[发明专利]纳米偶极子太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无平面结电场的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

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n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，n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-n结的表面积有关。具有单p-n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p-n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p-n结电池相同或更大的输出功率。

图1A和图1B给出了常规p-n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，n型半导体层18，和常规的平面p-n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n型层18(由硫化镉(CdS)构成)沉积到TCO层14上。p型层16(由碲化镉(CdTe)构成)沉积在n型层18上，p-n结20通过n型层18和p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p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n型层18从不同的靶材分别制备而得到。所构建的p-n结20用来形成电子在从p型层16向n型层18和空穴从n型层18向p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p-n结，然而受限于所选材料，不可能利用所有达到p-n结的光。多p-n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p-n结表面积大的太阳能电池。

与具有p-n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p-n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。

利用该发明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。