專利名稱：背電極、背電極吸收層復合結構及太陽能電池的制作方法
技術領域：
本申請涉及光電轉換材料領域，特別是涉及一種背電極，含有該背電極的背電極吸收層復合結構和太陽能電池。
背景技術：
人類進入二十一世紀，環(huán)境污染和能源短缺已愈來愈制約著社會的可持續(xù)發(fā)展。太陽能等可再生能源技術代表了清潔能源的發(fā)展方向，作為最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的太陽能光伏發(fā)電將進入人類能源結構并成為基礎能源的重要組成部分。我國也已經(jīng)將其作為構建和諧可持續(xù)發(fā)展的新型社會的重要基礎條件列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃中。
目前，薄膜太陽能電池的研究主要集中在如何提高薄膜電池的轉換效率，根據(jù)轉換效率的定義，薄膜太陽能電池的轉換效率等于其能夠輸出的電能除以輸入的光能，即其取決于電池材料對光子的吸收效率、載流子的分離效率和載流子的輸運收集效率。也就是說，要想提高薄膜太陽能的光電轉換效率，就需要從這三方面下手，提高三個效率值。對于同一種材料才說，載流子的分離效率基本是不變的，故提高電池組件對光子的吸收效率和載流子的輸運收集效率是提高太陽能薄膜電池轉換效率的關鍵。研究者們對薄膜太陽能電池的研究也主要集中在這兩個方面，尤其是對于前者，研究者提出很多方法來提高電池組件對光子的吸收，比如電池表面增加減反膜，減少光的反射[1];電池表面制備聚光結構[2，3];在減反膜表面制備各種“陷光結構”，進一步增加光子的吸收[4_6];制備多禁帶疊層太陽能電池結構吸收更大波長范圍的光[7]等等，也取得了較好的效果。但是對于載流子的收集效率的研究并不是太多，僅僅局限于不同電導率的電極材料選擇和晶格取向的研究W，因此對整體太陽能電池的貢獻不大。參考文獻[I]Pankove J.1.Optical Processes in Semiconductors[M]. EnglewoodCliffs:Prentice Hall,1971.[2] Vernon S. M. Tobin S. P. , Haven V. E. , et al. High-eff iciency concentratorcells from GaAs on Si [C]. Conference Record of the 22th IEEE PhotovoltaicSpecialists Conference, Las Vegas,1991:353-357.[3]Verlinden P. J. Swanson R. M. , Crane R. A.，et al. A 26. 8% efficientconcentrator point-contact solar cell[C]. Proceeding of the 13th EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference, Nice, 1995:1582-1585.[4]Zhou H.，Colli A.，Ahnood A.，et al. Arrays of Parallel ConnectedCoaxial Multiwall Carbon Nanotube Amorphous Silicon Solar Cells[J]. Adv.Mater.，2009，21:3919-3923.[5] Yannopapas V. , Vitanov N. V. , Ultra-subwavelength focusing of lightby a monolayer of metallic nanoshells with an adsorbed defect[J]. Phys. Stat.Sol.，2008，2:287-289.
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發(fā)明內(nèi)容
本申請的目的是提供一種新結構的背電極，以及包含該背電極的背電極吸收層復合結構和太陽能電池。為了實現(xiàn)上述目的，本申請釆用了以下技術方案本申請的一方面公開了一種背電極，背電極為連續(xù)的導電薄膜，該導電薄膜的正面表面上具有凸起的納米陣列。進一步的，凸起的納米陣列為納米箔的陣列或納米纖維的陣列。進一步的，納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000mn，納米箔的厚度為f lOOOnm，凸起的高度為lOnnTlmm。本申請中，納米陣列的間距為SOnnTlOmm。本申請中，背電極的材料為導電的金屬材料、導電的無機非金屬材料或?qū)щ姷挠袡C高分子材料中的至少一種；導電的金屬材料選自銅、鎳、鋅、錫、鎂、鋁、錳、鉻、鎘、碲、銦、銻、鈦、金、鉬、鑰和銀中的一種或者幾種；導電的無機非金屬材料選自石墨烯、納米碳管、不定性碳、氧化鋅鋁、氧化銦錫、摻氟的氧化錫及它們的合金或組成的復合材料中的一種或者幾種；導電的有機高分子材料選自聚苯胺，聚噻吩，聚吡咯，聚苯乙炔，聚乙炔，聚苯撐，聚苯硫醚，富勒烯及它們的衍生物中的一種或者幾種。本申請的另一方面公開了一種背電極吸收層復合結構，該復合結構包括固定連接的背電極和吸收層，吸收層的背面與背電極的正面固定接觸連接，其中背電極為本申請?zhí)峁┑谋畴姌O，背電極正面的凸起的納米陣列插入到吸收層內(nèi)。進一步的，吸收層的材料選自二六族化合物、三五族化合物、娃材料、有機光電材料和染料敏化材料中的至少一種。進一步的，二六族化合物選自CdTe材料、CuInSe材料、CuInGaSe材料和CuZnSeS材料中的至少一種；三五族化合物選自GaAs材料、InP材料和InGaP材料中的至少一種；硅材料選自單晶硅、多晶硅、硅薄膜和納米硅晶顆粒中的至少一種；有機光電材料選自酞青 鋅、甲基葉林、蒽、聯(lián)苯、半菁類及其衍生物和聚噻吩中的至少一種；染料敏化材料包括TiO2和染色劑，染色劑包括無機材料或有機材料，無機材料包括釕染料，有機材料選自吲哚啉類染料、香豆素類染料、三苯胺類染料、菁類染料、方酸類染料、二烷基苯胺類染料、咔唑類染料、芴類染料、二萘嵌苯類染料、四氫喹啉類染料、葉啉類染料和酞菁類染料中的至少一種。本申請中，吸收層的維度為納米顆粒、薄膜、塊體、薄膜與薄膜疊層、薄膜與塊體疊層中的一種。本申請還公開了一種具有本申請的背電極或本申請的背電極吸收層復合結構的太陽能電池。本申請的有益效果在于本申請的背電極在其正面表面具有凸起的納米陣列，使用時該陣列插入到吸收層內(nèi)，該納米陣列與電池吸收層的晶粒尺寸相適應，從而大大縮短光生載流子在吸收層中的擴散距離，并盡可能的避免吸收層中晶界處缺陷對載流子的復合。同時，由于電極插入吸收層中，形成尖端電極，產(chǎn)生納米“避雷針”效應，極大提高光生載流子的收集效率。此外，導電的納米陣列插入吸收層半導體中，形成導電材料和半導體的界面，產(chǎn)生表面等離子激元(SPP)，進一步增強陷光效應，在不減弱電學性能的情況下增強陷光效果。該界面還會對入射光進行多次反射，使光在吸收層中的行進路線增長，吸收更加完全；納米陣列插入吸收層半導體中，會在界面處形成重摻雜區(qū)，產(chǎn)生量子中間層效應，隧道結和局域背電場效應等，都會對光子的吸收和載流子的輸運有積極影響，最終促使太陽能電池光電轉換效率的較大提高。


圖1是本申請實施例中背電極吸收層復合結構示意圖，I為吸收層、2為背電極的凸起的納米陣列、3為背電極的導電薄膜；圖2是本申請實施例中背電極納米纖維的陣列示意圖；圖3是本申請實施例中背電極納米箔的陣列示意圖；圖4是本申請實施例中背電極納米箔的陣列的另一種排列示意圖。
具體實施例方式本申請的發(fā)明人仔細思考發(fā)現(xiàn)，單就純金屬電極而言，確實比較簡單，可改進的途徑有限。然而，反過來思考載流子的輸運收集情況，發(fā)現(xiàn)載流子的損失主要原因是其在輸運過程中的復合和湮滅。載流子的復合比較復雜，一般分為輻射復合、俄歇復合、陷阱復合、表面復合和界面復合等。其中輻射復合和俄歇復合是吸收層材料能帶結構引起的，在本征半導體和缺陷半導體中都存在，是不可避免的；而表面復合和界面復合分別發(fā)生在多晶吸收層薄膜或異質(zhì)結的晶界上的陷阱復合，其只存在于缺陷半導體中，是可以避免的，也是人們希望盡量降低的。載流子的湮滅主要與其壽命和擴散距離有關，如果載流子的壽命較短，不足以支持到其擴散至背電極，則載流子就會湮滅。對于太陽能電池而言，常規(guī)的單晶硅太陽能電池厚度可達30(T450iim，即使是多晶化合物薄膜太陽能電池(如CIGS等)的厚度也要4飛u m，而電子的擴散長度卻比較短。以CIGS吸收層為例，其電子擴散距離只有l(wèi)lym，小于吸收層的厚度，因為載流子擴散并被背電極吸收的概率較小。同時，吸收層中存在大量的缺陷，尤其是在多晶半導體吸收層中，大量的晶界處形成了大量的復合中心，大量的光生載流子在擴散到晶界處時發(fā)生復合而損失。本申請的發(fā)明人基于上述分析，仔細研究太陽能電池的結構發(fā)現(xiàn)，要保證吸收層對太陽能的充分吸收，吸收層的厚度是不能隨意減小的，也就是說，載流子在厚度方向上的復合是幾乎無法改變的；但是一般薄膜的晶粒大小與載流子的擴散長度差不多，甚至要低于載流子的擴散長度，這也就是說載流子在一個晶粒內(nèi)部的擴散是通暢的，如果沒有晶界的阻擋，載流子的輸運基本不受影響。基于上述分析和研究，本申請的發(fā)明人提出構思，是否能讓背電極在載流子沒有到達晶界時就將其收集呢？
基于以上理論分析、實踐研究和發(fā)明構思，本申請的發(fā)明人設計了一種新結構的背電極，如圖1所示，即在背電極導電薄膜3的正面表面上設計凸起的納米陣列2，以便于背電極插入到吸收層I中。這樣的結構中，凸起的納米陣列充當吸收層中各晶粒之間的部分界面或直接插入晶粒中，使得每一個載流子形成后都將不經(jīng)過晶界而直接被背電極吸收，大大減少了載流子在吸收層中的擴散距離，有效避免了晶界對載流子復合的影響，同時，背電極與吸收層點接觸，形成納米“避雷針”效應，大大提高了光生載流子的收集效率。此外，金屬背電極插入半導體吸收層中，還會產(chǎn)生表面等離子體激元效應、光線的反復反射與吸收、中間層量子點效應、隧道結與局域背電場效應等，進一步增強陷光效果，提高光的吸收。需要說明的是，本申請中，凸起的納米陣列包括納米纖維的陣列，及納米箔的陣列的至少一種；凸起的納米陣列的作用主要是為了能夠插入到吸收層中，因此，該納米陣列可以按照具體需求任意排布，納米纖維或納米箔的具體結構也可以根據(jù)具體工藝需要進行調(diào)整。本申請中，優(yōu)選的，納米纖維的具體結構為納米纖維截面形狀選自圓形、三角形、矩形、正方形、菱形、平行四邊形及任意多邊形中的一種或多種。優(yōu)選的，納米箔截面形狀選自直線型、曲線形、鋸齒形、方波型、鋸齒波型、三角波型及正弦波型中的一種或幾種。凸起的納米陣列包括如圖2所示的納米纖維的點狀排列，如圖3所示的納米箔的線狀排列，以及如圖4所示的以一定角度交叉的網(wǎng)狀排列，這幾種排列方式中的一種或幾種。
還需要說明的是納米陣列是能夠?qū)щ姷?，因此，理論上可以導電的并且可加工成型的材料均可使用，在本申請中不做具體限定。納米陣列的材料通常與背電極導電薄膜相同，但也可以不同，只要能夠?qū)⒏麝嚵新?lián)通導電即可，在本申請中不做具體限定。下面通過具體實施例并結合附圖對本申請作進一步詳細說明。以下實施例僅對本申請進行進一步說明，不應理解為對本申請的限制。實施例一背電極的制備本申請中背電極的凸起的納米陣列主要以化學合成法、納米壓印法、直接加工法和離子注入與沉積法四種方法制備，具體如下。(I)化學合成法
以銅、銀或鎳為納米纖維材料。模板為多孔氧化鋁薄膜，由上海昊航化工有限公司提供(CAS number Ultrathin Free-standing Porous Anodic Alumina),以該模板為工作電極，銅、銀或鎳金屬片為對電極，恒電位沉積法制備銅、銀或鎳的金屬納米線。沉積電位-0. 4V至4V，沉積時間為10分鐘至6分鐘。通過所選取的多孔模板的孔洞間距來控制納米線的間距。通過選取的多孔模板的空洞大小來控制納米線的直徑，通過沉積時間的長短來控制納米線的長度。沉積完畢后，使用濺射法或蒸發(fā)法在沉積完畢的樣品一面制備同種材料的薄膜，使各納米線連通，薄膜厚度為IOnnTlOil m。需要說明的是，此處形成薄膜也可以采用不同于納米陣列的材料，只要能夠?qū)⒓{米陣列聯(lián)通導電即可。其中濺射法采用直流磁控濺射，沉積參數(shù)為電流0. 2^1. 0A，沉積氣壓為0. riOPa，采用氬氣作為工作氣體。蒸發(fā)法蒸發(fā)溫度高于蒸發(fā)金屬熔點5 20° C，沉積氣壓為IX 10_5Pa 10Pa。最后用6mol/L的氫氧化鈉溶液去除氧化鋁模板，得到本申請的具有凸起的納米陣列結構的背電極。需要說明的是，該方法中的材料為銅、銀或鎳，但并不排除其它同樣可以導電的金屬或非金屬材料。(2)納米壓印法以銅、銀或鎳為納米纖維材料。首先采用納米壓印法制備出與所需納米陣列相同的硅模板或石英模板，然后采用濺射法或蒸發(fā)法在具有納米陣列凹孔或凹槽的模板上沉積銅、或銀、或鎳等金屬薄膜，薄膜厚度為IOnnTl ym，獲得所需背電極。其中濺射法采用直流磁控濺射，沉積參數(shù)為電流0. 2^1. 0A，沉積氣壓為0. riOPa，采用氬氣作為工作氣體；蒸發(fā)法蒸發(fā)溫度高于蒸發(fā)金屬熔點5 20° C，沉積氣壓為lX10_5Pa 10Pa。需要說明的是，該方法中的材料為銅、銀或鎳，但并不排除其它同樣可以導電的金屬或非金屬材料。(3)直接加工法以銅、銀或鎳為納米纖維材料。即直接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在銅、銀、或鎳薄膜片材上刻蝕出納米纖維的陣列，或者納米箔的陣列，即制備得到本申請中的具有凸起的納米陣列結構的背電極。需要說明的是，該方法中的材料為銅、銀或鎳，但并不排除其它同樣可以導電的金屬或非金屬材料。(4)離子注入與沉積法以銅、銀或鎳為納米纖維材料。本方法為在吸收層制備完畢后，在吸收層背面采用離子注入與沉積的方式將導電金屬離子注入吸收層中，注入過程中使用具有一定孔洞陣列的掩膜版形成納米點注入，通過連續(xù)降低注入能量，形成連續(xù)的金屬線狀結構，從而獲得本申請中的具有凸起的納米陣列結構的背電極。其中離子注入與沉積時真空度為I X IO-5Pa 0.1Pa，注入能量為I 500kV，注入材料為銅、銀、鎳等。需要說明的是，該方法中的材料為銅、銀或鎳，但并不排除其它同樣可以導電的金屬或非金屬材料。還需要說明的是，前述一定孔洞陣列的掩膜版，是用于制備納米纖維的；如果要制備納米箔，將該一定孔洞陣列的掩膜版改為一定溝槽陣列的掩膜版即可。實施例二具有插入式背電極/吸收層復合結構的薄膜娃太陽電池背電極納米陣列的制備采用實施例一中的直接加工法制備金屬Al背電極，即直·接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在Al薄膜片材上刻蝕出納米陣列。本例中分別制備了多種納米陣列，包括如圖2所示的納米纖維陣列，如圖3所示的線狀排列的納米箔陣列，以及如圖4所示的網(wǎng)狀排列的納米箔陣列。其中納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000nm，納米箔的厚度為f lOOOnm，其高度為lOnnTlmm，即電極插入深度。納米纖維或納米箔之間的間距為50nnTIOmm。吸收層的制備采用PECVD制備n層Si薄膜，射頻功率60W，襯底溫度250° C，工作氣壓130Pa ;反應氣體SiH4流量為1. 5sccm，和0. 1%到5%的摻雜氣體PH3 ;載氣為Ar和H2, Ar流量I到IOOsccm, H2流量I到lOOsccm。p層窗口區(qū)厚度為20nm到500nm。本征層的制備采用PECVD制備i層Si薄膜，射頻功率60W，襯底溫度250° C，工作氣壓130Pa ;反應氣體SiH流量為1. 5sccm ;載氣為Ar和H2, Ar流量I到lOOsccm, H2流量I到lOOsccm。p層窗口區(qū)厚度為20nm到5 y m。窗口層的制備采用PECVD制備p層Si薄膜，射頻功率60W，襯底溫度250° C，工作氣壓130Pa ;反應氣體為1. 5sccm流量的SiH4，和0. 1%到5%的摻雜氣體B2H6 ;載氣為Ar和H2, Ar流量I到lOOsccm, H2流量I到lOOsccm。p層窗口區(qū)厚度為20nm到500nm。透明電極的制備采用濺射法制備AZO層，玻璃襯底溫度為室溫，載氣為氬氣或者IS氫混合氣，其中氫氣小于10%,反應氣壓為0.1Pa,氣體流量5sccm,功率為100W,祀距為5cm，其中N2作為載氣。沉積厚度約為500nm。本例制備的太陽能電池極大的提高了光生載流子的收集效率，提高了太陽能電池的光電轉換效率。實施例三具有插入式背電極/吸收層復合結構的GIGS薄膜太陽電池背電極的制備采用實施例一中的直接加工法制備合金Mo背電極，即直接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在合金Mo薄膜片材上刻蝕出納米陣列。本例中分別制備了多種納米陣列，包括如圖2所示的納米纖維陣列，如圖3所示的線狀排列的納米箔陣列，以及如圖4所示的網(wǎng)狀排列的納米箔陣列。其中納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000nm，納米箔的厚度為f lOOOnm，其高度為lOnnTlmm，即電極插入深度。納米纖維或納米箔之間的間距為5 0 nnT I Omm。吸光層制備采用濺射法在襯底上制備CIGS層，襯底溫度為200° C，載氣為氬氣或者氬氫混合氣，其中氫氣小于10%，反應氣壓為0.1Pa，氣體流量5sccm，功率為100W，靶距為5cm。沉積厚度約為1. 5 ii m。得到CIGS吸光層。硒化惰性氣體氣氛下，以硒金屬為硒源，500° C下退火30min。
窗口層制備采用化學水浴法制備CdS層，反應物為醋酸銨、醋酸鎘、氨水以及硫脲。首先將密封容器中加入去離子水，加熱至60° C，加入醋酸鎘、醋酸銨、氨水，沉積厚度約為70nm。透明緩沖層的制備采用濺射法制備ZnO層，玻璃襯底溫度為室溫，載氣為氬氣或者IS氫混合氣，其中氫氣小于10%,反應氣壓為0.1Pa,氣體流量5sccm,功率為50W,祀距為7cm。沉積厚度約為50nm。透明電極的制備采用濺射法制備AZO層，玻璃襯底溫度為室溫，載氣為氬氣或者氬氫混合氣，其中氫氣小于10%，反應氣壓為0.1Pa，氣體流量5sccm，功率為100W，靶距為5cm。沉積厚度約為500nm。本例制備的太陽能電池極大的提高了光生載流子的收集效率，提高了太陽能電池的光電轉換效率；并且，利用背電極插入結構的突起納米陣列提高了陷光效應。實施例四具有插入式背電極/吸收層復合結構的CdTe薄膜太陽電池 背電極的制備采用實施例一中的直接加工法制備合金Cu背電極，即直接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在合金Cu薄膜片材上刻蝕出納米陣列。本例中分別制備了多種納米陣列，包括如圖2所示的納米纖維陣列，如圖3所示的線狀排列的納米箔陣列，以及如圖4所示的網(wǎng)狀排列的納米箔陣列。其中納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000nm，納米箔的厚度為f lOOOnm，其高度，即背電極插入吸收層的深度，為lOnnTlmm。納米纖維或納米箔之間的間距為50nnTl0mm。背電場層制備采用濺射法制備Cu/ZnTe: Cu/ZnTe復合層，上述襯底溫度為300° C，反應氣壓為0.1Pa，功率為100W，氬氣或者氬氧混合氣作為載氣，氣體流量5sccm，靶材為ZnTe靶，ZnTeiCu靶和Cu靶，沉積厚度分別為20nm、70nm、300nm。吸光層制備采用濺射法制備，上述襯底溫度為300° C，反應氣壓為0.1Pa,功率為100W，氬氣或者氬氧混合氣作為載氣，氣體流量5SCCm，靶材為CdTe靶，沉積厚度約為5 7 u m0窗口層制備米用派射法制備CdS層，導電玻璃襯底溫度為室溫，反應氣壓為0.1Pa，功率為100W，靶材為CdS靶，其中隊作為載氣，氣體流量5SCCm。沉積厚度約為70nm。透明緩沖層的制備采用濺射法制備SnO2層，玻璃襯底溫度為室溫，載氣為氬氣或者IS氫混合氣，其中氫氣小于10%,反應氣壓為0.1Pa,氣體流量5sccm,功率為50W,祀距為7cm。沉積厚度約為200nm。透明導電層制備采用LPCVD沉積FTO導電玻璃，襯底溫度為400° C，反應氣壓為 3kPa,反應前驅(qū)體為 Tetramethyltin (TMT), Bromotrif luoromethane (CBrF3)氣體提供 F源，同時通入O2和N2，其中N2作為載氣。沉積厚度約為500nm。本例制備的太陽能電池極大的提高了光生載流子的收集效率，提高了太陽能電池的光電轉換效率；并且，利用背電極插入結構的突起納米陣列提高了陷光效應。實施例五具有插入式背電極/吸收層復合結構的三五族薄膜太陽電池背電極的制備采用實施例一中的直接加工法制備合金Au/Ge/Ni的背電極，即直接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在Au/Ge/Ni三者的合金薄膜片材上刻蝕出納米陣列。
本例中分別制備了多種納米陣列，包括如圖2所示的納米纖維陣列，如圖3所示的線狀排列的納米箔陣列，以及如圖4所示的網(wǎng)狀排列的納米箔陣列。其中納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000nm，納米箔的厚度為f lOOOnm，其高度，即背電極插入吸收層的深度，為lOnnTlmm。納米纖維或納米箔之間的間距為50nnTl0mm。吸光層的制備在n型Ge單晶襯底上，利用MOCVD生長n型GaAs，其中Ga源三甲基鎵源(TMG)，溫度為-16° C，IOml ;摻雜源H2Se, 20ml ;As源AsH3, 50ml ;氫氣為載氣，生長溫度600。C，厚度為0.1iim到IOii m。窗口層有源層制備利用MOCVD生長p型GaAs。其中Ga源TMG，溫度為-16° C，IOml ;摻雜源DEZ，-16° C，2ml ;As源AsH3,40ml ;氫氣為載氣，生長溫度600° C，沉積厚度約為 Q.1um 至Ij 10 u m。窗口區(qū)帽子層利用MOCVD生長p型AlGaAs。其中Ga源TMG，溫度為-16° C， IOml ;A1 源三甲基鋁(TMA)，17° C，20ml ;摻雜源 DEZ，25° C，2ml ;As 源 AsH3, 50ml ;氫氣為載氣，生長溫度600° C，沉積厚度約為5nm到10 u m。透明電極的制備采用TiAu材料作為透明電極，利用光刻技術，經(jīng)過顯影，在電池正面做上光刻膠圖形。采用蒸鍍法，在2 X KT2Pa氣壓下，先后蒸鍍40nm的Ti和50nm的Au在電池表面形成柵極電極，去除光刻膠后獲得透明電極。本例制備的太陽能電池極大的提高了光生載流子的收集效率，提高了太陽能電池的光電轉換效率；并且，利用背電極插入結構的突起納米陣列提高了陷光效應。實施例六具有插入式背電極/吸收層復合結構的染料敏化太陽電池透明電極的制備采用濺射法制備AZO層，玻璃襯底溫度為室溫，載氣為氬氣或者氬氫混合氣，其中氫氣小于10%，反應氣壓為0.1Pa，氣體流量5sccm，功率為100W，靶距為5cm，其中N2作為載氣。沉積厚度約為500nm。對電極，即背電極，納米陣列的制備采用實施例一中的直接加工法制備金屬Pt背電極，即直接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在Pt薄膜片材上刻蝕出納米陣列。本例中分別制備了多種納米陣列，包括如圖2所示的納米纖維陣列，如圖3所示的線狀排列的納米箔陣列，以及如圖4所示的網(wǎng)狀排列的納米箔陣列。其中納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000nm，納米箔的厚度為f lOOOnm，其高度，即背電極插入吸收層的深度，為lOnnTlmm。納米纖維或納米箔之間的間距為50nnTl0mm。染料的制備將30mM的碘、0. 3M的碘化鉀、亞胺銩鹽和吡啶誘導體加入乙腈溶劑
得到電解質(zhì)溶液。在光電極上滴幾滴染料，用對電極封住。完成染料敏化電池。本例制備的染料敏化電池，利用背電極的納米陣列結構，提高了光生載流子的收集效率以及陷光效應，提高了太陽能電池的光電轉換效率。實施例七具有插入式背電極/吸收層復合結構的有機聚合物太陽電池背電極的制備采用實施例一中的直接加工法分別制備鋁、鎂、鈣背電極，即直接采用激光加工法、或電子束刻蝕法、或聚焦離子束刻蝕法等直接在鋁、鎂、鈣薄膜片材上刻蝕出納米陣列。本例中分別制備了多種納米陣列，包括如圖2所示的納米纖維陣列，如圖3所示的線狀排列的納米箔陣列，以及如圖4所示的網(wǎng)狀排列的納米箔陣列。其中納米纖維的直徑或最大跨度為5 1000nm，納米箔的厚度為f lOOOnm，其高度，即背電極插入吸收層的深度，為lOnnTlmm。納米纖維或納米箔之間的間距為50nnTl0mm。有機高分子太陽能電池薄膜的制備將高分子有機光電涂料滴在帶有透明導電電極的導電玻璃上，利用旋涂劑，經(jīng)過40飛0秒10001000轉每分鐘旋涂成有機太陽能電池薄膜。高分子有機光電涂料的制備將聚噻吩和富勒烯(巴溪儀器有限公司的P-100)按I 1的質(zhì)量配比溶入三氯甲烷有機溶劑液中，形成有機光電涂料。窗口區(qū)的制備利用旋涂機，將聚合物聚3,4-乙撐二氧噻吩(PED0T:PSS，739332Sigma-Aldrich)水溶劑旋涂在透明電極上，形成窗口區(qū)。旋涂速度為1000 2000轉每分鐘。
透明電極的制備采用濺射法制備AZO層，玻璃襯底溫度為室溫，載氣為氬氣或者氬氫混合氣，其中氫氣小于10%，反應氣壓為0.1Pa，氣體流量5sccm，功率為100W，靶距為5cm，其中N2作為載氣。沉積厚度約為500nm。本例制備的太陽能電池極大的提高了光生載流子的收集效率，提高了太陽能電池的光電轉換效率；并且，利用背電極插入結構的突起納米陣列提高了陷光效應。以上內(nèi)容是結合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本申請的保護范圍。
權利要求
1.一種背電極，所述背電極為連續(xù)的導電薄膜，其特征在于所述導電薄膜的正面表面上具有凸起的納米陣列。
2.根據(jù)權利要求1所述的背電極，其特征在于所述凸起的納米陣列為納米箔的陣列或納米纖維的陣列。
3.根據(jù)權利要求2所述的背電極，其特征在于所述納米纖維的直徑或最大跨度為 5 IOOOnm,所述納米箔的厚度為I IOOOnm,凸起的高度為lOnnTlmm。
4.根據(jù)權利要求廣3任一項所述的背電極，其特征在于所述納米陣列的間距為 50nnTl0mmo
5.根據(jù)權利要求Γ3任一項所述的背電極，其特征在于所述背電極的材料為導電的金屬材料、導電的無機非金屬材料或?qū)щ姷挠袡C高分子材料中的至少一種；所述導電的金屬材料選自銅、鎳、鋅、錫、鎂、鋁、錳、鉻、鎘、碲、銦、銻、鈦、金、鉬、鑰和銀中的一種或者幾種；所述導電的無機非金屬材料選自石墨烯、納米碳管、不定性碳、氧化鋅鋁、氧化銦錫、摻氟的氧化錫及它們的合金或組成的復合材料中的一種或者幾種；所述導電的有機高分子材料選自聚苯胺，聚噻吩，聚吡咯，聚苯乙炔，聚乙炔，聚苯撐， 聚苯硫醚，富勒烯及它們的衍生物中的一種或者幾種。
6.—種背電極吸收層復合結構，所述復合結構包括固定連接的背電極和吸收層，所述吸收層的背面與所述背電極的正面固定接觸連接，其特征在于所述背電極為權利要求 f 5任一項所述的背電極，背電極正面的凸起的納米陣列插入到所述吸收層內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求6所述的復合結構，其特征在于所述吸收層的材料選自二六族化合物、三五族化合物、硅材料、有機光電材料和染料敏化材料中的至少一種。
8.根據(jù)權利要求7所述的復合結構,其特征在于所述二六族化合物選自CdTe材料、 CuInSe材料、CuInGaSe材料和CuZnSeS材料中的至少一種；所述三五族化合物選自GaAs材料、InP材料和InGaP材料中的至少一種；所述硅材料選自單晶硅、多晶硅、硅薄膜和納米硅晶顆粒中的至少一種；所述有機光電材料選自酞青鋅、甲基葉林、蒽、聯(lián)苯、半菁類及其衍生物和聚噻吩中的至少一種；所述染料敏化材料包括TiO2和染色劑，所述染色劑包括無機材料或有機材料，所述無機材料包括釕染料，所述有機材料選自吲哚啉類染料、香豆素類染料、三苯胺類染料、菁類染料、方酸類染料、二烷基苯胺類染料、咔唑類染料、芴類染料、二萘嵌苯類染料、四氫喹啉類染料、葉啉類染料和酞菁類染料中的至少一種。
9.根據(jù)權利要求61任一項所述的復合結構，其特征在于所述吸收層的維度為納米顆粒、薄膜、塊體、薄膜與薄膜疊層、薄膜與塊體疊層中的一種。
10.一種具有權利要求1、任一項所述的背電極或權利要求6、任一項所述的背電極吸收層復合結構的太陽能電池。
全文摘要
本申請涉及光電轉換材料領域，具體公開了一種背電極以及含有該背電極的背電極吸收層復合結構以及太陽能電池。該背電極為連續(xù)的導電薄膜，并且在其導電薄膜的正面表面上具有凸起的納米陣列。在背電極吸收層復合結構或太陽能電池中，背電極的凸起的納米陣列是插入到吸收層內(nèi)的。本申請設計的插入到吸收層的背電極納米陣列與電池吸收層的晶粒尺寸相適應，縮短了光生載流子在吸收層中的擴散距離，并且盡可能的避免了吸收層中晶界處缺陷對載流子的復合，極大的提高了光生載流子的收集效率。并且，該納米陣列結構還能形成尖端電極，產(chǎn)生納米“避雷針”效應，增強陷光效應，產(chǎn)生量子中間層效應等，使得制備的太陽能電池光電轉換效率大幅提高。
文檔編號H01L31/0224GK103000709SQ201210486809
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權日2012年11月26日
發(fā)明者吳忠振, 潘鋒, 梁軍, 周航 申請人:北京大學深圳研究生院