纳米偶极子太阳能电池及其制备方法技术

一种纳米偶极子太阳能电池，其光伏效应层(116)由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏效应材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有电偶极矩或压电性质。所述纳米偶极子颗粒的电偶极矩被极化并至少部分同向排列，纳米偶极子颗粒极化方向在垂直于透明导电电极层或导电电极层的方向上有分量，并提供分离光生电荷所需的宏观电场。光伏效应层在接收到电磁波辐射时可产生电流和电压。通过同时在衬底上沉积n型和p型的混合材料得到所需太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无平面结电场的太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳能电池通常采用平整界面的半导体材料来收集入射光能量并发电。半导体材料通常分为两类:富电子材料即η型半导体材料和富有空穴或电子耗尽态的P型半导体。当太阳能电池暴露于光源下时，η型层中的电子运动并穿过半导体材料构成的平面结到达P型层而产生电流。太阳能电池的发电能力与P-η结的表面积有关。具有单ρ-η结的太阳能电池可能具有更大的表面积。太阳能电池可以采用叠层结构形成多Ρ-η结。事实上，多结太阳能电池是将对特定波段光透明的单结电池叠加起来。这些多结电池可能产生与单Ρ-η结电池相同或更大的输出功率。图1A和图1B给出了常规ρ-η结型太阳能电池10。太阳能电池10具有衬底层12，用来支撑透明导电氧化物(TCO)层14。太阳能电池10包括P型半导体层16，η型半导体层18，和常规的平面ρ-η结20。如图1B的箭头方向所示，太阳能电池10的制备过程是，沉积TCO层14在衬底层12上，然后η型层18 (由硫化镉(CdS)构成)沉积到TCO层14上。P型层16 (由締化镉(CdTe)构成)沉积在η型层18上,p-η结20通过η型层18和ρ型层16的直接接触构成，具有平面结构。最后金属导电电极层22沉积到ρ型层16上完成太阳能电池的制备。正如上文所述，P型层16和η型层18从不同的靶材分别制备而得到。所构建的Ρ-η结20用来形成电子在从ρ型层16向η型层18和空穴从η型层18向ρ型层16的传输从而发电。然而，每种类型的电池都有一定的功能极限。单结光伏电池可能允许很宽波段内的光达到Ρ-η结，然而受限于所选材料，不可能利用所有达到ρ-η结的光。多ρ-η结可以利用特定波段的光，但随着这些层叠加起来，每一层都会阻挡一些对下层发电有用的光。而且各层还需要是“电流匹配”的，以保证输出电流的大小相等，因为最低的输出电流是限制电池总输出的因素。电流匹配同样将材料的选择限制在那些具有相近输出的材料上。随着层数的增加，电池内的电阻将导致额外的寄生损失并降低电池效率。而且，制备多结电池的步骤复杂，也增加了电池成本。因此，单结和多结太阳能电池一直在电池尺寸、柔性、成本之间相互妥协来提高电池效率和输出功率。现有技术中太阳能电池的平面半导体层制备工艺是有顺序的并每步相对独立的。每一层可以用不同工艺实现，如，化学或物理气相沉积或溅射。通常在最外层的金属导电电极层(如背电极)或透明导电层(如前窗口层)上接着制备下一层。衬底紧挨着背电极层时被称为“下衬底”，而衬底紧挨着前窗口层时则被称为“上衬底”，取决于使用时各层的相对顺序。通常，可使用不同的材料来形成各个半导体层。例如，薄膜太阳能电池可能有硫化镉(CdS)n型层和碲化镉(CdTe)p型层。可以使用不同的源材料按顺序生长这些层。如果是溅射沉积工艺，源材料指靶材，被高能粒子(如含等离子体的高能离子)轰击。材料的原子从靶材中被轰击出来并撞击已制备好的电池层表面。每一层所用的靶材都不同。在单一腔室中通过更换靶材或选择不同靶材溅射可以实现制备电池中所需的各层半导体。然而这种制备方法会影响太阳能电池的成本和质量。每层的沉积必须按照顺序进行，并且沉积速度慢，导致生产速率偏低。如果使用单一腔室，则更换靶材会增加工艺和处理时间并可能使腔室受到污染。如果根据工艺选择在不同的腔室溅射不同的靶材，设备和维护成本则会增加。另外，单腔室制备电池限制了批量生产太阳能电池的产量。如果使用多腔室来实现高产能，即流水线式生产，将大幅增加设备成本。因此，理想的情况是可以生产一种表面积和厚度都低、而ρ-η结表面积大的太阳能电池。与具有ρ-η结结场结构的光伏器件相比，纳米偶极子光伏器件理论上可具有如下基本优势:1)可以实现对称结构，衬底在下与在上结构对电池效率影响没有差别，可以自由的选择透明或不透明的衬底材料，也可以自由的选择刚性或柔性的衬底材料；2)有望获得更高的输出电压；3)只需一层嵌有纳米偶极子的材料，而不是ρ-η结那样的两层，大大减少薄膜制备的设备成本(估计约一半)和生产工艺；4)在纳米偶极子材料和光伏效应介质之间不需要良好的电接触，因此可供选择的光伏介质和纳米偶极子颗粒种类多，受原料供应的限制少。利用该专利技术的纳米偶极子太阳能电池制备方法，可以进一步提升薄膜太阳能电池的转换效率、均匀性和出品率，具有高度多样性。这种纳米偶极子太阳能电池的制备方法可以在现有的CdTe薄膜太阳能电池生产线上生产，可以减少昂贵的真空设备成本。现有技术中的偶极子天线阵列电池的技术，比如Journal of Solar EnergyEngineering 2010年2月 132卷发表的“Theory and Manufacturing Processes of SolarNanoantenna Electromagnetic Collectors”一文所描述的。其原理是通过阵列排布的金属偶极子天线对电磁波的感应产生交变电流来产生对太阳能的吸收，但是目前这种技术遇到的最大难题是IO13-1O16Hz (可见光波段)的高频整流二极管还不存在，因此这种电池实际还没有实现。并且，偶极子天线阵列电池是通过偶极子来吸收太阳光子的，纳米偶极子天线阵列电池是用电子束微纳加工、X射线光刻等昂贵而缓慢的技术来制作，制作成本很高。目前太阳能电池的制备方法至少需要两种显著不同的成分形成足够强的Ρ-η结电场，同时要求它们之间保持良好电接触。现有技术的这一本质缺点导致了在生产太阳能电池过程中必须每层材料按顺序分别沉积。如果在单一真空腔室沉积不同材料，则可能产生交叉污染，并限制了太阳能电池的生产速度。如果根据在不同的腔室溅射不同的靶材，设备和维护成本则会增加。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种太阳能电池及其制备方法，以及量化表征所述太阳能电池的宏观性能与其微观结构和极化特性之间关系的方法。本专利技术太阳能电池的表面积和厚度都比较低，而且Ρ-η结表面积比较大。本专利技术太阳能电池的结构是:所述的太阳能电池包括衬底层、第一透明导电电极层、光伏效应层和第二导电电极层，其中第二导电电极层由透明材料或不透明材料制作。所述各层的位置关系以太阳光进入的顺序排列，依次为第一透明导电电极层、光伏效应层和第二导电电极层。当衬底层是由不透明材料制作成时，如玻璃或透明有机多分子薄膜，衬底层可位于第一透明导电电极层之前；当衬底层由不透明材料构成时，如薄的铝箔、钥箔、不锈钢片，衬底层必须位于第二导电电极层之后。所述的光伏效应层由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏效应材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有极化或压电性质。与传统ρ-η结电池或类似结场电池的结构相似之处在于，本专利技术由光伏效应层和两层导电层构成。与Ρ-η结电池或类似结场电池不同的是，本专利技术电池的光伏效应层只有单独一层，而传统Ρ-η结电池需要ρ型层和η型层至少各一层。并且，本专利技术纳米偶极子电池的光伏效应层是由具有光伏效应的材料和其中镶嵌分布的纳米偶极子颗粒共同构成的，所述的纳米偶极子颗粒(如纳米颗粒)的电偶极矩同向排列时可以形成内建电场；当电偶极矩同向排列的方向在垂直于透明导电电极层或导电电极层的方向上有分量时，在电磁辐射下就会产生电流和电压；第一透明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米偶极子太阳能电池，包括衬底层(112)、第一透明导电电极层(114)、光伏效应层(116)和第二导电电极层(118)；所述各层的位置关系以太阳光进入的顺序排列，依次为第一透明导电电极层(114)、光伏效应层(116)、第二导电电极层(118)，其特征是所述的光伏效应层(116)由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏效应材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有极化或压电性质；当衬底层(112)为透明材料制作时，衬底层(112)位于第一透明导电电极层(114)之前；当衬底层(112)由不透明材料构成时，衬底层(112)位于第二导电电极层(118)之后。

【技术特征摘要】
1.一种纳米偶极子太阳能电池，包括衬底层(112)、第一透明导电电极层(114)、光伏效应层(116)和第二导电电极层(118);所述各层的位置关系以太阳光进入的顺序排列，依次为第一透明导电电极层(114)、光伏效应层(116)、第二导电电极层(118)，其特征是所述的光伏效应层(116)由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏效应材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有极化或压电性质；当衬底层(112)为透明材料制作时，衬底层(112)位于第一透明导电电极层(114)之前；当衬底层(112)由不透明材料构成时，衬底层(112)位于第二导电电极层(118)之后。2.如权利要求1所述的纳米偶极子太阳能电池，其特征在于，所述的光伏效应层(116)中，所述的纳米偶极子颗粒为P型或η型半导体材料中的一种，光伏介质材料为P型或η型材料中的另一种；在光伏效应层(116)中，每个纳米偶极子颗粒产生一个电偶极子。3.如权利要求O或O所述的纳米偶极子太阳能电池，其特征是在所述的纳米偶极子颗粒被极化并至少部分同向排列，纳米偶极子颗粒极化方向在垂直于透明导电电极层或导电电极层的方向上有分量。4.如权利要求1或2所述的纳米偶极子太阳能电池，其特征是在所述的纳米偶极子颗粒由CdS或CdSxTe(1_x)合金构成，x = 0 1 ;所述的光伏介质材料由CdTe构成。5.制备权利要求O所述的纳米偶极子太阳能电池的制备方法，其特征是所述的方法包含以下步骤: a)清洁覆盖有所述的第一透明导电电极层或所述的第二导电电极层的玻璃衬底，然后在所述的玻璃衬底上溅射沉积CdTe和CdS的混合薄膜，所述的薄膜厚度范围为0.2-20 μ m,使用的靶材为CdS和CdTe按质量比在1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向鑫，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11