序，其中，所述层(2A至2E,3A至3E)包括：
-第一类型的层(2A至2E)，包括具有第一形状的纳米晶体(21至25)，所述第一类型的层(2A至2E)至少包含：所述纳米晶体(21)具有第一尺寸的一层(2A)，以及所述纳米晶体(22)具有大于所述第一尺寸的第三尺寸的一层(2B)；
-第二类型的层(3A至3D)，包括具有不同于所述第一形状的第二形状的纳米晶体(31至34)，所述第二类型的层(3A至3D)至少包含：所述纳米晶体(31)具有第二尺寸的一层(3A)，以及所述纳米晶体(32)具有大于所述第二尺寸的第四尺寸的一层(3B)；
所述第一类型的层(2A至2D)与所述第二类型的层(3A至3D)交替；
其中，所述第一类型的层(2A至2D)和所述第二类型的层(3A至3D)沿着要求导电性的横向方向(Y)按照所述纳米晶体的尺寸以升序或降序排列，
使得所述超晶格结构沿着要求导电性的横向方向是各向异性的。
2.根据权利要求1所述的超晶格结构，其中，所述纳米晶体(21至25,31至34)固定在所述层内的预定位置，使得所述纳米晶体具有能量配向和机械配向。
3.根据权利要求1所述的超晶格结构(10)，其中，所述纳米晶体(21至25,31至34)由以下材料中的一种或多种材料制成：
CdS，CdSe，CdTe，InP，InAs，ZnS，ZnSe，HgTe，GaN，GaP，GaAs，GaSb，InSb，Si，Ge，AlAs，AlSb，PbSe，PbS，PbTe，InGaAs，InGaN，AlInGaP。
4.根据权利要求1所述的超晶格结构(10)，其中，所述纳米晶体(21至25,31至34)由以下材料中的一种或多种材料制成：PbSe，PbS，
PbTe，CdS，CdSe，CdTe。
5.一种薄膜太阳能电池(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的超晶格结构(10)，其中，所述超晶格结构介于第一导体触点(91)和第二导体触点(92)之间；所述层(2A至2E,3A至3E)从所述第一导体触点(91)到所述第二导体触点(92)按照所述纳米晶体(21至25,31至34)的尺寸的升序进行排序，使得电子(e-)沿着横向方向(Y)流向所述第二导体触点(92)。
6.一种用于制造根据权利要求1至4中任一项所述的超晶格结构(10)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
a.沉积第一层(2A)，所述第一层包括具有第一形状和第一尺寸的第一纳米晶体(21)的阵列；
b.在所述第一层(2A)上直接沉积第二层(3A)，所述第二层包括具有第二形状和第二尺寸的第二纳米晶体(31)的阵列，所述第二形状不同于所述第一形状；
c.在所述第二层(3A)上直接沉积第三层(2B)，所述第三层包括具有所述第一形状和第三尺寸的第三纳米晶体(22)的阵列；
d.在所述第三层(2B)上直接沉积第四层(3B)，所述第四层包括具有所述第二形状和第四尺寸的第四纳米晶体(32)的阵列；
所述纳米晶体的尺寸小于所述纳米晶体的构成物质的玻尔半径；其中，所述第三尺寸大于所述第一尺寸，并且所述第四尺寸大于所述第二尺寸。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一尺寸大于所述第二尺寸，所述第二尺寸大于所述第三尺寸，所述第三尺寸大于所述第四尺寸。
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