专利名称：薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种薄膜太阳能电池。
背景技术：
太阳能源是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是清洁能源。因此，利用太阳能已经成为人们关注的焦点。目前，太阳能的开发与利用主要分为热能利用以及光能利用，太阳能热能利用是指通过利用阳光加热水产生蒸汽等方式以利用其内能；光能利用是指用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利用。因电能更易储存和输送，将太阳能转化为电能更有利于人们对太阳能的综合利用。因此，太阳能电池在近几十年中成为了各国研发的热点。传统的固态太阳能电池主要有晶体硅(单晶和多晶)太阳能电池、非晶/微晶硅薄膜太阳能电池和化合物太阳能电池(GaAs，CIGS)。这些固态太阳能电池有正-负极联接——正极半导体层和负电子层之间的联接。这些联接层是光伏效应的关键，当太阳能电池吸收来自太阳的光子时，光子的能量会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗竭区内被分开，也就是微小的正-负联接区，然后被收集为电力。然而，这个过程需要光子穿透耗尽区的物质。他们的能量也必须精确地匹配半导体的电子能带隙能量，也就是半导体价带和传导能带之间的差距，导带与价带之间没有电子状态的存在。传统固态光电器件可以产生的最大电压等于其电子能隙，即使是所谓的串联细胞——其中有一些半导体正-负联结的堆积，其能产生的光电电压也是有限的，因为光穿透的深度是有限的。半导体的光生伏打效应是由宏观不均勻性造成的，产生光伏电压一般不超过半导体的禁带宽度(一般为数伏)。另一方面，由于铁电材料具有完全不同于半导体的反常光生伏打效应均勻铁电晶体在均勻光照下出现稳态短路光生电流或开路电压的现象，光伏电压不受晶体禁带宽度 (Eg)的限制，可比Eg高2 4个数量级，达IO3 105V/cm。正是由于铁电材料的这种超过千伏的输出光电压和将光能转换为电能的性质，使其在光传感器、光驱动器、铁电光伏电池等领域具有重要的应用前景。另外，铁电材料的光吸收区域是整个材料内部，而不仅仅局限于耗尽区，大大增加了光吸收，有利于产生更多的电子-空穴对；材料内部产生的电子-空穴对可以被铁电材料的退极化场分离开来。目前，已在钛酸钡、铌酸锂、钛酸铅、铋铁氧系等铁电材料中发现了光伏效应。传统的铁电薄膜太阳能电池结构为金属电极/铁电薄膜/金属电极结构；在铁电薄膜的上、下两个界面处都存在着金属/薄膜肖特基势垒，该上、下界面肖特基势垒形成的内建电场的方向总是相反的，从而导致肖特基势垒对光电流的贡献减小。文献(ΙΤ0衬底上PZT膜的性能研究，江苏石油化工学院学报，Vol. IlNo. 3，P48 51)公开了一种在ITO衬底上旋涂PZT膜的结构，可取代昂贵的Pt衬底作铁电薄膜的性能研究。然而，由于PZT薄膜具有较大的禁带宽度(3.5eV左右)，只能吸收太阳光谱中紫外光，而太阳光中紫外光的功率只占整个太阳光谱的5%左右；而且其导电能力较差(常温下小于20mA/cm2)，因此其光电转换效率通常较低，一般在0. 01%以下。
发明内容
本发明目的是提供一种薄膜太阳能电池。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种薄膜太阳能电池，从上到下依次包括ITO导电玻璃、PZT薄膜层、a-Si薄膜层和金属电极，所述PZT薄膜层设于ITO导电玻璃的导电面上；所述金属电极与a-Si薄膜层形成欧姆接触；所述ITO导电玻璃的导电面与PZT薄膜层构成肖特基接触结构；所述金属电极和ITO导电玻璃的导电面构成太阳能电池的正负电极结构。上文中，所述ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡(俗称ΙΤ0)膜加工制作成的，是现有技术。所述PZT薄膜层是指锆钛酸铅薄膜层，所述PZT是将醋酸铅、钛酸丁酯、锆酸丁酯等按一定化学计量比溶解在醋酸和乙二醇甲醚混合中，形成溶胶，利用甩膜的方法制备而成。所得的PZT薄膜具有铁电效应。所述ITO导电玻璃的导电面作为与金属电极相对的另一电极，ITO与PZT接触形成肖特基势垒，该内建电场的方向由PZT薄膜指向ITO导电玻璃的导电面；ITO导电玻璃的导电面作为电极的同时，让光通过电极照射入电池内部。金属电极与a-Si之间形成欧姆接触。所述ITO导电玻璃的导电面作为与金属电极相对的另一电极，其与金属电极一起构成太阳能电池的正负电极结构。所述a-Si薄膜层是指非晶硅薄膜层。上述技术方案中，所述PZT薄膜层的厚度为200 400nm。上述技术方案中，所述a-Si薄膜层的厚度为200 500nm。上述技术方案中，所述a-Si薄膜层为η型。当然，a_Si薄膜层可以为η型、本征或P型，优选为η型。本发明的设计机理为a-Si的禁带宽度在1. 7 1. 85eV，能够吸收太阳光谱中波长小于SOOnm的可见光；并且a-Si作为半导体材料，其导电能力要比铁电薄膜强得多；更重要的是，高载流子浓度的a-Si与金属电极可以形成欧姆接触。因此在PZT薄膜上增加一层a-Si薄膜，形成PZT/a-Si复合薄膜，既可以吸收波长小于SOOnm的可见光，又可以消除一个界面的肖特基势垒(ΡΖΤ/ΙΤ0界面仍然为肖特基接触，a-Si/Pt界面为欧姆接触)，从而提高内建电场的大小。另外，如果a-Si的导电类型是η型，在PZT/a-Si的界面处形成异质结的电场方向与ΡΖΤ/ΙΤ0界面肖特基势垒的电场方向是一致的。综上所述，本发明利用a-Si薄膜，从两个方面着手提高铁电薄膜太阳能电池的效率一是增强薄膜内部的内建电场；二是增加光吸收，提高太阳光的利用效率。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.本发明在PZT薄膜层上设置了 a-Si薄膜层，构成了 a-Si/PZT/ITO的结构，该结构的薄膜太阳能电池具有较高的短路电流和光电转换效率，相比普通的ΡΖΤ/ΙΤ0结构的薄膜太阳能电池，本发明的电池的短路电流提高了 30 130倍，可达6. 32mA/cm2，光电转换效率可由0. 01 %提高到1. 32 %，取得了意想不到的效果。2.本发明采用的a-Si薄膜层可以为η型、本征或P型，当a_Si是本征时，能够把开路电压提高到1. 06V，提高了将近2倍。3.本发明的电池结构简单，易于制备，适于推广应用。4.本发明采用的a-Si薄膜层可以采用现有产品，廉价易得，且由其制得的太阳能电池具有较好的光电转换效率，因而更易于实现工业化应用。5.本发明的太阳能电池具有良好的稳定性，无论采用η型、本征或ρ型a-Si薄膜层，均可获得较高光电转换效率的太阳能电池。
附图1是本发明实施例一的结构示意图；附图2是本发明实施例一和对比例一中太阳能电池的量子效率对比图。其中1、PZT薄膜层；2、a_Si薄膜层；3、金属电极；4、导电面；5、ITO导电玻璃。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图1所示，在玻璃上沉积ITO薄膜，构成ITO导电玻璃，其透光率大于85%， 表面电阻为90 Ω / □左右，形成导电透明的导电ITO/glass ；在ITO/glass上用sol-gel法沉积320nm厚的PZT薄膜，经过580°C氧气下退火，形成多晶PZT薄膜；接着，在ΡΖΤ/ΙΤ0/ glass上用磁控溅射沉积η型的a-Si，厚度为450nm，载流子浓度为约为1017cm-3，形成 a-Si/PZT/ITO/glass 结构。然后用磁控溅射在PZT/ITO/glass上沉积上金属电极Pt，即形成薄膜太阳能电池。实施例二在玻璃上沉积ITO薄膜，透光率大于85%，表面电阻为90 Ω / □左右，形成导电透明的导电ITO/glass ；在ITO/glass用sol-gel法沉积320nm厚的PZT薄膜，经过580氧气下退火，形成多晶PZT薄膜；接着在PZT/ITO/glass上用磁控溅射沉积本征的a_Si，厚度为 450nm，形成 a-Si/PZT/ITO/glass 结构。然后用磁控溅射在a-Si/ITO/glass上沉积上电极Pt，即形成太阳能电池。实施例三在玻璃上沉积ITO薄膜，透光率大于85%，表面电阻为90 Ω / □左右，形成导电透明的导电ITO/glass ；在ITO/glass用sol-gel法沉积320nm厚的PZT薄膜，经过580°C氧气下退火，形成多晶PZT薄膜；接着在PZT/ITO/glass上用磁控溅射沉积ρ型的a_Si，厚度为450nm，载流子浓度为约为1017enT3，，形成a-Si/PZT/ITO/glass结构。然后用磁控溅射在a-Si/ITO/glass上沉积上电极Pt，即形成太阳能电池。对比例一在玻璃上沉积ITO薄膜(ITO/glass)，透光率大于85%，表面电阻为90Ω/□左右，形成导电透明的导电ITO/glass ；在ITO/glass用sol-gel法沉积320nm厚的PZT薄膜，经过580°C氧气下退火，形成多晶PZT薄膜(一般认为多晶PZT薄膜具有ρ型或η型半导体特征)。然后用磁控溅射在PZT/ITO/glass上沉积上金属电极Pt，即形成太阳能电池。测试一在AM 1. 5，温度25°C条件下，光从ITO导电玻璃照射入电池，测试实施例一至三以及对比例一的太阳能电池的电性能参数，结果如下表所示
权利要求
1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于从上到下依次包括ITO导电玻璃( 、PZT薄膜层(1)、a-Si薄膜层(2)和金属电极(3)，所述PZT薄膜层设于ITO导电玻璃的导电面(4) 上；所述金属电极与a-Si薄膜层形成欧姆接触；所述ITO导电玻璃的导电面与PZT薄膜层构成肖特基接触结构；所述金属电极和ITO导电玻璃的导电面构成太阳能电池的正负电极结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述PZT薄膜层的厚度为 200 400 nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述a-Si薄膜层的厚度为 200 500 nm。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述a-Si薄膜层为η型。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜太阳能电池，从上到下依次包括ITO导电玻璃、PZT薄膜层、a-Si薄膜层和金属电极，PZT薄膜层设于ITO导电玻璃的导电面上；金属电极与a-Si薄膜层形成欧姆接触；所述ITO导电玻璃的导电面与PZT薄膜层构成肖特基接触结构；所述金属电极和ITO导电玻璃的导电面构成太阳能电池的正负电极结构。本发明得到了a-Si/PZT/ITO的结构，该薄膜太阳能电池具有较高的短路电流和光电转换效率，相比普通的PZT/ITO结构的薄膜太阳能电池，本发明的电池的短路电流提高了30~130倍，可达6.32mA/cm2，光电转换效率可由0.01%提高到1.32%，取得了意想不到的效果。
文档编号H01L31/0336GK102306678SQ20111028363
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者曹大威, 王春燕, 郑分刚 申请人:苏州大学