一种薄膜光能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种薄膜光能电池，包括：硅薄膜光能电池板、表面等离子激元膜、定向碳纳米管薄膜；所述硅薄膜光能电池板位于最底层，所述定向碳纳米管薄膜位于最顶层，所述表面等离子激元膜处于硅薄膜光能电池板和定向碳纳米管薄膜之间；所述定向碳纳米管薄膜，包括垂直生长的碳纳米管，用于吸收全部入射光，使入射光到达表面等离子激元膜；所述表面等离子激元膜，用于结合定向碳纳米管薄膜和硅薄膜光能电池板。本发明还同时公开了一种薄膜光能电池的制备方法。采用本发明，能减少由于光照角度变化而引起的光反射，进而减少光能损耗，提高光电转换效率。
【专利说明】一种薄膜光能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光能电池技术，尤其涉及一种薄膜光能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]光能电池是用硅材料作为基底，利用光电效应实现光能向电能的转换的一种电池，这种绿色能源被广泛应用于照明、移动通信器材、航天技术等，对光能电池的研究是对新型能源的重要探索。
[0003]目前，在能源领域中，研究人员对光能电池的研究，主要是对硅材料进行优化；或者是将别的元素掺入硅材料中，形成新的化合物来尝试提高光电转换效率。关于硅基光能电池的实际效率，一般认为电池所达到的功率与作用于电池表面的太阳光功率的比值，大量的理论计算证明，对于禁带宽度为Eg= 1.lev的材料，其效率为25%。所以，对于硅基光能电池，如果只限于研究硅材料，是很难突破这个效率的；而且研究方向发散性比较大，在摸索中寻找合适的材料，存在一定的不确定因素，需要从另一个方向来研究，以提高光电转换效率。
[0004]另外，人们通常采用绒面薄膜和高效背反射层来增强薄膜光能电池的吸收效率，这样，能起到一定的作用。但是，近来研究人员又发现金属纳米颗粒激发表面等离子体激元，能增强硅薄膜光能电池的光吸收，因此，正在对这种作用的物理机理做积极的研究。
[0005]然而，对于光能电池而言，由于日照的光线角度是随着地球的自转而变化的，那么，光能电池吸收的太阳光每天不同时候都是从不同角度照射的。当光垂直照射的时候没有反射光线，因而能全部吸收太阳能；但当光斜入射的时候，就会有一部分能量随着反射而损失掉，这种情况下，单从改善硅材料方面考虑，是无法来挽回这部分能量的；或者采用绒面和背反射层，作用也是微弱的。这是光能电池在接收光能上的一个缺陷，需要通过另一个思路来考虑，防止这部分能量的损失。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种薄膜光能电池及其制备方法，能减少由于光照角度变化而引起的光反射，进而减少光能损耗，提高光电转换效率。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0008]本发明提供了一种薄膜光能电池，所述电池包括:硅薄膜光能电池板、表面等离子激元膜、定向碳纳米管薄膜；
[0009]所述硅薄膜光能电池板位于最底层，所述定向碳纳米管薄膜位于最顶层，所述表面等离子激元膜处于硅薄膜光能电池板和定向碳纳米管薄膜之间；
[0010]所述定向碳纳米管薄膜，包括垂直生长的碳纳米管，用于吸收全部入射光，使入射光到达表面等离子激元膜；
[0011]所述表面等离子激元膜，用于结合定向碳纳米管薄膜和硅薄膜光能电池板。
[0012]本发明还提供了一种薄膜光能电池的制备方法，该方法包括:[0013]在表面等离子激元膜上生长定向碳纳米管薄膜；
[0014]将生长有定向碳纳米管薄膜的表面等离子激元膜镀到硅薄膜光能电池板上。
[0015]上述方案中，采用碳氢化合物催化分解的方法在表面等离子激元膜上生长定向碳纳米管薄膜。
[0016]上述方案中，所述镀到为电镀。
[0017]本发明所提供的薄膜光能电池及其制备方法，在硅薄膜光能电池板表面增加一层定向碳纳米管薄膜，并用表面等离子激元膜作为定向碳纳米管薄膜和硅薄膜光能电池板的结合层；且定向碳纳米管薄膜中的碳纳米管垂直生长；如此，碳纳米管之间形成的空隙，可使光线在其中多次反射后直到薄膜内部，无法逸出，使得定向碳纳米管薄膜对太阳光有较强的吸收作用。本发明通过改变光能电池的表面膜层结构，从另一个角度解决了提高光能转换效率的问题，解决了光能电池由于入射光线角度的变化，所引起的反射光能损失的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明薄膜光能电池的组成结构示意图；
[0019]图2为532nm的绿光源垂直照射的圆斑示意图；
[0020]图3为光线最大辐照角度照射在光能电池板上的椭圆斑示意图；
[0021]图4为本发明薄膜光能电池与普通光能电池的开路电压比较图。
【具体实施方式】
[0022]本发明的基本思路是:在硅薄膜光能电池板表面增加一层由垂直生长的碳纳米管构成的定向碳纳米管(CNT, Carbon Nano Tube)薄膜,且用表面等离子激元(SPP, SurfacePlasmon Polariton)膜作为定向碳纳米管薄膜和娃薄膜光能电池板的结合层。
[0023]其中，垂直生长的碳纳米管可以减少不同角度入射光的反射光损耗；所述表面等离子激元膜能保证光能良好地传输到硅薄膜光能电池板上。
[0024]本发明提供的薄膜光能电池，如图1所示，包括:硅薄膜光能电池板、表面等离子激元膜、定向碳纳米管薄膜；硅薄膜光能电池板位于最底层，定向碳纳米管薄膜位于最顶层，表面等离子激元膜处于硅薄膜光能电池板和定向碳纳米管薄膜之间，作为定向碳纳米管薄膜和硅薄膜光能电池板的结合层。其中，
[0025]所述定向碳纳米管薄膜，包括垂直生长的碳纳米管，用于吸收全部入射光，使入射光到达表面等离子激元膜；
[0026]所述表面等离子激元膜，用于结合定向碳纳米管薄膜和硅薄膜光能电池板。
[0027]在实际应用中，光从某一个角度入射到定向碳纳米管薄膜，由于定向碳纳米管薄膜中的碳纳米管垂直于表面等离子激元膜和硅薄膜光能电池板排列，因此，在碳纳米管之间形成狭长的空隙，尺寸正好对应于可见光的波长范围。这样，当入射光到达定向碳纳米管薄膜表面时，这些小空隙如同无数个陷阱，使光线在其中多次反射后直到薄膜内部，无法逸出，使得此定向碳纳米管薄膜对太阳光有较强的吸收作用，几乎可以达到“零”反射的效果。然后，入射光经过表面等离子激元膜，表面等离子激元膜具有透射增强效应，能够使入射光良好地传输到硅薄膜光能电池板上，产生光伏效应。[0028]对应图1所示的薄膜光能电池，本发明还提供了薄膜光能电池的制备方法，具体包括如下步骤:
[0029]步骤10、在表面等离子激元膜上生长定向碳纳米管薄膜。
[0030]这里，所述在表面等离子激元膜上生长定向碳纳米管薄膜可采用碳氢化合物催化分解的方法；所述表面等离子激元膜可采用现有的表面等离子激元膜。
[0031]其中，定向碳纳米管薄膜中的碳纳米管垂直生长。
[0032]举个具体例子来说，以二茂铁Fe(C5H5)2为催化剂，乙炔为碳源，氮气为载气，催化剂的量和碳源的流量比为Ig: 100mL/min左右；载气和碳源的流量比为队:C2H2 = 2: I到4: I,气体的总流量不超过300mL/min ;
[0033]将现有的表面等离子激元膜作为基底，放入多温区卧式柱体反应炉，石英管作为反应室，在反应炉的两个管口分别准备好氮气(载气)和乙炔(碳源)；
[0034]升炉温，当反应温度为700?800°C的时候，放入氮气和乙炔，氮气的流量为100?300mL/min,乙块的流量为 40 ?10OmT,/miη ；
[0035]定向碳纳米管薄膜的组织形貌可用扫描电镜观察分析，当看到生长的膜层形成垂直柱状时，先退去碳源，再退载气，开始降温；降至常温，取出生长好定向碳纳米管薄膜的表面等离子激元膜。
[0036]步骤20、将生长有定向碳纳米管薄膜的表面等离子激元膜镀到硅薄膜光能电池板上。
[0037]其中，所述镀到可采用电镀的方法。
[0038]下面结合具体实施例的附图和数据详细说明采用本发明提供的薄膜光能电池达到的效果。
[0039]采用表面等离子激元膜和定向碳纳米管薄膜结构的薄膜光能电池样品制备完成后，将该薄膜光能电池与普通的硅薄膜光能电池做实验对比。其中，实验环境为:使用电源稳压源、波长为532nm的绿光激光器、单晶硅光能电池两块、万用表；其中，所述两块单晶硅光能电池，一块是本发明制备的单晶硅薄膜光能电池，另一块是普通的单晶硅光能电池，没有表面等离子激元膜和定向碳纳米管薄膜结构，其它参数都一样。进一步的，为了排除入射光受其他光源的干扰，选择在晚上做实验，这样，能获得唯一光源(绿光激光器)的照射，当光源改变照射角度时，能有效地测得光能电池相关数值。
[0040]首先，接通绿光激光器的电源，将532nm绿光激光器作为唯一光源，由于激光的方向性很强，能够清晰地观察测量到角度改变对光能电池的影响。输入稳定的交流电压3V，可制备出具有定向碳纳米管薄膜的薄膜光能电池样品是长9cm、宽3cm的矩形，根据薄膜光能电池的辐照度，要尽可能多地照射到薄膜光能电池表面，具体就是照射在定向碳纳米管薄膜上，这样能激发出更多的光电子，获得更多的能量。
[0041]其次，改变角度进行实验测量，由于绿光激光器是点状的光源，所以垂直照射是个圆斑，如图2所示,所投射到薄膜光能电池表面的面积是h = 3cm, R = 3cm的圆斑,不能将薄膜光能电池表面尽可能大面积地照射到，所产生的能量不会是最大的，其转换效率也会比较低。经过计算，光线入射的最优角为38°，如图3所示，光源按照最优角38°照射下去，是一个h = 3cm,R = 9cm的椭圆形的斑,在保证薄膜光能电池的长宽比的同时,也将光源的能量尽可能多的照射到薄膜光能电池表面上，以弥补垂直照射无法有最大辐照度的缺陷。[0042]当光斑垂直照射在两块单晶硅光能电池时，两者都不会因为产生反射而能量损失，但斜入射的情况下，普通的光能电池会因为反射，部分能量不能有效地被光能电池吸收，但本发明的薄膜光能电池由于有定向碳纳米管薄膜层的存在，所以能很好地解决反射损失的问题。
[0043]将本发明的薄膜光能电池作为测试样本，发现没有反射现象出现；垂直生长碳纳米管的技术特性，可使光源的能量全部被光能电池吸收。图4为一组测量的开路电压实验数据对比图，其中，X轴为照射角度用w表示，Y轴为开路电压用Uoc表示，单位是:V。
[0044]如图4所示，其中，折线501为本发明薄膜光能电池的开路电压随着角度变化的曲线，折线502为普通光能电池的开路电压随着角度变化的曲线。实验起初测量从垂直入射开始，能够明显看出，在同为90°的情况下，开路电压都是U。。= 3.775V，当有角度变化的时候，直到最优角38°，普通光能电池的开路电压随着角度变化在不断增大，这是因为，虽然有了轻微的反射现象存在，有一小部分能量损失，但所照射的硅板面积同时也在增大，激发出的光电子越来越多，损失的光子数与增加辐照面积而得的光电子相比是占比较少的份量，所以电压增加。但从38°之后电压开始减少，虽然能保持一定的辐照面积，但反射出去的能量越来越多，光子的数量在递减，所以电压减少。
[0045]从上述数据来看，本发明的薄膜光能电池吸收能量的效果很好，随着角度的改变，电压是保持增长的态势，一直到最优角38°时；与普通光能电池比较，本发明的薄膜光能电池的电压比普通光能电池高，从30°到10°辐射角，本发明的薄膜光能电池的电压是饱和稳定的；定向碳纳米管将反射出去的能量都吸收回来了，在辐射角度变化的过程中没有损失掉反射出去的能量。通过比较，可以看出，本发明的薄膜光能电池的开路电压得到了改善，相应地，薄膜光能电池的效率也提高了。
[0046]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种薄膜光能电池，其特征在于，所述电池包括:硅薄膜光能电池板、表面等离子激元膜、定向碳纳米管薄膜； 所述硅薄膜光能电池板位于最底层，所述定向碳纳米管薄膜位于最顶层，所述表面等离子激元膜处于硅薄膜光能电池板和定向碳纳米管薄膜之间； 所述定向碳纳米管薄膜，包括垂直生长的碳纳米管，用于吸收全部入射光，使入射光到达表面等离子激元膜； 所述表面等离子激元膜，用于结合定向碳纳米管薄膜和硅薄膜光能电池板。
2.—种薄膜光能电池的制备方法,其特征在于,该方法包括: 在表面等离子激元膜上生长定向碳纳米管薄膜； 将生长有定向碳纳米管薄膜的表面等离子激元膜镀到硅薄膜光能电池板上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用碳氢化合物催化分解的方法在表面等离子激元膜上生长定向碳纳米管薄膜。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述镀到为电镀。
【文档编号】H01L31/0216GK103515455SQ201210201719
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月18日 优先权日:2012年6月18日
【发明者】孙玮 申请人:中兴通讯股份有限公司