專利名稱：基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于太陽能電池技術領域，具體是基于ZnO納米線的高效薄膜太陽能電池。
背景技術：
能源無疑是人類生存與發(fā)展的基石，而隨著傳統(tǒng)能源的日益開發(fā)與枯竭，與之相對的卻是社會發(fā)展對能源需求的劇增，能源短缺和能源供給問題已切實成為世界各國政府工作的當務之急。全球范圍內能源緊缺的日益突出，使得可再生能源的開發(fā)利用備受關注， 以可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源，解決能源短缺的同時，緩減環(huán)境污染問題。太陽能利用是綠色可再生能源中一個非常重要的一部分，自1893年法國科學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)“光生伏特效應”以來，太陽能電池技術和太陽能電池產業(yè)迅速發(fā)展，圍繞著如何提高太陽能電池效率、降低太陽能電池成本，各國對太陽能電池的研究日益深入。借助于半導體工業(yè)的發(fā)展，晶體硅材料制備工藝相當成熟，并且晶體硅電池效率高，使得晶體硅在太陽能電池商業(yè)化的初始階段占據(jù)著市場的主流地位；但隨著薄膜電池的發(fā)展，成本低和環(huán)境無污染的優(yōu)勢，使得薄膜電池在市場份額中比率日益增加，業(yè)界均看好薄膜電池，尤其是硅基薄膜電池成為未來電池發(fā)展的主流。然而，目前硅基薄膜電池較低的效率限制了其工業(yè)發(fā)展的步伐。硅基薄膜電池中，微晶硅電池的理論效率為沈％，非晶硅為3%，與晶硅電池理論效率相當，然而，實際生產過程中，微晶硅8. 5%和非晶硅9. 5%(初始)的效率遠低于晶硅的18%(多晶硅)和24%(單晶硅)。這種差異主要源于硅基薄膜電池較低的光生載流子收集效率。禁帶寬度為1. IeV的微晶硅和1. 75eV非晶硅電池電流密度的理論值分別為43. 6mA/cm2和21. ImA/cm2，而實際生產中的微晶硅和非晶硅薄膜電池的電流密度僅為20 mA/cm2和12 mA/cm2。而載流子的收集效率，又取決于電池結構、載流子遷移方式和遷移速率。以非晶硅薄膜電池為例，薄膜為無序結構，內部存在大量缺陷，光生載流子靠PN結形成的電場漂移，電子電導遷移率為10cm7V*S，空穴電導遷移率為0.67 cm2/ V · s，遠低于晶硅，較低的遷移速率和大量缺陷的存在使載流子在遷移過程中部分復合消失。因此，提高硅基薄膜電池的效率，關鍵在于提高電池內部的電場強度和降低電池內部的缺陷。在效率較低的染敏電池和有機電池電池的研究中，人們先后將ai0、Ti02、CdS、Mo等納米線與薄膜電池復合，利用納米線巨大的比表面積增大電池的受光面積，以及利用這些納米線作為薄膜電池內部載流子的輸送橋梁將載流子的遷移距離有幾十微米減少至幾百納米，薄膜電池的短路電流急劇增大為原先的80倍以上，電池內部載流子收集效率極大提高，從而使電池效率提高至原先的20倍以上。然而，迄今為止，關于將納米線復合到硅基薄膜電池的研究極少，這主要是由于合適的納米線選取和制備比較困難。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種基于aio納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其為五層結構，該五層結構自下而上依次為基板及在基板上自下而上依次沉積ZnO納米線、 硅基薄膜層、背電極層和封裝材料層。作為上述基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池的優(yōu)選技術措施所述ZnO 納米線的長度為500nm-2um，直徑為50-80nm。所述的基板是氧化錫或氧化鋅的透明導電氧化物玻璃。所述的背電極層為aiO/Ag/Ti復合層，且SiO鄰接所述的硅基薄膜層，Ti鄰接所述的封裝材料層；或者所述的背電極層為aiO/ΑΙ復合層，且ZnO鄰接所述的硅基薄膜層， Al鄰接所述的封裝材料層；或者所述的背電極層為ZnO層。所述的封裝材料層為EVA/背板復合層，所述的EVA鄰接所述的背電極層；或者所述的封裝材料層為PVB/鋼化玻璃復合層，所述的PVB鄰接所述的背電極層。本實用新型的有益效果是將ZnO納米線復合到硅基薄膜太陽能電池內部，利用 ZnO納米線巨大的比表面積增大電池的受光面積，以及利用這些納米線作為薄膜電池內部載流子的輸送橋梁將載流子的遷移距離有幾十微米減少至幾百納米，極大地提高了電池內部載流子收集效率，從而提高硅基薄膜電池的效率。以ZnO納米線制備PIN型硅基薄膜電池，ZnO薄膜作為TCO薄膜，在薄膜電池中廣泛用作電池前電極和背電極，因此將ZnO納米線復合到硅基薄膜電池內部，可以起到提高電池受光面積和作為電池內部載流子輸送橋梁的作用，從而極大提高硅基薄膜電池的效率。

圖1是本實用新型太陽能電池的一種截面結構放大示意圖。圖中標號說明1-基板，2-ZnO納米線，3-硅基薄膜層，4-背電極層，5-封裝材料層。
具體實施方式
[0011]以下結合說明書附圖通過實施例對本實用新型做進一步說明。本實用新型的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，如圖1所示，其是在基板1上自下而上依次沉積SiO納米線2、硅基薄膜層3、背電極層4和封裝材料層5構成。進一步的ZnO納米線(2)的長度為500nm-2um，直徑為50-80nm ；基板1是氧化錫或氧化鋅的透明導電氧化物玻璃；硅基薄膜層3為微晶硅薄膜或非晶硅薄膜；背電極層4為SiO/Ag/Ti 層、ZnO/Al層或ZnO層；封裝材料層5為EVA/背板或PVB/鋼化玻璃。實施例1 1)以氧化錫透明導電玻璃(F-SNO2)為基板1，采用水熱法在基板1上制備ZnO薄膜并在該ZnO薄膜上制出ZnO納米線，所述ZnO納米線包括線、柱、釘中的至少一種結構形式，ZnO納米線2的長度為800nm-2um，直徑為50_80nm ；2)采用13. 56MHZ的等離子體化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線結構上沉積250-500nm厚的非晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上依次濺射20-100nm厚的ZnO 層、100-300nm厚的Ag層、10-40nm厚的Ti層形成背電極層4 ；4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的EVA與背板的復合層，得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例2:1)以氧化鋅透明導電玻璃(Ag-aiO)為基板1，采用水熱法在基板ι上制備SiO薄膜并在該ZnO薄膜上制出ZnO納米線，所述ZnO納米線包括線、柱、釘中的至少一種結構形式，ZnO納米線2的長度為800nm-2um，直徑為50_80nm ；2)采用熱絲化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線結構上沉積250_500歷厚的非晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上依次濺射20-100nm厚的ZnO 層、100-300nm厚的Ag層、10-40nm厚的Ti層形成背電極層4 ；4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的EVA與背板的復合層，得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例3 1)以氧化錫透明導電玻璃(F-SNO2)為基板1，采用金屬催化化學氣相沉積法在基板1上制備SiO薄膜并在該SiO薄膜上制出ZnO納米線2，SiO納米線2的長度為500nm-lum， 直徑為50-70nm ；2)采用熱絲化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線上沉積3 μ m厚的微晶硅 PIN層作為硅基薄膜層3;3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上依次濺射20-100nm厚的ZnO 層、1. 5-3 μ m厚的Al層形成背電極層4 ；4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的EVA/背板復合層，得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例4 1)以氧化鋅透明導電玻璃(Ag-SiO)為基板1，采用金屬催化化學氣相沉積法在基板1上制備ZnO薄膜并在該ZnO薄膜上制出ZnO納米線2，ZnO納米線2的長度為 500nm-lum，直徑為 50_70nm ；2)采用13. 56MHZ的等離子體化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線2上沉積250-500nm厚的非晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上依次濺射600-800nm厚的ZnO 結構層形成背電極層4;4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的PVB和3mm 鋼化玻璃，得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例5 1)以氧化錫透明導電玻璃(F-SNO2)為基板1，采用水熱法在基板1上制備ZnO薄膜并在該ZnO薄膜上制出ZnO納米線，所述ZnO納米線包括線、柱、釘中的至少一種結構形式，ZnO納米線2的長度為800nm-2um，直徑為50_80nm ；2)采用70MHZ的等離子體化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線結構上沉積的3 μ m厚微晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上依次濺射20-100nm厚的ZnO 層、100-300nm厚的Ag層、10-40nm厚的Ti層形成背電極層4 ；[0037]4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的EVA和背板， 得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例6 1)以氧化鋅透明導電玻璃(AG-ZNO)為基板1，采用金屬催化化學氣相沉積法在基板1上制備ZnO薄膜并在該ZnO薄膜上制出ZnO納米線2，ZnO納米線2的長度為 500nm-lum，直徑為 50_70nm ；2)采用70MHZ的等離子體化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線2上沉積 250-500nm厚的非晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的非晶硅薄膜上依次濺射20-100nm厚的ZnO層、 100-300nm厚的Ag層、10-40nm厚的Ti層形成背電極層4 ；4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的EVA和背板， 得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例7 1)以氧化錫透明導電玻璃(F-SNO2)為基板1，采用金屬催化化學氣相沉積法在基板1上制備SiO薄膜并在該SiO薄膜上制出ZnO納米線2，SiO納米線2的長度為500nm-lum， 直徑為50-70nm ；2)采用70MHZ的等離子體化學氣相沉積在步驟1)制得的ZnO納米線上沉積3 μ m 厚的微晶硅晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上濺射600-800nm厚的ZnO結構層形成背電極層4;4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的PVB和3mm 鋼化玻璃，得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。實施例8 1)以氧化錫透明導電玻璃(F-SNO2)為基板1，采用金屬催化化學氣相沉積法在基板1上制備SiO薄膜并在該SiO薄膜上制出ZnO納米線2，SiO納米線2的長度為500nm-lum， 直徑為50-70nm ；2)采用13. 56MHZ的等離子體化學氣相沉積在步驟1)制得的氧化鋅納米線2上沉積250-500nm厚的非晶硅PIN層作為硅基薄膜層3 ；3)用磁控濺射法在步驟2)制得的硅基薄膜層3上依次濺射20-100nm厚的ZnO 層、100-300nm厚的Ag層、10-40nm厚的Ti層形成背電極層4 ；4)將步驟3)制得的背電極層4上依次層壓封裝作為封裝材料層5的EVA和背板， 得到基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池。本實用新型的太陽能電池，太陽光線透過基板1經氧化鋅納米線層2射向硅基薄膜層3，在硅基薄膜層3產生內建電場，背電極層4與硅基薄膜層相連，經導線連接引出電流。光線經過氧化鋅納米線層2，利用ZnO納米線巨大的比表面積增大電池的受光面積，以及利用這些納米線作為薄膜電池內部載流子的輸送橋梁將載流子的遷移距離有幾十微米減少至幾百納米，極大地提高了電池內部載流子收集效率，從而提高硅基薄膜電池的效率。本實用新型不僅可以應用在如上所述的單結電池結構中，也可應用在疊層電池結構中，用作疊層電池的頂電池。
權利要求1.基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是其為五層結構，該五層結構自下而上依次為基板(1)及在基板上自下而上依次沉積ZnO納米線O)、硅基薄膜層(3)、 背電極層⑷和封裝材料層(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述ZnO納米線O)的長度為500nm-2um，直徑為50_80nm。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述的基板(1)是氧化錫或氧化鋅的透明導電氧化物玻璃。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述的硅基薄膜層(3)為微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述的背電極層⑷為SiO/Ag/Ti復合層，且ZnO鄰接所述的硅基薄膜層(3)，Ti鄰接所述的封裝材料層(5)。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述的背電極層(4)為aiO/ΑΙ復合層，且ZnO鄰接所述的硅基薄膜層(3)，Al鄰接所述的封裝材料層(5)。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述的背電極層⑷為透明導電氧化物ZnO層。
8.根據(jù)權利要求1、5-7中任一項所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，其特征是所述的封裝材料層( 為EVA/背板復合層，所述的EVA鄰接所述的背電極層 ⑷。
9.根據(jù)權利要求1、5-7中任一項所述的基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池， 其特征是所述的封裝材料層( 為PVB/鋼化玻璃復合層，所述的PVB鄰接所述的背電極層⑷。
專利摘要本實用新型公開了一種基于ZnO納米線的高效硅基薄膜太陽能電池，屬于太陽能電池技術領域，本實用新型是在基板上自下而上依次沉積ZnO納米線、硅基薄膜層、背電極層和封裝材料層構成。本實用新型通過將ZnO納米線復合到硅基薄膜太陽能電池內部，利用ZnO納米線巨大的比表面積增大電池的受光面積，以及利用這些納米線作為薄膜電池內部載流子的輸送橋梁將載流子的遷移距離有幾十微米減少至幾百納米，極大地提高了電池內部載流子收集效率，從而提高硅基薄膜電池的效率。
文檔編號H01L31/075GK202058747SQ20112013437
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權日2011年4月29日
發(fā)明者葉志高, 吳興坤, 郝芳 申請人:杭州天裕光能科技有限公司