專利名稱：一種疊層薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及疊層太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種由染料敏化太陽能電池與碲化鎘薄膜太陽能電池組成的疊層薄膜太陽能電池。
背景技術(shù)：
眾所周知，太陽光譜的能量分布較寬，而任何一種半導(dǎo)體只能吸收其中能量比自己帶隙值高的光子。其余的光子不是穿過電池被背面金屬吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，就是將能量傳遞給電池材料本身的原子，使材料發(fā)熱，這些能量都不能通過產(chǎn)生光生載流子變成電能。不僅如此，這些光子產(chǎn)生的熱效應(yīng)還會升高電池工作溫度而使電池性能下降。為了最大程度地利用更寬廣波長范圍內(nèi)的太陽光能量。人們把太陽光譜分成幾個區(qū)域，用能隙分別與這些區(qū)域有最好匹配的材料做成電池，使整個電池的光譜響應(yīng)接近太陽光光譜，具有這樣結(jié)構(gòu)的太陽能電池稱為疊層電池。這種電池從迎光面開始，材料的帶隙依次下降，即最外面的材料帶隙寬，有利于吸收短波長的光，而透過的長波長的光則被里層帶隙較窄的材料吸收，這樣可以最大限度地吸收太陽光的能量。專利號ZL 200810207873. 4，授權(quán)公告號CN 101510470B的中國發(fā)明專利，名稱為
一種非晶硅太陽能電池與染料敏化電池疊層結(jié)構(gòu)，包括位于頂部吸收偏向短波的高能太陽光的非晶硅太陽能電池和位于底部的吸收偏向長波的低能太陽光的染料敏化電池，非晶硅太陽能電池與染料敏化電池通過串聯(lián)或并聯(lián)方式進(jìn)行連接。解決了常規(guī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率低，吸收太陽能光譜不夠?qū)挼膯栴}。但該技術(shù)方案中，非晶硅太陽能電池在光照后，非晶硅膜中缺陷態(tài)密度增加，導(dǎo)致電池內(nèi)的光生電子和空穴復(fù)合幾率增加，電池的轉(zhuǎn)換效率下降。同時，兩電池的正負(fù)極之間的連接通過緩沖層(可以為氧化鋅摻鋁或者碳納米管等)，導(dǎo)致電路損耗較大，且加工不方便。因此，疊層電池的結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。如今，新型薄膜太陽能電池以其簡單的制備工藝及低廉的生產(chǎn)成本越來越受到業(yè)內(nèi)人士的青睞。其中，染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell，簡稱DSC或DSSC)是由光陽極、對電極及兩極間注入的電解質(zhì)組成，光陽極為表面負(fù)有納米晶TiO2薄膜的導(dǎo)電襯底，吸收偏向長波的低能太陽光。目前，染料敏化太陽能電池在實驗室的最新光電轉(zhuǎn)換效率測試數(shù)據(jù)已經(jīng)超過13%。碲化鎘薄膜太陽能電池(CdTe)較其他的薄膜電池容易制造，是應(yīng)用前景最好的新型薄膜太陽能電池。其帶隙1. 5eV，與太陽光譜非常匹配，最適合于光電能量轉(zhuǎn)換，是一種良好的PV材料，具有的理論光電轉(zhuǎn)換效率，且性能穩(wěn)定。但將碲化鎘薄膜太陽能電池應(yīng)用于疊層太陽能電池卻未見文獻(xiàn)記載。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的疊層太陽能電池中非晶硅膜導(dǎo)致電池光電轉(zhuǎn)換效率下降，以及兩電池的正負(fù)極之間的連接通過緩沖層導(dǎo)致電路損耗較大，且加工不方便的問題，本發(fā)明的目的是提供一種由染料敏化太陽能電池與碲化鎘薄膜太陽能電池組成的疊層薄膜太陽能電池。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
—種疊層薄膜太陽能電池，所述疊層薄膜太陽能電池是以高透明性染料敏化太陽能電池作前電池，以碲化鎘薄膜太陽能電池作底電池；所述染料敏化太陽能電池由光陽極、對電極及密封于兩者之間的電解質(zhì)構(gòu)成；所述碲化鎘薄膜太陽能電池依次由第三導(dǎo)電玻璃、透明氧化層、窗口層η型硫化鎘、吸收層P型碲化鎘以及鎳基背電極構(gòu)成；所述染料敏化太陽能電池和所述碲化鎘薄膜太陽能電池的正負(fù)極通過沙林膜或紫外固化膠串聯(lián)連接形成疊層薄膜太陽能電池。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述染料敏化太陽能電池的光陽極采用絲網(wǎng)印刷，網(wǎng)版網(wǎng)孔400目，絲印薄膜采用粒度為20nmTia粉體，薄膜厚度為10 12 μ m。傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池(英文縮寫為DSSC)光陽極一般由20nmTiA透明層(厚度在10 14 μ m)與400nmTi02 (厚度4 5 μ m)光反射層結(jié)合，而本發(fā)明的DSSC光陽極僅使用20nm顆粒TiO2，控制膜厚，使得制備的DSSC具有高透明率，不僅使更多剩余的光能被底層碲化鎘薄膜太陽能電池吸收，而且可以降低光生電子的傳輸損耗，有助于提高DSSC的開路電壓。同時，本專利中采用沙林膜或紫外固化膠串聯(lián)連接染料敏化太陽能電池和碲化鎘薄膜太陽能電池的正負(fù)極，從而使得整個疊層太陽能電池的制備更為簡單，電路損耗較小。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述碲化鎘薄膜太陽能電池的窗口層η型硫化鎘的厚度為70 lOOnm，所述吸收層ρ型碲化鎘的厚度為2 10 μ m。所述染料敏化太陽能電池的光陽極由第一導(dǎo)電玻璃上涂覆厚度為5 ΙΟμπι的TiO2納米透明層制得，所述對電極由第二導(dǎo)電玻璃上涂覆鉬層制得；所述電解質(zhì)為I-1Af1電解質(zhì)。制備本發(fā)明疊層薄膜太陽能電池的制備步驟如下(i)制備染料敏化太陽能電池；(ii)制備碲化鎘薄膜太陽能電池；(iii)粘結(jié)所述染料敏化太陽能電池和所述碲化鎘太陽能電池的正負(fù)極使兩個電池串聯(lián)連接形成疊層薄膜太陽能電池。所述染料敏化太陽能電池的制備步驟如下(1)制備光陽極(a)清洗清洗第一導(dǎo)電玻璃；(b) TiCl4溶液預(yù)處理將所述第一導(dǎo)電玻璃在TiCl4溶液中浸漬清洗，并烘干備用；(c)絲印TiO2納米透明層采用絲網(wǎng)印刷法將TiO2料漿涂覆于所述第一導(dǎo)電玻璃表面制備TW2納米透明層；(d)熱處理將涂覆有所述TW2納米透明層的所述第一導(dǎo)電玻璃經(jīng)熱處理后制得所述光陽極；(2)制備對電極(a)打孔在第二導(dǎo)電玻璃表面打孔，用作電解質(zhì)注入孔；(b)清洗清洗所述第二導(dǎo)電玻璃；(c)絲印鉬層在所述第二導(dǎo)電玻璃表層絲印鉬層；
(d)燒結(jié)將絲印有所述鉬層的所述第二導(dǎo)電玻璃經(jīng)燒結(jié)后爐冷至室溫取出，制得所述對電極；(3)染料敏化太陽能電池的組裝(a)電極對接封裝將所述對電極與所述光陽極對接并封裝；(b)注入電解質(zhì)在真空環(huán)境中，由所述注入孔注入電解質(zhì)；(c)密封電解質(zhì)以所述碲化鎘薄膜太陽能電池作所述注入孔封裝基底制得所述染料敏化太陽能電池。所述制備光陽極的步驟(b)中，溫度條件為70°C，TiCl4溶液的濃度為40mmol/L，浸漬時間為30分鐘，所述制備光陽極的步驟(d)中，熱處理溫度為550°C，處理時間30 60分鐘，所述制備對電極的步驟(d)中，燒結(jié)的溫度條件為400°C，保溫時間為5 lOmin。所述碲化鎘薄膜太陽能電池的制備步驟如下(a)制備襯底清洗第三導(dǎo)電玻璃并刻蝕透明氧化層后制得襯底；(b)制備窗口層η型硫化鎘利用化學(xué)氣相沉積法在襯底上得到窗口層η型硫化鎘，并退火處理；制備過程中控制氣壓為IO3Pa,環(huán)境氣氛為50%氬氣和50%氧氣、襯底溫度500°C，退火的環(huán)境氣氛為80%氬氣和20%氫氣，溫度400°C，退火時間20min。(c)制備吸收層ρ型碲化鎘真空蒸發(fā)法制備吸收層ρ型碲化鎘；制備過程中源材料CdCl2升華溫度為500°C 650°C，襯底溫度為400°C 600°C，氬氣為保護(hù)氣氛，源材料CdCl2與襯底之間的距離在1 5mm之間。(d)制備復(fù)合背接觸層利用共蒸發(fā)法制備復(fù)合背接觸層，先沉積一層未摻雜再共蒸發(fā)沉積aiTe:Cu ；制備過程中Cu摻雜比例為3% 10%，在^(TC下的氮氣環(huán)
境中退火，所述步驟(e)中，環(huán)境壓強10_3Pa 9X 10_3Pa，偏壓lOkv，沉積時間2 3min。(e)制備鎳基背電極利用電子束蒸發(fā)法制備鎳基背電極。本專利的效果在于本發(fā)明并非簡單的將這兩種薄膜太陽能電池機(jī)械結(jié)合，而是優(yōu)化各個電池組成部分的參數(shù)，其目的在于使入射光最大限度被電池吸收，使其達(dá)到最佳的光電轉(zhuǎn)化效果。CdTe薄膜太陽能電池也相應(yīng)的對其結(jié)構(gòu)以及各個組成部分材料工藝進(jìn)行優(yōu)化，即適當(dāng)?shù)臏p薄窗口層η型硫化鎘的厚度，以減少入射光的損失，從而增加CdTe薄膜太陽能電池的短波效應(yīng)以提高短路電流；增加了接觸層SiTe或aiTe:Cu，降低了吸收層ρ型碲化鎘與鎳基背電極的歐姆接觸。該疊層太陽能電池有效地抑制了光能損失，進(jìn)一步提高單位面積光能利用率，使得其光電轉(zhuǎn)化效果超過單電池轉(zhuǎn)化效果。另外，由于兩個子電池是串聯(lián)在一起的，總的開路電壓比單個電池高很多，因而能夠大幅度提高轉(zhuǎn)換效率。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1為本發(fā)明疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標(biāo)號說明
101-第一導(dǎo)電玻璃 102-Ti02納米透明層 103-電解質(zhì)
104-鉬層
201-第三導(dǎo)電玻璃204-復(fù)合背接觸層
105-第二導(dǎo)電玻璃202-窗口層η型硫化鎘205-鎳基背電極
203-吸收層ρ型碲化鎘
301-封裝粘結(jié)劑 302-導(dǎo)電膠帶303-封裝外殼304-疊層電池正極 305-疊層電池負(fù)極
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，下文中所描述的上、下與附圖的上、下相一致，這不能成為本發(fā)明技術(shù)方案的限制。結(jié)合附圖1詳細(xì)介紹本發(fā)明疊層薄膜太陽能電池，它包括上下設(shè)置的一染料敏化太陽能電池和一碲化鎘薄膜太陽能電池，染料敏化太陽能電池依次由光陽極、對電極及密封于兩者之間的電解質(zhì)103組成。碲化鎘薄膜太陽能電池由上至下依次由第三導(dǎo)電玻璃201、透明氧化層(TCO，Transparent Conductive Oxide)、窗口層 η 型硫化鎘 202、吸收層 ρ型碲化鎘203以及鎳基背電極205組成。染料敏化太陽能電池與碲化鎘太陽能電池通過串聯(lián)方式進(jìn)行連接。太陽光依次經(jīng)染料敏化太陽能電池的光陽極、電解質(zhì)和對電極后，由碲化鎘太陽能電池的第三導(dǎo)電玻璃201上方照射進(jìn)入，先透過TCO層，再進(jìn)入CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)。碲化鎘薄膜太陽能電池的窗口層η型硫化鎘202的厚度為70 lOOnm，吸收層ρ型碲化鎘203的厚度為2 10 μ m。進(jìn)一步優(yōu)選地，窗口層η型硫化鎘202的厚度為50 lOOnm、吸收層ρ型碲化鎘203的厚度為1 8 μ m。染料敏化太陽能電池的光陽極由第一導(dǎo)電玻璃101上涂覆厚度為5 10 μ m的TW2納米透明層102制得，對電極由第二導(dǎo)電玻璃105上涂覆鉬層104制得；電解質(zhì)103為Γ1/〗氧化還原對電解質(zhì)。本發(fā)明的疊層太陽能電池的制備方法步驟如下(i)制備染料敏化太陽能電池；(ii)制備碲化鎘薄膜太陽能電池；(iii)疊層電池的粘結(jié)粘結(jié)染料敏化太陽能電池和碲化鎘薄膜太陽能電池；(iv)疊層電池正負(fù)極串聯(lián)使用導(dǎo)電膠帶302將染料敏化太陽能電池正極與碲化鎘薄膜太陽能電池負(fù)極串聯(lián)，其外部使用塑料封裝外殼303密封包裝制備疊層薄膜太陽能電池，實現(xiàn)同光照下兩電池光生電壓的疊加。其中，染料敏化太陽能電池制備步驟如下1、制備光陽極(a)清洗清洗第一導(dǎo)電玻璃101，用于DSSC光陽極的襯底；(b) TiCl4溶液預(yù)處理在溫度70°C條件下，將導(dǎo)電玻璃101在40mmol/L的TiCl4溶液中浸漬30分鐘后清洗，烘干備用；(c)絲印Ti02納米透明層采用絲網(wǎng)印刷法將微粒粒徑20nm的TW2料漿涂覆于導(dǎo)電玻璃101表面制備TiA納米透明層102，每次絲印后靜置5min并烘干，反復(fù)操作控制TiO2薄膜厚度在5 10 μ m，使負(fù)載有Ti02薄膜的導(dǎo)電玻璃101具有較高的光透過率。其中，絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版網(wǎng)孔為400目。染料敏化劑吸附于TW2納米透明層102表面。(d)熱處理將絲印有Ti02納米透明層102的導(dǎo)電玻璃101置于石英管式爐中，于550°C下熱處理30 60分鐘，烘干后制得光陽極。2、制備對電極(a)打孔使用Imm鉆頭在第二導(dǎo)電玻璃105表面打孔，用作電解質(zhì)注入孔；(b)清洗清洗第二導(dǎo)電玻璃105并烘干備用，用于DSSC光陽極襯底；
6
(c)絲印鉬層在第二導(dǎo)電玻璃105表層絲印一層鉬層104 ；(d)燒結(jié)將絲印有鉬層104的第二導(dǎo)電玻璃105在400°C下保溫5 lOmin，爐冷至室溫取出，制得對電極。 3、染料敏化太陽能電池的組裝(a)電極對接封裝將對電極與光陽極對接，使用沙林膜進(jìn)行封裝；(b)注入電解質(zhì)在真空環(huán)境中由注入孔注入電解質(zhì)103，即Γ1/〗氧化還原對；(c)密封電解質(zhì)以CdTe薄膜太陽能電池作注入孔封裝基底，以沙林膜或紫外固化膠作封裝粘結(jié)劑301，制得染料敏化太陽能電池。其中，采用沙林膜的厚度為50μπι，在120°C保溫2 5min，利用熱封機(jī)封裝；采用紫外固化膠則使用高壓汞燈照射數(shù)秒達(dá)到封裝效果，疊加封裝操作簡單。碲化鎘薄膜太陽能電池制備步驟如下(a)制備襯底清洗第三導(dǎo)電玻璃201，激光刻蝕透明氧化層TCO，用于碲化鎘薄膜太陽能電池的襯底；(b)制備窗口層η型硫化鎘利用化學(xué)氣相沉積法制備窗口層η型硫化鎘202，控制氣壓為IO3Pa,環(huán)境氣氛為50%氬氣和50%氧氣、襯底溫度500°C ；(c)退火在環(huán)境氣氛為80%氬氣和20%氫氣，溫度400°C下退火20min，除去窗口層η型硫化鎘202表面的CdF2和CdO鈍化層；(d)制備吸收層ρ型碲化鎘真空蒸發(fā)法制備吸收層P型碲化鎘203，源材料CdCl2在溫度500°C 650°C時升華，冷凝在溫度為400°C 600°C襯底上，以氬氣為保護(hù)氣氛，源材料CdCl2與襯底之間的距離在1 5mm之間；(e) CdCl2處理保持高真空度同時降低源材料CdCl2的溫度，襯底溫度在400 500°C，使CdTe吸收層表面的CdCl2重新蒸發(fā)，藉著區(qū)域性氣相的傳輸作用，促進(jìn)了 CdTe的再結(jié)晶過程，增加載流子密度，加劇CdTe的P型化，能夠進(jìn)一步提高CdTe/CdS異質(zhì)結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率；(f)制備復(fù)合背接觸層為降低電池與背電極之間的歐姆接觸，利用共蒸發(fā)法制備復(fù)合背接觸層204，先沉積一層未摻雜SiTe，再共蒸發(fā)沉積SiTe Cu，Cu摻雜比例為3 % 10%。在沈01下的氮氣環(huán)境中退火；(g)制備鎳基背電極利用電子束蒸發(fā)法制備鎳基背電極205，環(huán)境設(shè)定壓強KT3Pa 9 X KT3PaJIiE 10kv，沉積時間 2 3min。本實施例中的導(dǎo)電玻璃優(yōu)選為耐高溫的硼硅玻璃。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好的理解本專利內(nèi)容，不應(yīng)理解為是對本專利保護(hù)范圍的限制，只要是根據(jù)本專利所揭示精神所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種疊層薄膜太陽能電池，其特征在于所述疊層薄膜太陽能電池是以高透明性染料敏化太陽能電池作前電池，以碲化鎘薄膜太陽能電池作底電池；所述染料敏化太陽能電池由光陽極、對電極及密封于兩者之間的電解質(zhì)構(gòu)成；所述碲化鎘薄膜太陽能電池依次由第三導(dǎo)電玻璃、透明氧化層、窗口層η型硫化鎘、吸收層P型碲化鎘以及鎳基背電極構(gòu)成；所述染料敏化太陽能電池和所述碲化鎘薄膜太陽能電池的正負(fù)極通過沙林膜或紫外固化膠串聯(lián)連接形成疊層薄膜太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層薄膜太陽能電池，其特征在于所述染料敏化太陽能電池的光陽極采用絲網(wǎng)印刷，網(wǎng)版網(wǎng)孔400目，絲印薄膜采用粒度為2011!111102粉體，薄膜厚度為 10 12 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層薄膜太陽能電池，其特征在于所述碲化鎘薄膜太陽能電池的窗口層η型硫化鎘的厚度為70 lOOnm，所述吸收層ρ型碲化鎘的厚度為2 ·10 μ m。
全文摘要
本專利公開了一種疊層薄膜太陽能電池，以高透明性染料敏化太陽能電池作前電池，以碲化鎘薄膜太陽能電池作底電池；所述染料敏化太陽能電池由光陽極、對電極及密封于兩者之間的電解質(zhì)構(gòu)成；所述碲化鎘薄膜太陽能電池依次由第三導(dǎo)電玻璃、透明氧化層、窗口層n型硫化鎘、吸收層p型碲化鎘以及鎳基背電極構(gòu)成；所述染料敏化太陽能電池和所述碲化鎘薄膜太陽能電池的正負(fù)極通過沙林膜或紫外固化膠串聯(lián)連接形成疊層薄膜太陽能電池。該疊層太陽能電池有效地抑制了光能損失，進(jìn)一步提高單位面積光能利用率，使得其光電轉(zhuǎn)化效果超過單電池轉(zhuǎn)化效果。
文檔編號H01G9/04GK102568867SQ20121001443
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者張根發(fā), 李帥, 王長君, 羅軍, 蘇青峰, 賴建明, 鄭澤秀, 馬禮敏 申請人:上海聯(lián)孚新能源科技有限公司