專利名稱：一種異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池裝置，屬于太陽能電池和納米
材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
面對全球能源短缺危機(jī)和生態(tài)環(huán)境不斷惡化，世界各國積極研究和開發(fā)利用可再 生能源，從而實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。其中，太陽能以其獨(dú)有的優(yōu)勢而成為可再 生能源的焦點(diǎn)。假如把地球表面O. 1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率為5%，每年發(fā)電量可達(dá) 5. 6X 1012千瓦小時(shí)，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因而太陽能被認(rèn)為是能源危機(jī)和生 態(tài)環(huán)境惡化的最佳解決途徑。 太陽能電池是通過半導(dǎo)體p-n結(jié)的光伏效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成 電能的裝置。目前商業(yè)化太陽能電池以單晶硅和非晶硅為主。當(dāng)前，人們除了大量應(yīng)用單 晶硅太陽電池外[參見專利專利號(hào)JP5243597-A ;專利號(hào)KR2002072736-A]，還研制成功 了多晶硅電池[參見專利專利號(hào)US6307146-B1]、薄膜太陽電池等各種新型的電池[參見 專利專利號(hào)JP2002198549-A]，并且還在不斷的研制各種新材料、新結(jié)構(gòu)的太陽電池[參 見專利專利號(hào)DE19743692-A ;DE19743692-A1]。在第三代低成本高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電 池的研發(fā)競賽種，納米技術(shù)作為建造更好的太陽能電池的一種方法出現(xiàn)了。這些基于納米 材料開發(fā)的電池按照是否使用電解溶液，可以分為兩類。 第一類是使用電解溶液的電池1991年，瑞士洛桑高等理工學(xué)院Gratzel教 授率先發(fā)明了二氧化鈦納米晶薄膜染料敏化太陽能電池[B.O' Regan， M.Gratzel， A low_cost， highefficiency solar cell based on dye_sensitized colloidal Ti02 films. Nature 1911， 353， 737-740]，其光電能量轉(zhuǎn)換率在AMI. 5模擬日光照射下可達(dá) 7. 1%，接近了多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率；2005年美國加州大學(xué)的楊培東教授課題組首次 采用一維ZnO納米線作為太陽能電池的陽極材料，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.5% [M丄aw， L E. Greene, J. C. Johnson, et al. Nanowiredye-sensitized solar cell. Nature Materials 2005， 4， 455-459] 。 2007年，美國圣母大學(xué)的Kamat等人將二氧化鈦的納米 顆粒吸附于單壁碳納米管上，利用碳納米管來引導(dǎo)光生電荷的流動(dòng)，使電荷更容易到達(dá) 電極成為電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)太陽能電池紫外光轉(zhuǎn)換為電流的效率為僅使用二氧化鈦的兩倍 [A. KongKanand， R. M. Dominguez， P. V. Kamat， Single wall carbon nanotubescaffolds for photoelectrochemical solar cells. Capture and transport of photogenerated electrons. Nano letters 2007， 7， 676-680] 。 2008年，中國北京師范大學(xué)彭奎慶教授發(fā)明 了基于硅納米線的光電化學(xué)太陽能電池[參見專利專利號(hào)CN101262019A]。
第二類是不使用電解質(zhì)溶液的電池。2005年以來，彭奎慶等人先后發(fā)明了了大 面積納米硅線制備技術(shù)和太陽能電池技術(shù)[參見中國專利CN 1382626 ;中國專利申請?zhí)?2005100117533 ;中國專利申請?zhí)朇N200810084205. 7 ;Kuiqing Peng， Mingliang Zhang， AijiangLu，NingBew Wong，Ruiqin Zhang，Shuit_Tong Lee. Ordered Si nanowire arraysvia NanosphereLithography and Metal—induced etching. Applied Physics Letters 2007,90， 163123]。 2008年，彭奎慶等人還發(fā)明了用鉑顆粒修飾的硅納米線光電化學(xué)太陽 能電池[參見專利專利號(hào)CN101369493A]。 2007年以來，韋進(jìn)全等人發(fā)明并改進(jìn)了碳納 米管/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池[參見中國專利CN 1996620 ;Jinquan Wei， Yi Jia， Qinke Shu， Zhiyi Gu， K皿lin Wang， DamingZhuang， Gong Zhang， Zhicheng Wang， Jianbin Luo， Anyimn Cao，Dehai Wu. Double—walled carbo皿anotube solar cell.Nano letters 2007， 7,2317-2321 ;Yi Jia， Jinquan Wei， K皿lin Wang， AnyuanCao， Qinke Shu， Xuch皿Gui， Yanqiu Zhu，Darning Zhuang，Gong Zhang，Beibei Ma，Liduo Wang，Wenjin Liu，Zhicheng Wang，Jianbin Luo，Dehai Wu. Nanotube—Silicon Heterojunction Solar Cells.Advanced materials 2008， 20， 4594-4598.]，其轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到7%。 在以上兩類太陽電池模型存在的不足之處在于當(dāng)使用具有半導(dǎo)體納米線陣列 層的結(jié)構(gòu)時(shí)，如果只形成異質(zhì)結(jié)電池，則很難利用半導(dǎo)體納米線之間的空間，導(dǎo)致結(jié)面積不 高，從而導(dǎo)致電池效率不高；如果形成傳統(tǒng)的光電化學(xué)電池，則透明電極層和納米半導(dǎo)體層 之間的電解溶液層將增大電池的內(nèi)阻，從而導(dǎo)致電池效率不高。 針對以上問題，我們設(shè)計(jì)了一種異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池。這種電池在 傳統(tǒng)的光電化學(xué)電池的基礎(chǔ)上，將透明電極層、納米半導(dǎo)體層和電解溶液層兩兩接觸。這種 特別的結(jié)構(gòu)，使得透明電極層和納米半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，屬于上述第一類電 池；同時(shí)，透明電極層、納米半導(dǎo)體層和電解溶液層形成光電化學(xué)電池，屬于上述第二類電 池。這種異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池兼具上述兩類電池的特點(diǎn)，不僅充分利用了半 導(dǎo)體納米線之間的空間，形成更大的結(jié)面積，而且降低了由電解溶液層帶來的內(nèi)阻，從而具 有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。 為了說明這種新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，我們選用硅納米線陣列作為半導(dǎo)體納米線陣列 層，選用碳納米管薄膜作為透明電極層，選用含有HBr和Br2的溶液作為電解溶液，并進(jìn)行 了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示如果不滴加含有HBr和Br2的溶液作為電解溶液，僅僅將碳 納米管薄膜和硅納米線陣列相接觸，則只能形成異質(zhì)結(jié)電池，且光電轉(zhuǎn)換效率小于O. 1% ; 如果滴加含有HBr和Br2的溶液作為電解溶液，但不使碳納米管薄膜和硅納米線陣列相接 觸，則只能形成光電化學(xué)電池，且光電轉(zhuǎn)換效率僅為O. 7%。當(dāng)我們將碳納米管薄膜、硅納米 線陣列和電解溶液兩兩接觸時(shí)，則形成異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池，使光電轉(zhuǎn)換效 率提高到1.29%。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種光電轉(zhuǎn)換效率高的異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池結(jié) 構(gòu)。 本發(fā)明提出的一種異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)從下至上依次 含有Ag層(l)、Pd(2)層、Ti(3)層、半導(dǎo)體基底層(4)，在半導(dǎo)體基底層的上表面的中心區(qū) 域有刻蝕出的半導(dǎo)體納米線陣列(5);在半導(dǎo)體基底層的上表面沒有半導(dǎo)體納米線陣列的 邊緣區(qū)域，是絕緣封閉層(6);絕緣封閉層之上是透明電極層(7)，透明電極層同時(shí)和半導(dǎo) 體納米線陣列接觸；絕緣封閉層中心是電解溶液層(8);透明電極層上面是透明封裝材料 層(9)。其中，Ag層、Pd、Ti共同形成電池的下電極層；電解溶液層中的電解液會(huì)滲入半導(dǎo)體納米線陣列中。該結(jié)構(gòu)的特征是所述的透明電極層、納米半導(dǎo)體層和電解溶液層兩兩接 觸，透明電極層與納米半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，透明電極層、納米半導(dǎo)體層和電解 溶液層共同形成光電化學(xué)電池。 本發(fā)明使用單面中心具有半導(dǎo)體納米線陣列的半導(dǎo)體基體。在有半導(dǎo)體納米線陣 列的一面覆蓋電池的絕緣封閉層，其中，絕緣封閉層只覆蓋到半導(dǎo)體基底層邊緣沒有半導(dǎo) 體納米線陣列的部分；用熱蒸鍍技術(shù)在該半導(dǎo)體基底層沒有半導(dǎo)體納米線陣列的一面先后 沉積Ti、Pd、Ag金屬層形成歐姆接觸電極。將透明電極層和電解溶液層組裝到半導(dǎo)體納米 線陣列上，并使得透明電極層、半導(dǎo)體納米線陣列和電解溶液層兩兩接觸；然后，用透明封 裝材料層對電池進(jìn)行封裝，便得到一個(gè)單片的異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池。這種異 質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池兼具異質(zhì)結(jié)太陽能電池和光電化學(xué)太陽能電池的特點(diǎn)，不 僅充分利用了半導(dǎo)體納米線之間的空間，形成更大的結(jié)面積，而且降低了由電解溶液層帶 來的內(nèi)阻，從而具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
圖1為本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。 l-Ag層 2-Pd層 3-Ti層 4-半導(dǎo)體基底層 5-半導(dǎo)體納米線陣列 6-絕緣封閉層 7-透明電極層 8-電解溶液層 9-透明封裝材料層 圖2為本發(fā)明的的對比方案之一的結(jié)構(gòu)示意圖。 l-Ag層 2-Pd層 3-Ti層 4-半導(dǎo)體基底層 5-半導(dǎo)體納米線陣列 6-絕緣封閉層 7-透明電極層 8-電解溶液層 9-透明封裝材料層 圖3為本發(fā)明的的對比方案之二的結(jié)構(gòu)示意圖。 l-Ag層 2-Pd層 3-Ti層 4-半導(dǎo)體基底層
5-半導(dǎo)體納米線陣列 6-絕緣封閉層 7-透明電極層 8-透明封裝材料層
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 使用單面中心具有硅納米線陣列的單晶n型硅片；在有硅納米線陣列的一面覆蓋 電池的絕緣封閉層，其中，絕緣封閉層只覆蓋到硅片邊緣沒有硅納米線陣列的部分；用熱蒸 鍍技術(shù)在該硅片沒有硅納米線陣列的一面先后沉積Ti、 Pd、 Ag金屬層形成歐姆接觸電極。 將50nm厚的碳納米管薄膜鋪展在硅納米線陣列上，其邊緣鋪在絕緣封閉層上。在碳納米管 薄膜和硅納米線陣列接觸的地方，滴加含有溴(3% )和溴化氫(40% )的電解溶液，該電解 溶液通過碳納米管薄膜的空隙滲透到硅納米線陣列的空隙中，實(shí)現(xiàn)碳納米管薄膜、硅納米 線陣列和電解溶液兩兩接觸；然后，用聚二甲基硅氧烷(P匿S)層對電池進(jìn)行封裝，便得到 一個(gè)單片的異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池。該電池不僅充分利用了硅納米線陣列中的 空間，形成更大的結(jié)面積，而且降低了由電解溶液層帶來的內(nèi)阻，從而達(dá)到1. 29%的轉(zhuǎn)換效 率。 比較例1 使用完全相同的材料，但使用附圖2所示結(jié)構(gòu)，即透明電極層(7)不和半導(dǎo)體納米 線陣列(5)接觸。具體如下。使用單面中心具有硅納米線陣列的單晶n型硅片；在有硅納 米線陣列的一面覆蓋電池的絕緣封閉層，其中，絕緣封閉層只覆蓋到硅片邊緣沒有硅納米 線陣列的部分；用熱蒸鍍技術(shù)在該硅片沒有硅納米線陣列的一面先后沉積Ti、 Pd、 Ag金屬 層形成歐姆接觸電極。在硅納米線陣列上滴加含有溴(3% )和溴化氫(40% )的電解溶液， 該電解溶液滲透到硅納米線陣列的空隙中；將50nm厚的碳納米管薄膜鋪展在聚二甲基硅 氧烷(P匿S)層上，再將鋪有碳納米管薄膜的聚二甲基硅氧烷層整體蓋在絕緣封閉層上面， 便得到一個(gè)單片光電化學(xué)太陽能電池。其中，碳納米管薄膜和硅納米線陣列不接觸。該電 池中的電解溶液層增大了電池的內(nèi)阻只得到0. 7%的光電轉(zhuǎn)換效率。
比較例2 但使用附圖3所示結(jié)構(gòu)，即不使用電解溶液層。具體如下。使用單面中心具有硅 納米線陣列的單晶n型硅片；在有硅納米線陣列的一面覆蓋電池的絕緣封閉層，其中，絕緣 封閉層只覆蓋到硅片邊緣沒有硅納米線陣列的部分；用熱蒸鍍技術(shù)在該硅片沒有硅納米線 陣列的一面先后沉積Ti、Pd、Ag金屬層形成歐姆接觸電極。將50nm厚的碳納米管薄膜鋪展 在硅納米線陣列上，其邊緣鋪在絕緣封閉層上。然后，用聚二甲基硅氧烷(P匿S)層對電池 進(jìn)行封裝，便得到一個(gè)單片的異質(zhì)結(jié)太陽能電池。該電池沒有充分利用了硅納米線陣列中 的空間，使得結(jié)面積很小，光電轉(zhuǎn)換效率小于1 % 。
權(quán)利要求
一種異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池，該太陽能電池結(jié)構(gòu)從下至上依次含有Ag層(1)、Pd(2)層、Ti(3)層、半導(dǎo)體基底層(4)，在半導(dǎo)體基底層的上表面的中心區(qū)域有刻蝕出的半導(dǎo)體納米線陣列(5)；在半導(dǎo)體基底層的上表面沒有半導(dǎo)體納米線陣列的邊緣區(qū)域，是絕緣封閉層(6)；絕緣封閉層之上是透明電極層(7)，透明電極層同時(shí)和半導(dǎo)體納米線陣列接觸；絕緣封閉層中心是電解溶液層(8)；透明電極層上面是透明封裝材料層(9)；其中，Ag層、Pd、Ti共同形成電池的下電極層；電解溶液層中的電解液會(huì)滲入半導(dǎo)體納米線陣列中；其特征是在于所述的透明電極層、納米半導(dǎo)體層和電解溶液層兩兩接觸，透明電極層與納米半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，透明電極層、納米半導(dǎo)體層和電解溶液層共同形成光電化學(xué)電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種屬于太陽能電池和納米材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的異質(zhì)結(jié)和光電化學(xué)混合太陽能電池結(jié)構(gòu)。其特征在于，所述的透明電極層、半導(dǎo)體納米線陣列和電解溶液層兩兩接觸，透明電極層與半導(dǎo)體納米線陣列形成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，透明電極層、半導(dǎo)體納米線陣列和電解溶液層共同形成光電化學(xué)太陽能電池。本發(fā)明提供的這種具有新型結(jié)構(gòu)的太陽能轉(zhuǎn)換裝置，是由異質(zhì)結(jié)太陽能電池和光化學(xué)電池混合而成，并同時(shí)具有兩種電池的特征，光電轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號(hào)H01L31/04GK101694816SQ20091009373
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者吳德海, 朱宏偉, 李昕明, 李禎, 桂許春, 王昆林, 舒勤科, 賈怡, 郭寧, 韋進(jìn)全, 馬超然 申請人:清華大學(xué);