一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池制造技术

本实用新型专利技术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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光伏太阳能电池
，涉及一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池。
技术介绍
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、钼等贵重金属。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。
技术实现思路
技术问题本技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，本技术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、纳米钼层构成；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(ΙΤ0)、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，纳米钼层厚度为数纳米到数百纳米。砷化镓光伏层为多层 P型和η型砷化镓(GaAs)、掺铝砷化镓(Alx^vxAs)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。本技术从原理上看，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钼层后，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。本技术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、纳米钼层、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(ΙΤ0)、掺氟氧化锡 (FT0),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，纳米钼层厚度为数纳米到数百纳米。砷化镓光伏层为多层ρ型和η型砷化镓(GaAs)或掺铝砷化镓(Alx^vxAs)。氧化还原电 解质， 包括Ipr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(M0CVD)。有益效果本技术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宽光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：实用新型
国别省市：84