CN115513311A - 一种高效率太阳能电池结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高效率太阳能电池结构及其制作方法，从电池的顶部到底部，依次设置有上电极、顶部传输层、光伏层、底部传输层和下电极；其中所述光伏层为层状结构，且在每层中均嵌入设置有量子点。采用的步骤如下：步骤一：制作下电极；步骤二：在下电极内部制作光伏层，并在光伏层中引入量子点；步骤三：在所述光伏层顶部制作上电极；步骤四：在上电极和下电极接触位置设置绝缘块，防止上电极和下电极短路；步骤五：在所述上电极和下电极的外侧分别设置正负磁极，且该正负磁极与光伏层侧边正对设置。

Description

一种高效率太阳能电池结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种高效率太阳能电池结构及其制作方法。

背景技术

能源危机是当前世界各国面临的重大难题，开发可再生能源是缓解该问题的有效途径。在众多可再生能源中，太阳能因其具有资源丰富、分布广泛、清洁干净等优点而备受青睐。其最重要、最常见的利用方式是光-电转换(光伏发电)。目前应用最广泛的太阳能电池材料为硅，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅。为了降低能耗、价格，人们不断探寻新的光伏材料。由于存在固有的自发极化，铁电材料具有体光伏效应和退极化场、畴壁等作用，铁电太阳能电池的光生电压可比铁电材料的带隙(能隙或禁带宽度)高若干数量级，且可通过外电场调控其光生电压，那么理论上这类电池具有较高的光电转换效率(可能突破p-n结太阳能电池光电转换效率的理论极限(～34％))。

虽然铁电材料的光生电压很高，但目前得到的光电转换效率较低。为了增强铁电材料的光伏效应，现有技术通过铁电薄膜电极调控，上/下电极功函数选择、引入石墨烯电极和引入缓冲层等方法，优化了铁电薄膜的可见光吸收性、铁电薄膜/电极间的势垒高度和铁电薄膜的退极化场，从而实现了铁电薄膜光伏效应的增强。

尽管通过各种途径改善了铁电薄膜的光伏效应，但其光电转换效率仍然不够高。影响光电转换效率的因素很多，例如电畴、极化强度、界面势垒、体效应、厚度、缺陷等等，现有的方法也主要从这几个方面来提高光电转换效率，但整体工艺复杂，效果不理想。

太阳能电池的基本原理是利用光将光伏材料价带上的电子激发到导带，从而产生电子空穴对。再利用内建电场(普通半导体的话是利用P-N结电场，或者半导体与电极之间的电场；铁电材料是利用材料内部的退极化场、或是畴壁间的电场、畴内部的极化场)将电子空穴分离，分离之后的电子和空穴在材料中向着电极方向运动(有电场存在的时候就是漂移运动+扩散运动，没有电场存在的时候就做扩散运动)，然后电子和空穴被电极收集，通过外电路进行复合。根据这一过程可知，如果要提高光电转换效率，那么可以通过增强光吸收、电子空穴对的产生率、电子空穴对的分离效果、输运效率以及电极的收集率来实现

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种通过在光伏层加入量子点，光伏层既可以吸收短波长的光，还可以吸收长波长的光，达到增强光伏效应的高效率太阳能电池结构及其制作方法，具体技术方案如下：

一种高效率太阳能电池结构，从电池的顶部到底部，依次设置有上电极、顶部传输层、光伏层、底部传输层和下电极；其中所述光伏层为层状结构，且在每层中均嵌入设置有量子点。

作为优选：每层所述量子点由顶部向底部浓度依次增加。由于量子点带隙小，因此光照时上层的量子点吸收的光比较多，下层的量子点吸收较少，无法充分发挥量子点的作用。从上往下，量子点的浓度逐渐增加，每层中的量子点吸收的光都差不多，量子点中产生的光生载流子通过漂移和(或)扩散的形式输运到光伏层中，与光伏层中产生的电子和空穴一起，被光伏层中的电场拉向上/下传输层，最后输运到电极。

作为优选：每层所述量子点由顶部向底部单个量子点带隙由顶部向底部逐渐减小。每一层中引入不同带隙的量子点，可以是同一种材料的量子点，但由于尺寸不同，所以带隙不同。也可以是材料不同、带隙也不同的量子点。这样的话，可以将带隙较大的量子点嵌入在上层光伏材料中，带隙较小的量子点嵌入到下层光伏材料中，这与对光伏层带隙的要求类似。量子点的浓度可以均匀分布，也可以不均匀分布。

作为优选：所述上电极包括位于光伏层上方的第一部分，所述下电极包括位于所述光伏层下方的第二部分，还包括在第一方向上位于所述光伏层两侧的第一磁性件与第二磁性件，所述上电极还包括在第二方向上位于所述光伏层一侧且与所述第一部分电连接的第三部分，所述下电极还包括在第二方向上位于所述光伏层一侧且与所述第二部分电连接的第四部分；

在所述第二部分与所述第三部分之间设置有第一绝缘块，所述第一部分与所述第四部分之间设置第二绝缘块。

在磁场作用下，光伏材料中载流子在运动的时候将收到磁场力的作用，如果磁场方向垂直于纸面指向人脸，那么空穴在向下，至于是向下还是向上运动，与电场方向有关，运动的时候就会朝左边偏转；相反，电子在朝上运动的时候就会朝右边偏转。如果改变磁场的方向，电子和空穴偏转的方向就会反过来；同样，如果保持磁场方向不变，改变内建电场的方向，电子和空穴偏转的方向就同样会反过来。因此，我们只需要垂直于载流子运动的方向施加磁场，磁场也可以左右施加、也可以前后施加。便可以大幅降低载流子在输运过程中的复合率，提高电极收集载流子的能力，最终起到增强光伏效应的目的。

一种高效率太阳能电池结构的制作方法，采用的步骤如下：

步骤一：制作下电极，该下电极的纵截面为L形状；

步骤二：在所述下电极内部制作光伏层，并在光伏层中引入量子点；

步骤三：在所述光伏层顶部制作上电极，该上电极的纵截面为L形状，该上电极与所述下电极的纵截面合围成矩形；

步骤四：在所述上电极和下电极接触位置设置绝缘块，防止上电极和下电极短路；

步骤五：在所述上电极和下电极的外侧分别设置正负磁极，且该正负磁极与所述光伏层侧边正对设置。

作为优化：所述步骤一具体为：

1.1、清洗基片和基片台；

1.2、将基片通过导热银胶粘在基片台上；

1.3、放入制作腔体，抽真空作业；

1.4、缓慢加热到700℃；

1.5、采用激光对靶材进行预溅射，时间一般为2～5分钟；

1.6、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。

作为优化：所述步骤二中具体为：

2.1、将步骤一中制作的下电极进行清洗；

2.2、将下电极通过导热银胶粘在基片台上；

2.3、放入制作腔体，抽真空作业；

2.4、缓慢加热到650℃；

2.5、采用激光对靶材进行预溅射，去掉靶材表面的污物，使靶材露出新鲜的表面，预溅射时间为2～5分钟；

2.6、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；

2.7、通过热水法制备出所需要的PbS量子点；

2.8、将PbS量子点分散在不同Ca掺杂量的溶胶前驱液中，通过溶胶-凝胶法制备光伏材料。

作为优化：所述步骤三具体为，

3.1、采用掩膜版挡在光伏层上；

3.2、在光伏层上表面通过蒸镀，或者沉积的方法镀上导电层，形成上电极。

本发明的有益效果为：将光伏层设有若干呈且相互叠加，以吸收更多的光；并且，光伏层从上到下的禁带宽度逐渐减小，使得光可以更多的被下方的光伏层吸收，提高整个光伏层吸收光的性能。同时，在光伏层内设置量子点，从而可以吸收红外线等波长更长的光，以进一步提高光电转换的效率；

通过设置电极，在电池相对应的两面加上磁场，在磁场作用下，光伏材料中载流子在运动的时候将收到磁场力的作用，如果磁场方向垂直于纸面指向人脸，那么空穴在向下，至于是向下还是向上运动，与电场方向有关，运动的时候就会朝左边偏转；相反，电子在朝上运动的时候就会朝右边偏转。如果改变磁场的方向，电子和空穴偏转的方向就会反过来；同样，如果保持磁场方向不变，改变内建电场的方向，电子和空穴偏转的方向就同样会反过来，可以大幅降低载流子在输运过程中的复合率，提高电极收集载流子的能力，最终起到增强光伏效应的目的。

太阳能电池结构通过在光伏层在第一方向上的两侧设置第一磁极与第二磁极，且在光伏层第二方向上的两侧分别设置与第一部分电连接的第三部分及与第二部分电连接的第四部分，从而可以降低光伏层内电子与空穴复合的概率，使得电子与空穴更快且更多的集中在上电极与下电极上，提高光电转换的效率。

附图说明

图1为本发明太阳能电池制的制作顺序图；

图2是发明太阳能电池结构示意图；

图3是图2沿A-A方向的剖面图；

图4是本发明太阳能电池结构示意图替换结构示意图；

图5是图4沿B-B方向的剖面图；

图6是本发明为BFO/LSMO/LAO的XRD衍射图谱；

图7是本发明为施加磁场前后得到的I-V曲线图；

图8是本发明光电装换效率测试图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一：

一种高效率太阳能电池结构，从电池的顶部到底部，依次设置有上电极2、光伏层1和下电极3，其中光伏层1为层状结构，且在每层中均嵌入设置有量子点，每层所述量子点由顶部向底部浓度依次增加。

图2和图3所示，设置有第一方向上位于所述光伏层1两端的第一磁性件7 及第二磁性件8。

如图3所示，所述第一方向为左右方向，在图2及图3中，上下方向亦为上下方向，图1中的左右方向为第二方向。

所光伏层1为现有技术中常见的光伏层，比如为铁电材料、半导体材料等，其中，铁电材料优选为钙钛矿氧化物铁电材料。进一步的，光伏层的厚度较薄，厚度优选为100nm-1000nm，而上下电极的边长远大于光伏层的厚度，因此，光伏层产生的电场为均匀分布且垂直于上下电极。

上电极2包括位于光伏层1上方的第一部分21，所述下电极3包括位于所述光伏层1下方的第二部分31，所述第一部分21与所述第二部分31将光伏层 1夹持在中间，所述第一部分21与所述第二部分31之间可以产生电场。当光伏层1由于光照激发出的电子和空穴在电场作用下会分别朝向上电极2及下电极3 的方向移动聚集，进而产生光电压，在移动的过程中，电子和空穴分别朝着相反的方向移动，比如，电子朝向下电极3的第二部分31移动时空穴朝向上电极 2的第一部分21移动，电子朝向上电极2的第一部分21移动时空穴朝向下电机 3的第二部分31移动。而在电子与空穴在沿着相反的方向移动时，电子与空穴会相遇复合，进而影响光电转换效率的提高。

为了防止电子与空穴的相遇复合，太阳能电池结构中在光伏层1的第一方向的两侧分别设置第一磁性件7与第二磁性件8，所述第一磁性件7与所述第二磁性件8将所述光伏层1夹持在中间，所述第一磁性件7发出的磁场方向朝向第二磁性件8，或者第二磁性件8发出的磁场方向朝向第一磁性件7。所述第一磁性件7与所述第二磁性件8可以为永磁铁，亦或者电磁铁，在本发明中，第一磁性件7与第二磁性件8优选为电磁铁，从而可以方便的控制其产生的磁场的强度。

进一步的，所述上电极2还包括在第二方向上位于所述光伏层1一侧的第三部分22，所述第一部分21与所述第三部分22电连接，优选的，所述第一部分 21与所述第三部分22接触或者一体成型，在本实施例中，所述第一部分21与所述第三部分22相互垂直且第三部分22处于所述第一部分21的一侧。

进一步的，所述下电极3还包括在第二方向上位于所述光伏层1另一侧的第四部分32，所述第四部分32亦处于所述第二部分31的一侧，所述第四部分32 与所述第二部分31电连接，优选地，所述第四部分32与所述第二部分31接触或者一体成型以实现两者的电连接，所述第四部分32亦处于所述第一部分21 的一侧，即所述第四部分32处于所述第一部分21与所述第二部分31的同侧，所述第三部分22处于所述第一部分21与第二部分31的同侧。

进一步的，所述太阳能电池结构还包括第一绝缘块4及第二绝缘块5。所述第一绝缘块4处于所述第二部分31与第三部分22之间，所述第一绝缘块4的一端与所述第二部分31的端部固定连接，所述第一绝缘块4的另一端与所述第三部分22的侧面固定连接，实现第二部分31与第三部分22之间的绝缘。所述第二绝缘块5处于所述第一部分21与第四部分32之间，所述第二绝缘块5的一端与所述第一部分21的端部固定连接，所述第二绝缘块5的另一端与所述第四部分32的侧面固定连接，从而实现第一部分21与第四部分32之间的绝缘。

进一步的，所述太阳能电池结构还包括衬底6，所述衬底6与所述第二部分 31固定连接。

通过上述结构的设置，当电子与空穴分别朝向相反的方向移动时，假设空穴朝向第二部分31移动且电子朝向第一部分21移动，由于第一磁性件7与第二磁性件8的设置，可以对移动的电子施加磁场，进而电子朝向第一部分21移动时亦会朝向第三部分22移动，空穴朝向第二部分31移动时亦会朝向第四部分32移动，从而可以降低电子与空穴的复合，且第三部分22与第四部分32的设置可以使得聚集在上电极2与下电极3上的电子与空穴更多，产生的光电压更大，光电转换效率更高。

进一步的，所述上电极2与下电极3可以为同一种材料，亦可以为不同种材料，所述第一绝缘块4与第二绝缘块5可以为同一种材料，亦可以为不同种材料。

如图4及图5所示，作为变形，所述光伏层1设有若干层且相互叠加在一起，进一步的，从上到下的方向上，所述光伏层1的禁带宽度逐渐的减小，从而使得每一层的光伏层1均可以吸收光，提高光电转换的效率。

进一步的，从上到下的方向上，所述上电极2、光伏层1及下电极3的功函数单调递增或者递减。该设置使得本发明的内部电场的方向是一致的，进而可以使得电子很容易的漂移到上电极2或者下电极3上，提高光电转换的效率。

一种高效率太阳能电池结构的制作方法，具体步骤为：

步骤一：制作下电极，该下电极的纵截面为L形状；

首先将SrTiO₃基片，当然也可以是其它取向的、其它类型的基片。如图1 中的0#，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上图1中的2#位置。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，开始加热基片台。注意应缓慢加热，一般加热到700℃需要90 分钟左右。达到目标温度后，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La_0.7Sr_0.3MnO₃靶材(这里以La_0.7Sr_0.3MnO₃：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)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。

同样，用掩膜版挡住基片上图1中的1#位置。根据尺寸设计，沉积绝缘层，例如钛酸锶。方法和步骤和前面一样。

步骤二：在所述下电极内部制作光伏层；

在已经制备好LSMO下电极的薄膜上制备BFO铁电薄膜，图1中的3#位置。方法和上面类似，即将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，开始加热基片台。注意应缓慢加热，一般加热到650℃需要85分钟左右。达到目标温度后，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。

量子点的制作为，量子点嵌入型：以不同Ca掺杂的BiFeO₃中嵌入PbS量子点为例：先通过水热法制备出所需要的PbS量子点，再将PbS量子点分散在不同Ca掺杂量的溶胶前驱液中，通过溶胶-凝胶法制备BiFeO₃光伏材料。

量子点分布在光伏层界面：以不同Ca掺杂的BiFeO₃表面铺上PbS量子点为例：先通过水热法制备出所需要的PbS量子点，再通过溶胶-凝胶法制备BiFeO₃光伏薄膜，之后再将PbS量子点分散在BiFeO₃光伏薄膜表面。再通过溶胶-凝胶法制备BiFeO₃光伏薄膜，之后再将PbS量子点分散在BiFeO₃光伏薄膜表面，如此反复。

步骤三：在所述光伏层顶部制作上电极，该上电极的纵截面为L形状，该上电极与所述下电极的纵截面合围成矩形；

用掩膜版挡住基片上图1中的5#位置。在BFO表面通过蒸镀、沉积等方法镀上Ag、Cu、Au、ITO等导电层作为上电极，图1中的4#位置。同样，用掩膜版挡住基片上图1中的4#位置。根据尺寸设计，沉积绝缘层，图1中的5#位置。例如钛酸锶。方法和步骤和前面一样。

然后，采用蒸镀、沉积等方法镀上分别在图1中的6#、7#位置镀上电极。

步骤四：在所述上电极和下电极接触位置设置绝缘块，防止上电极和下电极短路；

步骤五：在所述上电极和下电极的外侧分别设置正负磁极，且该正负磁极与所述光伏层侧边正对设置，磁极可以是永磁体，也可以由电磁铁等产生。

实验结果：

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LaAlO₃(LAO)基片上沉积了20nm厚度的LSMO作为下电极，之后在LSMO上生长了约500nm厚的BFO铁电薄膜，最后在BFO薄膜上沉积了厚度为约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。

如图6和图7所示：用本发明装置得到的光伏效应明显增强了：光生电流从10A/cm²增加到75A/cm²，增加了7.5倍；光生电压从0.21V增加到0.61 V，增加了2.8倍；如图8所示，光电转换效率从0.019％增加到0.17％，可见，本发明装置使得光电装换效率得到明显的提高，提高了约十倍。

实施例二：

作为替代方案，在其它结构和方法是实施例相同的情形下，在所述光伏层1 的顶部和底部分别设置传输层，为了提高载流子的输运能力，插入传输层材料在光伏层和电极之前插入传输层之后，为了让电子/空穴能顺利的通过光伏层输运到电子/空穴传输层，那么，理想的情况是任意两层之间界面处的电场方向都要一样。所以，从功函数来看，从上到下，功函数要么单调的增加，要么单调的减小。但同时，从吸光的角度来看，光伏层的带隙从上往下是单调减小的。

每层量子点由顶部向底部单个量子点带隙由顶部向底部逐渐减小。就是每一层中引入不同带隙的量子点，可以是同一种材料的量子点，但由于尺寸不同，所以带隙不同。也可以是材料不同、带隙也不同的量子点。这样的话，可以将带隙较大的量子点嵌入在上层光伏材料中，带隙较小的量子点嵌入到下层光伏材料中，这与对光伏层带隙的要求类似。量子点的浓度可以均匀分布，也可以不均匀分布。

Claims (8)

1.一种高效率太阳能电池结构，其特征在于：从电池的顶部到底部，依次设置有上电极、顶部传输层、光伏层、底部传输层和下电极；

其中所述光伏层为层状结构，且在每层中均嵌入设置有量子点。

2.根据权利要求1所述高效率太阳能电池结构，其特征在于：每层所述量子点由顶部向底部浓度依次增加。

3.根据权利要求1所述高效率太阳能电池结构，其特征在于：每层所述量子点由顶部向底部单个量子点带隙由顶部向底部逐渐减小。

4.根据权利要求1所述高效率太阳能电池结构，其特征在于：所述上电极包括位于光伏层上方的第一部分，所述下电极包括位于所述光伏层下方的第二部分，还包括在第一方向上位于所述光伏层两侧的第一磁性件与第二磁性件，所述上电极还包括在第二方向上位于所述光伏层一侧且与所述第一部分电连接的第三部分，所述下电极还包括在第二方向上位于所述光伏层一侧且与所述第二部分电连接的第四部分；

在所述第二部分与所述第三部分之间设置有第一绝缘块，所述第一部分与所述第四部分之间设置第二绝缘块。

5.根据权利要求1到4任意一项所述高效率太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，采用的步骤如下：

步骤一：制作下电极，该下电极的纵截面为L形状；

步骤二：在所述下电极内部制作光伏层，并在光伏层中引入量子点；

步骤三：在所述光伏层顶部制作上电极，该上电极的纵截面为L形状，该上电极与所述下电极的纵截面合围成矩形；

步骤四：在所述上电极和下电极接触位置设置绝缘块，防止上电极和下电极短路；

步骤五：在所述上电极和下电极的外侧分别设置正负磁极，且该正负磁极与所述光伏层侧边正对设置。

6.根据权利要求5所述高效率太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤一具体为：

1.1、清洗基片和基片台；

1.2、将基片通过导热银胶粘在基片台上；

1.3、放入制作腔体，抽真空作业；

1.4、缓慢加热到700℃；

1.5、采用激光对靶材进行预溅射，时间一般为2～5分钟；

1.6、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。

7.根据权利要求5所述高效率太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤二中具体为：

2.1、将步骤一中制作的下电极进行清洗；

2.2、将下电极通过导热银胶粘在基片台上；

2.3、放入制作腔体，抽真空作业；

2.4、缓慢加热到650℃；

2.5、采用激光对靶材进行预溅射，去掉靶材表面的污物，使靶材露出新鲜的表面，预溅射时间为2～5分钟；

2.6、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；

2.7、通过热水法制备出所需要的PbS量子点；

2.8、将PbS量子点分散在不同Ca掺杂量的溶胶前驱液中，通过溶胶-凝胶法制备光伏材料。

8.根据权利要求5所述高效率太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤三具体为，

3.1、采用掩膜版挡在光伏层上；

3.2、在光伏层上表面通过蒸镀，或者沉积的方法镀上导电层，形成上电极。

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