CN102214661B

CN102214661B - 一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池

Info

Publication number: CN102214661B
Application number: CN 201110156701
Authority: CN
Inventors: 张彤; 朱圣清; 张晓阳; 娄朝刚
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: CN102214661A

Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，具体结构由透明玻璃、金属纳米颗粒层、透明导电薄膜、纳米多孔氧化物薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、纳米铂层、透明导电薄膜、砷化镓光伏层、背电极构成，其特征在于利用金属纳米颗粒对入射光的局域增强和陷光作用，提高太阳能电池对入射光的吸收率，同时采用染料敏化-砷化镓叠层设计，进一步拓宽太阳能电池的光谱吸收波长，扩大太阳能电池对入射光谱的响应范围，提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池

技术领域

本发明属于光伏太阳能电池技术领域，涉及一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池。

背景技术

太阳能电池的应用是解决下一代能源危机的主要途径之一。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，最有潜力成为世界的主流能源，其开发和利用已得到人们广泛地关注。太阳能电池主要利用光生伏特效应把光能转化为电能，2000年以来，太阳能电池产业保持着快速增长的发展趋势，到2010底，全球太阳能电池装机容量已近20GW，这些电池包括晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟硒太阳能电池、有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池等。现行的太阳能电池对太阳光谱中较短波长的太阳光具有较好地吸收，然而普遍存在对长波长太阳光，尤其是近红外太阳光吸收作用不强的问题，根据太阳光光谱能量分布，波长在600纳米以上的长波段的太阳光占到整个太阳光谱总能量的30%，如果太阳能电池对长波长入射光能有效地进行吸收，这将极大地提高太阳能电池的光电转换效率，进而大幅降低太阳能电池的成本，并提升太阳能电池在长波长辐射环境下的工作性能。

金属纳米颗粒是近年来纳米光子学研究领域中开发的新型纳米光电材料，金属纳米颗粒材料可采用多种金属材料，然而考虑到材料损耗及器件的实际应用背景，一般选用损耗较小的金、银、铂等贵重金属。颗粒大小在数纳米到数百纳米之间，形状主要有球形、椭球形、纳米棒、纳米碟、三角板或其他任意图形。金属纳米颗粒在入射光的电场作用下，金属纳米颗粒上的电子云将会产生围绕纳米颗粒的连续起伏振荡，并对入射光产生强烈的局域和陷光作用，这种作用能极大地提高太阳能电池对入射光的吸收效率。适度调节金属纳米颗粒的形状、尺寸、分布密度以及纳米颗粒外围的介质折射率，可使金属纳米颗粒对入射光的局域增强和陷光作用红移至近红外光谱波段，进而提高太阳能电池对近红外长波长入射光的吸收。

另一方面，染料敏化太阳能电池因其染料敏化剂具有可选择性，选用有较宽光谱吸收范围的染料敏化剂可保证对入射光的宽光谱吸收，但染料敏化太阳能电池的缺陷在于光电转换效率较低；砷化镓太阳能电池在太阳直射环境下转化效率较高，然而由于其半导体材料的能隙原因，在长波长辐射环境例如天阴、月光等环境下，其转换效率也受到一定的限制。因此，综合这两种太阳能电池的优点和金属纳米颗粒对入射光的局域和陷光作用，既可拓宽太阳能电池的光谱吸收范围还可保持电池的较高转换效率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，本发明提出了一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，通过金属纳米颗粒对入射光的局域增强和陷光作用，能极大地提高太阳能电池的对入射光的吸收作用，同时利用染料敏化-砷化镓叠层设计，进一步拓宽太阳能电池的光谱吸收范围，提高太阳能电池的光电转换效率。

技术方案：从结构上看，该太阳能电池包括三个部分，金属纳米颗粒层部分、染料敏化太阳能子电池部分和砷化镓太阳能子电池部分，这三部分依次层状叠加构成，实现宽光谱吸收的薄膜太阳能电池的主体，其中，金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒材料材料和形状不限，尺寸范围为数纳米到数百纳米，但要求其光谱谐振峰在600-1000纳米的近红外波段。染料敏化太阳能子电池部分由透明导电薄膜、纳米多孔氧化物薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、纳米铂层构成；砷化镓太阳能子电池部分由透明导电薄膜、砷化镓光伏层、背电极依次构成。透明导电薄膜材料包括氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）等在内的各类透明导电薄膜材料，厚度为数纳米到几十纳米。纳米多孔氧化物薄膜材料包括氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）或其他纳米材料，厚度为数纳米到数百纳米。染料敏化剂为联吡啶金属络合物系列、酞菁系列、卟啉系列、纯有机染料系列中的一种。氧化还原电解质包括液态、固态态、准固态多种电解质，纳米铂层厚度为数纳米到数百纳米。砷化镓光伏层为多层p型和n型砷化镓（GaAs）、掺铝砷化镓（Al_xGa_1-xAs）及其他金属掺杂砷化镓半导体层。背电极为各种低阻导电材料，如金属或金属合金，或者导电玻璃等材料。

本发明从原理上看，实现如下：入射光照射到太阳能电池表面的金属纳米颗

粒层上时，金属纳米颗粒与入射光发生相互作用，在金属纳米颗粒表面产生强烈的光场强局域以及散射的有益效果，这种效果的作用范围可达数百纳米到数十微米。因此这种效果可以促进处于金属纳米颗粒下方的染料敏化剂附件的光场强度，有效提高染料敏化剂对入射光在长光谱范围的吸收率，增加染料敏化太阳能子电池的光电转换率。另一方面，当入射光透射过染料敏化太阳能子电池的铂层后，剩余透射光即可作用于下方的砷化镓太阳能子电池，利用砷化镓光伏材料的高转换效率，可对剩余透射光进行强烈吸收。因此，通过金属纳米颗粒的增效作用和染料敏化-砷化镓的叠层设计即可提高整体太阳能电池的电压，增加整体太阳能电池的光电转换效率。

本发明的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池为层状结构，自上至下顺序为透明玻璃、第一透明导电薄膜、纳米多孔氧化物薄膜、氧化还原电解质、纳米铂层、第二透明导电薄膜、砷化镓光伏层、背电极；在透明玻璃与透明导电薄膜之间设有金属纳米颗粒层；染料敏化剂位于氧化还原电解质的上表面。

金属纳米颗粒层的基本单元形状包括球形、椭球形、纳米棒、纳米碟、纳米三角板，尺寸范围为数纳米到数百纳米；金属纳米颗粒层共振谐振峰在600-1000纳米的近红外波段。

第一透明导电薄膜、第二透明导电薄膜的材料包括氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO），厚度为数纳米到几十纳米。

纳米多孔氧化物薄膜材料包括氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂），厚度为数纳米到数百纳米。

染料敏化剂为联吡啶金属络合物系列、酞菁系列、卟啉系列、纯有机染料系列中的一种。

氧化还原电解质包括液态、固态、准固态多种电解质，

纳米铂层厚度为数纳米到数百纳米。

砷化镓光伏层为多层p型和n型砷化镓（GaAs）或掺铝砷化镓（Al_xGa_1-xAs）。

氧化还原电解质，包括和乙腈、戊腈、 32甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯等或者其混合物。

入射光穿过透明玻璃与金属纳米颗粒层相互作用，光场能量被局域在染料敏化剂附近，使其表面的光场强度大幅增强，拓宽太阳能电池的吸收光谱范围，同时结合砷化镓光伏材料的高转换效率特征，因此显著增大了太阳能电池对入射太阳光的光谱吸收范围，并保持了太阳能电池的高效光电转换效率。

砷化镓光伏层的制作方式可采用液相外延（LPE）或各种化学气相沉积等方法，包括等离子体化学气相沉积法（PECVD）、常压化学气相沉积法（APCVD）、低压化学气相沉积法（LPCVD）和金属氧化物气相沉积法等（MOCVD）。

有益效果：本发明与现有的太阳能电池相比具有以下的优点：

1、本太阳能电池中，金属纳米颗粒增强了电池对入射光长波长光谱的吸收率，并结合染料敏化剂的宽吸收特点，因此本太阳能电池具有宽光谱吸收的特征，显著改善了太阳能电池在长波段范围的可见光和近红外光线的吸收效率。这种技术扩大了太阳能电池的使用范围，可在长波长辐射环境下使用，甚至在天阴和月光下仍能正常工作。

2、本太阳能电池，采用了染料敏化-砷化镓叠层设计方案，在保证宽光谱吸收的同时，可进一步提高太阳能电池的光电转换效率。

3、本太阳能电池具有制备方法多样化，增效效果明显等优点，可获得较好的经济效益。

附图说明

图1宽光谱吸收的薄膜太阳能电池结构示意图。

图2金属纳米颗粒制备于导电氧化物薄膜表层示意图。

图3砷化镓光伏层详细结构示意图

图4宽光谱吸收的薄膜太阳能电池保护电路示意图。

本发明所提出的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池主要利用了金属纳米颗粒的光场局域和散射作用，并采用了染料敏化-砷化镓的叠层设计。金属纳米颗粒的应用和叠层设计的采用可极大地拓宽太阳能电池对入射光的吸收光谱范围，特别是提高了长波长近红外入射光的吸收率，增加了太阳能电池对入射光的整体转换效率。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明所提出的一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池,从结构上看如图1所示。构成宽光谱吸收的薄膜太阳能电池由如下部分构成：透明玻璃1、金属纳米颗粒层2、第一透明导电薄膜3、纳米多孔氧化物薄膜4、染料敏化剂5、氧化还原电解质6、纳米铂层7、第二透明导电薄膜8、砷化镓光伏层9、背电极10构成。其中，透明导电薄膜3、纳米多孔氧化物薄膜4、染料敏化剂5、氧化还原电解质6和纳米铂层7构成染料敏化太阳能子电池部分；第二透明导电薄膜8、砷化镓光伏层9和背电极10构成砷化镓太阳能子电池部分。

金属纳米颗粒层2的基本单元为多种形状金属纳米材料，包括球形、椭球形、纳米棒、纳米碟、纳米三角板以及其他任意图形，尺寸范围为数纳米到数百纳米。金属纳米颗粒层的制备方法包括多种物理、化学方法，具体包括，氧化还原方法合成纳米颗粒胶体溶液，使其沉积在太阳能电池的表面透明玻璃1上，并使溶剂自然挥发形成金属纳米颗粒层。或者，通过溅射镀膜方法或热蒸发镀膜或其他金属镀膜法在表面透明玻璃1上镀一层厚度为数纳米至数百纳米的金属薄膜，再通过高温退火的方式制备金属纳米颗粒层。或者，通过纳米印压方式制备金属纳米层。金属纳米颗粒制备材料为金、银、铜、镍、锌、铂等金属，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料。金属纳米颗粒层制备完成后，在附有颗粒的透明玻璃上制备一层透明导电薄膜（3），薄膜材料包括氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）等在内的各类透明导电薄膜材料，厚度为数纳米到几十纳米。纳米多孔氧化物薄膜4材料包括氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）或其他纳米材料，厚度为数纳米到数百纳米。染料敏化剂5为联吡啶金属络合物系列、酞菁系列、卟啉系列、纯有机染料系列中的一种。氧化还原电解质6包括液态、固态态、准固态多种电解质，纳米铂层7厚度为数纳米到数百纳米。砷化镓光伏层9由多层砷化镓及其掺杂化合物构成，依次为窗口层n-Al_xGa_1-xAs91、发射层n-GaAs92、基底层p-GaAs93、背场p-Al_xGa_1-xAs94、缓冲层p-GaAs95构成，如图2所示。背电极10为任意金属或金属合金低阻导电材料。入射光穿过透明玻璃1与金属纳米颗粒层2相互作用，能量被局域在染料敏化剂5附近，使其表面的光场强度大幅增强，拓宽太阳能电池的吸收光谱范围，同时结合砷化镓光伏材料的高转换效率特征，因此显著增大了太阳能电池对入射太阳光的光谱吸收范围，并保持了太阳能电池的高效光电转换效率。

本发明所提出的一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其宽光谱吸收与高效率转换主要来自于三部分的共同作用：一方面，金属纳米颗粒层在入射光的作用下，对光场能量产生强烈的局域和散射作用，在金属纳米颗粒周围可形成强大的局域电磁场，其周围光场强度可达入射光的

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倍，有效范围为几十微米。因此，这种作用可加强太阳能电池对入射光长波长成分的吸收；另一方面，本发明提出的太阳能电池采用了染料敏化、砷化镓太阳能子电池的叠层设计，染料敏化太阳能子电池中染料敏化剂可采用长波长吸收的染料物质，进一步拓宽了太阳能电池的吸收波长范围。最后，本发明提出的太阳能电池中砷化镓子电池部分，因其高效的转换效率保证了整体太阳能电池的转换效率。这样，本发明所提出的太阳能电池通过这三部分的共同作用，既保证了电池的宽光谱吸收，又进一步地提高了太阳能电池的光电转换效率。

此外，为了进一步保证本太阳能电池在极端不平衡光谱（例如短波成份远远大于长波成份或长波成份远远大于短波成份）辐射条件下仍能正常工作，本发明提出的太阳能电池可与外接整流电路连接，整流电路对太阳能电池起到了保护作用，电路连接如图4所示，（11）为单向导通二极管，（12）为外界负载，（13）为染料敏化太阳能子电池，（14）为砷化镓太阳能子电池。其中，单向导通二极管11要求工作电流必须大于子电池的最大输出电流，反向耐压要高于任意子电池的电压。这种电路可以实现，在上下叠层子电池中，当其中某一电池无法工作时，通过外接电路仍能保持太阳能电池的正常功率输出。

本发明提出的一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其组成部分具有多种制备方式，因此，在具体的实施方式和操作过程中，根据不同的制备工艺而有所不同。以下所有实施例都是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

在透明玻璃1上制备金属纳米颗粒层2首先对透明玻璃的表面进行清洁抛光，使其表面平整度至少小于1纳米，然后通过金属蒸镀或磁控溅射等方法在透明玻璃上镀一层金属薄膜，厚度为数纳米到数百纳米，最后采用高温退火方式，利用金属材料自身的表面张力形成一系列的纳米颗粒，如图3所示。

实施例2：制备染料敏化太阳能子电池的光阳极在带有金属纳米颗粒层的透明玻璃上采用磁控溅射沉积、真空蒸发沉积、溶胶 - 凝胶法、静电喷雾辅助气相沉积法和强流脉冲离子束方法中的一种在玻璃衬底上制备出氧化铟锡（ITO）薄层，厚度为数纳米到数百纳米，要求平整度不低于2纳米。对ITO玻璃进行清洗吹干后，利用常规制备工艺溶胶凝胶法、水热合成法、电泳沉积法、磁控溅射法等制备出ZnO或TiO₂纳米多孔氧化物薄膜4，孔直径为15-100纳米，然后在半岛体膜表面涂覆一层染料敏化剂5。染料敏化剂为联吡啶金属络合物系列、酞菁系列、卟啉系列、纯有机染料系列中的一种，优先采用联吡啶金属络合物N719。

实施例3：制备砷化镓太阳能子电池在金属背电极10材料上利用液相外延（LPE）或各种化学气相沉积等方法，包括等离子体化学气相沉积法（PECVD）、常压化学气相沉积法（APCVD）、低压化学气相沉积法（LPCVD）和金属氧化物气相沉积法（MOCVD）等依次制备出窗口层n-Al_xGa_1-xAs91、发射层n-GaAs92、基底层p-GaAs93、背场p-Al_xGa_1-xAs94、缓冲层p-GaAs95等砷化镓光伏层9，各层厚度为数纳米到数百纳米。各层沉积完成后，在砷化镓光伏层上方沉积一层透明导电薄膜ITO，厚度为数十纳米，平整度小于5纳米。

实施例4：制备太阳能电池在砷化镓太阳能子电池具有ITO层的一侧，利用蒸镀法蒸镀一层纳米铂层7，厚度为数纳米到数百纳米，完成后，在纳米铂层7上方涂敷一层

和乙腈、戊腈、 32甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯等或者其混合物等液态、固态、准固态电解质6中的一种。把上述的带有纳米铂层和电解质的砷化镓太阳能子电池与实例2中制备完成的光阳极相结合，要求光阳极具有染料敏化剂的一面与具有电解质的一面相结合，封装牢固，即可完成染料太阳能电池的制备。

Claims

1.一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池为层状结构，自上至下顺序为透明玻璃（1）、第一透明导电薄膜（3）、纳米多孔氧化物薄膜（4）、氧化还原电解质（6）、纳米铂层（7）、第二透明导电薄膜（8）、砷化镓光伏层（9）、背电极（10）；在透明玻璃（1）与第一透明导电薄膜（3）之间设有金属纳米颗粒层（2）；染料敏化剂（5）位于氧化还原电解质（6）的上表面。

2.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，金属纳米颗粒层（2）的基本单元形状包括球形、椭球形、纳米棒、纳米碟、纳米三角板，尺寸范围为数纳米到数百纳米；金属纳米颗粒层（2）共振谐振峰在600-1000纳米的近红外波段。

3.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，第一透明导电薄膜（3）、第二透明导电薄膜（8）的材料包括氧化铟锡（ITO）、掺氟氧化锡（FTO），厚度为数纳米到几十纳米。

4.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，纳米多孔氧化物薄膜（4）材料包括氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂），厚度为数纳米到数百纳米。

5.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，染料敏化剂（5）为联吡啶金属络合物系列、酞菁系列、卟啉系列、纯有机染料系列中的一种。

6.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，氧化还原电解质（6）包括液态、固态、准固态多种电解质。

7.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，纳米铂层（7）厚度为数纳米到数百纳米。

8.如权利要求1所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，砷化镓光伏层（9）为多层p型和n型砷化镓（GaAs）或掺铝砷化镓（Al_xGa_1-xAs）。

9.如权利要求1或6所述的宽光谱吸收的薄膜太阳能电池，其特征在于，氧化还原电解质（6），包括I₃ ^-PI^-和乙腈、戊腈、32甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯或者其混合物。