專利名稱：納米薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種太陽能電池，特別涉及一種內含納米尺度微觀構造 光活性半導體材料功能薄膜層的納米薄膜太陽能電池及其幾種實施組裝結構。
背景技術：
傳統(tǒng)的太陽能光伏電池技術主要是基于硅半導體的單晶硅、多晶硅和非 晶硅等光伏電池，雖然技術較為成熟，但硅材料制造能耗大、生產成本居高 不下，因而不能大規(guī)模地推廣和應用，特別在發(fā)展中國家。因此，要從根本 上解決人類目前面臨的能源危機，開發(fā)利用巨大的取之不盡的太陽能能源， 就必須設法降低太陽能電池成本，尋找和開發(fā)新一代更廉價和經濟的太陽能 電池材料和技術。
目前國際上正興起一股研究和開發(fā)有機導電材料的熱潮，新發(fā)現的一些 有機小分子材料，特別是某些高分子聚合物材料具有良好的半導體特性，這 類有機半導體材料具有成本低、吸收光譜寬，制作工藝特別簡單等特點，可
以通過真空熱蒸鍍、旋轉涂覆及噴膜印刷等多種方法制作成耗料極少的薄膜。 因此，可以制作出大面積、低成本、輕薄、可卷曲以及可以方便攜帶的有機 薄膜太陽能電池，但目前有機薄膜太陽能電池的光電轉換率還不如硅太陽能 電池，需要進一步的提高。
太陽能電池的光電轉化過程主要包括光子吸收、激子(或稱電子-空穴 對)產生、電荷傳輸、電荷收集等四個步驟，其中對總光電轉化率影響較大 的是光的吸收率、激子的生成率和電荷的傳輸、收集率。而這四個過程均發(fā) 生在具有光伏特性的半導體材料薄膜層中間，即發(fā)生在從給-受體異質結界面 到正、負電極界面之間，因此，利用納米加工技術以納米微觀尺寸構造設計 和優(yōu)化給-受體異質結界面結構、激子擴散距離、電荷遷移、收集距離可以顯 著提高太陽能電池的光電轉換率，獲得既經濟又實用的薄膜太陽能電池。
發(fā)明內容
為克服硅太陽能光伏電池成本過高和有機薄膜太陽能電池光電轉化率偏
低的缺點，本實用新型通過對薄膜太陽能電池的多個部件結構的多種改良設
計，特別是對具有光伏特性的有機或無機半導體材料薄膜層的給-受體異質結
界面采取的納米微觀尺度的新設計，大大增加了給-受體異質結界面面積，大
大提高了有效光激子數量，縮短了電荷遷移距離，因而既降低了太陽能電池
的成本又顯著提高太陽能電池的光電轉換率。
這些部件多種結構組合形成的多種優(yōu)化方案，顯著提高了本納米薄膜太
陽能電池的光電轉化效率、降低了成本、提高了光伏電池實用性的電流輸出
和電壓輸出。大大拓展了納米薄膜太陽能電池在戶外、野外等無電力條件下
的使用，并可以更廣泛地應用到農業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、煤礦、地質、石油、海 洋、軍事等特殊領域。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術實施方案及納米薄膜太陽能電
池的幾種組裝方案如下
技術實施方案A:所提供的納米薄膜太陽能電池包括UV保護層、增透光 層、玻璃或透明塑料基板、透明上電極、納米尺度微觀構造光活性半導體材 料功能層、金屬下電極、引出電極、絕緣隔擋壁及有機和無機材料復合封裝 覆蓋層等部件，其特征是在玻璃或透明塑料基板的上表面上自下而上依次 層疊地設置有增透光層和UV保護層，在玻璃或透明塑料基板的下表面上設置
有納米薄膜太陽能電池件，該納米薄膜太陽能電池件自上而下依次由層疊地 設置的透明上電極、納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層和金屬下電 極組成，透明上電極和金屬下電極間通過絕緣隔擋壁相阻隔，在納米薄膜太 陽能電池外包設有一層有機和無機材料復合封裝覆蓋層，引出電極分別由納 米薄膜太陽能電池的透明上電極和金屬下電極引出。實際制作中，在玻璃或 透明塑料基板下表面依次層疊制作出透明上電極、納米尺度微觀構造光活性 半導體材料功能層、金屬下電極，引出電極、上、下電極和光活性半導體材 料功能層及引出電極之間設有一個絕緣隔擋壁，之后再制作上一層有機和無 機材料復合封裝覆蓋層，最后在玻璃或透明塑料基板上表面依次層疊制作上 增透光層和UV保護層就形成一種新型納米薄膜太陽能電池，見圖2。
技術實施方案B:所提供的納米薄膜太陽能電池包括UV保護層、增透光 層、玻璃或透明塑料基板、透明上電極、納米尺度微觀構造光活性半導體材 料功能層、金屬下電極、引出電極、絕緣隔擋壁及有機和無機材料復合封裝 覆蓋層等部件，其特征是在玻璃或透明塑料基板的上表面上自下而上依次
層疊地設置有增透光層和UV保護層，在玻璃或透明塑料基板的下表面上設有 納米薄膜太陽能電池件，該電池件由多個串聯連接的納米薄膜太陽能電池單 元組成，各電池單元自上而下依次由層疊設置的透明上電極、納米尺度微觀 構造光活性半導體材料功能層和金屬下電極構成，各電池單元的透明上電極 和金屬下電極間通過絕緣隔擋壁相阻隔，在水平方向各電池單元的正、負電 極首尾相接串聯，在納米薄膜太陽能電池外包設有一層有機和無機材料復合 封裝覆蓋層，引出電極分別由串聯電池單元組的透明上電極和金屬下電極引 出。實際制作中，在玻璃或透明塑料基板下表面依次層疊制作出透明上電極、 納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層、金屬下電極、引出電極、上、 下電極和光活性半導體材料功能層及引出電極之間設有一個絕緣隔擋壁，先 制成多個納米薄膜太陽能電池單元，各太陽能電池單元在水平方向上正、負 電極首尾相接串聯起來，然后再制作上一層有機和無機材料復合封裝覆蓋層，
最后在玻璃或透明塑料基板上表面依次層疊制作上增透光層和uv保護層就形
成一種新型納米薄膜太陽能電池，它具有提高輸出電壓特性，見圖3。
技術實施方案C:所提供的納米薄膜太陽能電池包括UV保護層、增透光 層、坡璃或透明塑料基板、透明上電極、納米尺度微觀構造光活性半導體材 料功能層、金屬下電極、引出電極、絕緣隔擋壁及有機和無機材料復合封裝 覆蓋層等部件，其特征是在玻璃或透明塑料基板的上表面上自下而上依次 層疊地設置有增透光層和UV保護層，在玻璃或透明塑料基板的下表面上設有 納米薄膜太陽能電池件，該電池件由按垂直方向層疊設置的多個并聯連接的 納米薄膜太陽能電池單元組成，各電池單元均由自上而下層疊設置的透明上 電極、納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層和金屬下電極構成，各電 池單元的透明上電極和金屬下電極間通過絕緣隔擋壁相阻隔，各電池單元的 同性電極分別相連在一起，在納米薄膜太陽能電池外包設有一層有機和無機 材料復合封裝覆蓋層，引出電極分別由并聯電池單元組的透明上電極和金屬 下電極引出。實際制作中，在玻璃或透明塑料基板下表面依次層疊制作出透 明上電極、納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層、金屬下電極，引出 電極、上、下電極和光活性半導體材料功能層及引出電極之間設有一個絕緣 隔擋壁，通過同性電極的互連，在垂直方向上制成出多個層疊的納米薄膜太 陽能電池單元，各太陽能電池單元的同性電極分別連接并聯在一起，再制作 上一層有機和無機材料復合封裝覆蓋層，最后在玻璃或透明塑料基板上表面 依次層疊制作上增透光層和UV保護層就形成一種新型納米薄膜太陽能電池，
它具有提高輸出電流特性，見圖4。


圖l是無機硅太陽能電池的典型結構圖。
圖2是本實用新型組裝結構1，即基本組裝結構圖。
圖3是本實用新型組裝結構2,是基本組裝結構在水平方向正、負電極 首尾相接的串聯結構圖。
圖4是本實用新型組裝結構3，是基本組裝結構在垂直方向同性電極分 別相連的并聯結構圖。
圖5是本實用新型的增透光層的結構圖。
圖6是本實用新型的透明上電極的一維、二維和三維結構圖。
圖7是本實用新型的二維納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層結構圖。
圖8是本實用新型的三維納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層結構圖。
圖9是本實用新型的有機和無機材料覆蓋保護層的結構圖。
圖io是本實用新型的uv保護層的聚光特性表面結構圖。
01 -坡璃基板
02 -透明電極
03 - P型半導體
04 - N型半導體
05 -金屬電極
1 _增透光層
2 -玻璃或透明塑料基板
3 -透明上電極
4 _納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層
5 -金屬下電極
6 -有機和無機材料復合封裝覆蓋層
7 -絕緣隔擋壁
8 -引出電極
9 - UV保護層
11 -低折射率光密媒質
12 -中折射率光密媒質
13 -髙折射率光密媒質
31——維結構透明上電極
32 - 二維結構透明上電極
33 -三維結構透明上電極
41 - 二維結構電子受體型有機或無機光活性半導體材料層
42 - 二維結構電子給體型有機或無機光活性半導體材料層
43 -三維結構電子受體型有機或無機光活性半導體材料層
44 -三維結構電子給體型有機或無機光活性半導體材料層
61 -有機材料覆蓋層
62 -無機材料覆蓋層
具體實施方式
-.
以下結合附圖進一步說明本實用新型的各實施例。
納米薄膜太陽能電池組裝結構1實施例
在圖2中，在玻璃或透明塑料基板2下表面依次層疊制作出透明上電極3、 納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層4、金屬下電極5，引出電極8、 上、下電極和光活性半導體材料功能層及引出電極之間設有一個絕緣隔擋壁 7，之后再制作上一層有機和無機材料復合封裝覆蓋層6,最后在玻璃或透明 塑料基板2上表面依次層疊制作上增透光層1和UV保護層9就形成了所述的 一種納米薄膜太陽能電池。
該納米薄膜太陽能電池的光轉換效率高、成本低、結構緊湊、可靠性高， 重量輕、厚度薄，同時具有多種部件不同結構的組合性，可以通過不同部件 多種結構的組合來進一步優(yōu)化和最大化納米薄膜太陽能電池的光電轉化率， 拓展了它在農業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、煤礦、地質、石油、海洋、軍事等特殊領域 的應用。
納米薄膜太陽能電池組裝結構2實施例
在圖3中，在坡璃或透明塑料基板2下表面依次層疊制作出透明上電極3、 納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層4、金屬下電極5、引出電極8、 上、下電極和光活性半導體材料功能層及引出電極之間設有一個絕緣隔擋壁 7，先制成多個納米薄膜太陽能電池單元，各太陽能電池單元在水平方向上正、 負電極首尾相接串聯起來，然后再制作上一層有機和無機材料復合封裝覆蓋 層6，最后在玻璃或透明塑料基板2上表面依次層疊制作上增透光層1和UV 保護層9就形成了所述的一種納米薄膜太陽能電池。
該納米薄膜太陽能電池的光轉換效率高、成本低、結構緊湊、可靠性高、 重量輕、厚度薄，同時具有多種部件不同結構的組合性，可以通過不同部件 多種結構的組合來進一步優(yōu)化和最大化納米薄膜太陽能電池的光電轉化率， 其串聯結構還可成倍提高太陽能電池的輸出電壓，拓展了它在農業(yè)、林業(yè)、 牧業(yè)、煤礦、地質、石油、海洋、軍事等特殊領域的應用。
納米薄膜太陽能電池組裝結構3實施例
在圖4中，在玻璃或透明塑料基板2下表面依次層疊制作出透明上電極3、 納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層4、金屬下電極5，引出電極8、 上、下電極和光活性半導體材料功能層及引出電極之間設有一個絕緣隔擋壁 7,通過同性電極的互連，在垂直方向上制成出多個層疊的納米薄膜太陽能電 池單元，各太陽能電池單元的同性電極分別連接并聯在一起，再制作上一層 有機和無機材料復合封裝覆蓋層6,最后在玻璃或透明塑料基板2上表面依次 層疊制作上增透光層1和UV保護層9就形成了所述的一種納米薄膜太陽能電 池。
該納米薄膜太陽能電池的光轉換效率高、成本低、結構緊湊、可靠性高、 重量輕、厚度薄，同時具有多種部件不同結構的組合性，可以通過不同部件 多種結構的組合來進一步優(yōu)化和最大化納米薄膜太陽能電池的光電轉化率， 其并聯結構還可成倍提高電池的輸出電流，拓展了它在農業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、 煤礦、地質、石油、海洋、軍事等特殊領域的應用。
增透光層實施例
在圖5中，按從下到上光密到光疏次序，依次層疊高折射率光密媒質13 、 中折射率光密媒質12和低折射率光密媒質11就制成了一個具有減反射光效 果的多層增透光層l,光密媒質的層數可以是一層到三層。
透明上電極實施例
在圖6中，可以制成一維平面結構電極31式的第一種透明上電極3，或 制成具有'H'形或鋸齒波形等透光間隙的二維平面結構電極32式的第二種 透明上電極3;或制成既具有透光間隙又具有'V'形或半圓形等向下突出嵌 入柱體的三維立體結構電極33式的第三種透明上電極3，以便增加透光性和 增大上電極的接觸面積。
有機光活性材料層實施例
在圖7中，將分別具有20到200納米尺寸的相互凹凸配合的鋸齒狀二維 柱體的電子受體型或P型光活性半導體材料膜層41和電子給體型或N型光活 性半導體材料膜層42凹凸交錯相對地貼合在一起就形成了第一種納米尺度微 觀構造光活性半導體材料功能層。
在圖8中，將制作成具有20到200納米尺寸三維長方體柱陣列的電子受 體型或P型光活性半導體材料膜層43和制作成與之凹凸對應配合的具有20 到200納米尺寸三維長方形凹坑陣列的電子給體型或N型光活性半導體材料 膜層44凹凸交錯相對地貼合在一起就形成了第二種納米尺度微觀構造光活性 半導體材料功能層。
有機和無機材料復合封裝覆蓋層實施例
在圖9中，在有機太陽能電池上整體覆蓋一層有機材料層61,再整體覆 蓋上一層致密的無機材料層62就制成了一個有機和無機材料復合封裝覆蓋層 6;或多次重復覆蓋61層和62層形成一個2層以上的高致密和高隔離度的有 機和無機材料復合封裝覆蓋層6。有機材料層61可以是一種有機材料也可以 是不同種有機材料；無機材料層62可以是一種無機材料也可以是不同種無機 材料。有機材料層與無機材料層可以有次序層疊也可以任意組合次序層疊。
uv保護層實施例
在圖10中，在uv保護層的外表面上壓制出許多微小凹坑就制成了具有
光匯聚特性的UV保護層9。
具體實施中，本實用新型所述納米薄膜太陽能電池各部件的多種不同結 構可以相互組合形成多個優(yōu)化和最大化光電轉化率的納米薄膜太陽能電池優(yōu) 化結構方案，比如，將電池單元的串聯結構和并聯結構組合在一起可以形成 既具有提高納米太陽能電池的輸出電壓又具有提高輸出電流的優(yōu)化效果，各 種組合結構不逐一列舉，均屬于本實用新型的發(fā)明范圍。
權利要求1、一種納米薄膜太陽能電池，包括UV保護層(9)、增透光層(1)、玻璃或透明塑料基板(2)、透明上電極(3)、納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層(4)、金屬下電極(5)、引出電極(8)、絕緣隔擋壁(7)及有機和無機材料復合封裝覆蓋層(6)等部件，其特征是在玻璃或透明塑料基板(2)的上表面上自下而上依次層疊設置有增透光層(1)和UV保護層(9)，在玻璃或透明塑料基板(2)的下表面上設置有納米薄膜太陽能電池件，該納米薄膜太陽能電池件自上而下依次由層疊地設置的透明上電極(3)、納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層(4)和金屬下電極(5)組成，透明上電極(3)和金屬下電極(5)間通過絕緣隔擋壁(7)相阻隔，在納米薄膜太陽能電池外包設有一層有機和無機材料復合封裝覆蓋層(6)，引出電極(8)分別由納米薄膜太陽能電池的透明上電極(3)和金屬下電極(5)引出。
2、 如權利要求1所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是在玻璃或透明塑 料基板(2)的下表面上設置的納米薄膜太陽能電池件由多個串聯連接的納米薄膜太陽能電池單元組成，各電池單元自上而下依次由層疊設置的透明上電極(3)、 納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層(4)和金屬下電極(5)構成，各電池單 元的透明上電極(3)和金屬下電極(5)間通過絕緣隔擋壁(7)相阻隔，在水平方向 各電池單元的正、負電極首尾相接串聯，在納米薄膜太陽能電池外包設有一層有 機和無機材料復合封裝覆蓋層(6),引出電極(8)分別由串聯電池單元組的透明上 電極(3)和金屬下電極(5)引出。
3、 如權利要求l所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是在玻璃或透明塑 料基板(2)的下表面上設置的納米薄膜太陽能電池件由按垂直方向層疊設置的多 個并聯連接的納米薄膜太陽能電池單元組成，各電池單元均由自上而下層疊設置 的透明上電極(3)、納米尺度微觀構造光活性半導體材料功能層(4)和金屬下電極(5) 構成，各電池單元的透明上電極(3)和金屬下電極(5)間通過絕緣隔擋壁(7) 相阻隔，各電池單元的同性電極分別相連在一起，在納米薄膜太陽能電池外包設 有一層有機和無機材料復合封裝覆蓋層(6)，引出電極(8)分別由并聯電池單元組 的透明上電極(3)和金屬下電極(5)引出。
4、 如權利要求l所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是納米薄膜太陽能 電池的增透光層(l)由1到3層按光疏媒質到光密媒質次序排列的媒質層依次層 疊構成。
5、 如權利要求l、 2或3所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是納米薄膜 太陽能電池的透明上電極(3)為一維平板結構電極，或為具有'H'形或鋸齒波形 透光間隙的二維平面結構電極，或為既具有'H'形或鋸齒波形的透光間隙，又 具有'V，形或半圓形的向下突出嵌入柱體的三維立體結構電極。
6、 如權利要求l、 2或3所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是納米薄 膜太陽能電池的光活性半導體材料功能層(4)的納米尺度微觀構造結構由分別具 有20到200納米尺寸的相互凹凸配合的鋸齒狀二維柱體的電子受體型或P型光 活性半導體材料膜層和電子給體型或N型光活性半導體材料膜層凹凸交錯相對 地貼合在一起制成，光活性半導體材料是共軛聚合物有機材料、或是單晶體、多 晶體、微晶或氧化物分子構造的材料。
7、 如權利要求l、 2或3所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是納米薄 膜太陽能電池的光活性半導體材料功能層(4)的納米尺度微觀構造結構由具有 20到200納米尺寸三維長方體柱陣列的電子受體型或P型光活性半導體材料膜 層和與之凹凸對應配合的具有20到200納米尺寸三維長方形凹坑陣列的電子給 體型或N型光活性半導體材料膜層凹凸交錯相對地貼合在一起制成，光活性半導 體材料是共軛聚合物有機材料、或是單晶體、多晶體、微晶或氧化物分子構造的 材料。
8、 如權利要求l、 2或3所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是納米薄 膜太陽能電池的有機和無機材料復合封裝覆蓋層(6)是在一層有機材料覆蓋層上 再整體覆蓋上一層致密的無機材料層而形成的雙層結構，或是多次重復制作此雙 層結構的復合封裝覆蓋層而形成的2層以上的有機和無機材料復合封裝覆蓋層， 所說的有機材料層是一種或多種有機材料，所說的無機材料層是一種或多種無機 材料，有機材料層與無機材料層按次序層疊或按任意組合次序層疊。
9、 如權利要求l所述的納米薄膜太陽能電池，其特征是納米薄膜太陽能 電池的UV保護層(9)為一個外表面上壓制有許多微小凹坑的UV保護材料膜層。
專利摘要一種具有納米尺度微觀構造光活性材料層的薄膜太陽能電池。它包括UV保護層、增透光層、玻璃基板或透明塑料板、透明上電極、納米級微觀構造光活性材料層、金屬下電極、絕緣隔離壁、引出電極、有機和無機材料復合覆蓋保護層等部件，可以利用多部件、多種結構的組合來優(yōu)化和增加光吸收率、光電轉化率以及增加電壓和電流的輸出特性，其優(yōu)點是成本低、重量輕、適宜大面積生產、吸收光譜寬、可柔性化及光電轉化效率顯著并具有發(fā)掘潛力。本實用新型發(fā)明適合應用于野外、邊遠地區(qū)自然村落、游牧民生活、軍事、建筑、航天、地質、林業(yè)、礦山、旅游等諸多領域。
文檔編號H01L51/42GK201213139SQ200720311390
公開日2009年3月25日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權日2007年12月25日
發(fā)明者明 杜, 輝 杜, 郭曉冰 申請人:西安海晶光電科技有限公司