专利名称：背电极、背电极吸收层复合结构及太阳能电池的制作方法
技术领域：
本申请涉及光电转换材料领域，特别是涉及一种背电极，含有该背电极的背电极吸收层复合结构和太阳能电池。
背景技术：
人类进入二十一世纪，环境污染和能源短缺已愈来愈制约着社会的可持续发展。太阳能等可再生能源技术代表了清洁能源的发展方向，作为最具可持续发展理想特征的太阳能光伏发电将进入人类能源结构并成为基础能源的重要组成部分。我国也已经将其作为构建和谐可持续发展的新型社会的重要基础条件列入国家中长期科技发展规划中。
目前，薄膜太阳能电池的研究主要集中在如何提高薄膜电池的转换效率，根据转换效率的定义，薄膜太阳能电池的转换效率等于其能够输出的电能除以输入的光能，即其取决于电池材料对光子的吸收效率、载流子的分离效率和载流子的输运收集效率。也就是说，要想提高薄膜太阳能的光电转换效率，就需要从这三方面下手，提高三个效率值。对于同一种材料才说，载流子的分离效率基本是不变的，故提高电池组件对光子的吸收效率和载流子的输运收集效率是提高太阳能薄膜电池转换效率的关键。研究者们对薄膜太阳能电池的研究也主要集中在这两个方面，尤其是对于前者，研究者提出很多方法来提高电池组件对光子的吸收，比如电池表面增加减反膜，减少光的反射[1];电池表面制备聚光结构[2，3];在减反膜表面制备各种“陷光结构”，进一步增加光子的吸收[4_6];制备多禁带叠层太阳能电池结构吸收更大波长范围的光[7]等等，也取得了较好的效果。但是对于载流子的收集效率的研究并不是太多，仅仅局限于不同电导率的电极材料选择和晶格取向的研究W，因此对整体太阳能电池的贡献不大。参考文献[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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发明内容
本申请的目的是提供一种新结构的背电极，以及包含该背电极的背电极吸收层复合结构和太阳能电池。为了实现上述目的，本申请釆用了以下技术方案本申请的一方面公开了一种背电极，背电极为连续的导电薄膜，该导电薄膜的正面表面上具有凸起的纳米阵列。进一步的，凸起的纳米阵列为纳米箔的阵列或纳米纤维的阵列。进一步的，纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000mn，纳米箔的厚度为f lOOOnm，凸起的高度为lOnnTlmm。本申请中，纳米阵列的间距为SOnnTlOmm。本申请中，背电极的材料为导电的金属材料、导电的无机非金属材料或导电的有机高分子材料中的至少一种；导电的金属材料选自铜、镍、锌、锡、镁、铝、锰、铬、镉、碲、铟、锑、钛、金、钼、钥和银中的一种或者几种；导电的无机非金属材料选自石墨烯、纳米碳管、不定性碳、氧化锌铝、氧化铟锡、掺氟的氧化锡及它们的合金或组成的复合材料中的一种或者几种；导电的有机高分子材料选自聚苯胺，聚噻吩，聚吡咯，聚苯乙炔，聚乙炔，聚苯撑，聚苯硫醚，富勒烯及它们的衍生物中的一种或者几种。本申请的另一方面公开了一种背电极吸收层复合结构，该复合结构包括固定连接的背电极和吸收层，吸收层的背面与背电极的正面固定接触连接，其中背电极为本申请提供的背电极，背电极正面的凸起的纳米阵列插入到吸收层内。进一步的，吸收层的材料选自二六族化合物、三五族化合物、娃材料、有机光电材料和染料敏化材料中的至少一种。进一步的，二六族化合物选自CdTe材料、CuInSe材料、CuInGaSe材料和CuZnSeS材料中的至少一种；三五族化合物选自GaAs材料、InP材料和InGaP材料中的至少一种；硅材料选自单晶硅、多晶硅、硅薄膜和纳米硅晶颗粒中的至少一种；有机光电材料选自酞青 锌、甲基叶林、蒽、联苯、半菁类及其衍生物和聚噻吩中的至少一种；染料敏化材料包括TiO2和染色剂，染色剂包括无机材料或有机材料，无机材料包括钌染料，有机材料选自吲哚啉类染料、香豆素类染料、三苯胺类染料、菁类染料、方酸类染料、二烷基苯胺类染料、咔唑类染料、芴类染料、二萘嵌苯类染料、四氢喹啉类染料、叶啉类染料和酞菁类染料中的至少一种。本申请中，吸收层的维度为纳米颗粒、薄膜、块体、薄膜与薄膜叠层、薄膜与块体叠层中的一种。本申请还公开了一种具有本申请的背电极或本申请的背电极吸收层复合结构的太阳能电池。本申请的有益效果在于本申请的背电极在其正面表面具有凸起的纳米阵列，使用时该阵列插入到吸收层内，该纳米阵列与电池吸收层的晶粒尺寸相适应，从而大大缩短光生载流子在吸收层中的扩散距离，并尽可能的避免吸收层中晶界处缺陷对载流子的复合。同时，由于电极插入吸收层中，形成尖端电极，产生纳米“避雷针”效应，极大提高光生载流子的收集效率。此外，导电的纳米阵列插入吸收层半导体中，形成导电材料和半导体的界面，产生表面等离子激元(SPP)，进一步增强陷光效应，在不减弱电学性能的情况下增强陷光效果。该界面还会对入射光进行多次反射，使光在吸收层中的行进路线增长，吸收更加完全；纳米阵列插入吸收层半导体中，会在界面处形成重掺杂区，产生量子中间层效应，隧道结和局域背电场效应等，都会对光子的吸收和载流子的输运有积极影响，最终促使太阳能电池光电转换效率的较大提高。
图1是本申请实施例中背电极吸收层复合结构示意图，I为吸收层、2为背电极的凸起的纳米阵列、3为背电极的导电薄膜；图2是本申请实施例中背电极纳米纤维的阵列示意图；图3是本申请实施例中背电极纳米箔的阵列示意图；图4是本申请实施例中背电极纳米箔的阵列的另一种排列示意图。
具体实施例方式本申请的发明人仔细思考发现，单就纯金属电极而言，确实比较简单，可改进的途径有限。然而，反过来思考载流子的输运收集情况，发现载流子的损失主要原因是其在输运过程中的复合和湮灭。载流子的复合比较复杂，一般分为辐射复合、俄歇复合、陷阱复合、表面复合和界面复合等。其中辐射复合和俄歇复合是吸收层材料能带结构引起的，在本征半导体和缺陷半导体中都存在，是不可避免的；而表面复合和界面复合分别发生在多晶吸收层薄膜或异质结的晶界上的陷阱复合，其只存在于缺陷半导体中，是可以避免的，也是人们希望尽量降低的。载流子的湮灭主要与其寿命和扩散距离有关，如果载流子的寿命较短，不足以支持到其扩散至背电极，则载流子就会湮灭。对于太阳能电池而言，常规的单晶硅太阳能电池厚度可达30(T450iim，即使是多晶化合物薄膜太阳能电池(如CIGS等)的厚度也要4飞u m，而电子的扩散长度却比较短。以CIGS吸收层为例，其电子扩散距离只有llym，小于吸收层的厚度，因为载流子扩散并被背电极吸收的概率较小。同时，吸收层中存在大量的缺陷，尤其是在多晶半导体吸收层中，大量的晶界处形成了大量的复合中心，大量的光生载流子在扩散到晶界处时发生复合而损失。本申请的发明人基于上述分析，仔细研究太阳能电池的结构发现，要保证吸收层对太阳能的充分吸收，吸收层的厚度是不能随意减小的，也就是说，载流子在厚度方向上的复合是几乎无法改变的；但是一般薄膜的晶粒大小与载流子的扩散长度差不多，甚至要低于载流子的扩散长度，这也就是说载流子在一个晶粒内部的扩散是通畅的，如果没有晶界的阻挡，载流子的输运基本不受影响。基于上述分析和研究，本申请的发明人提出构思，是否能让背电极在载流子没有到达晶界时就将其收集呢？
基于以上理论分析、实践研究和发明构思，本申请的发明人设计了一种新结构的背电极，如图1所示，即在背电极导电薄膜3的正面表面上设计凸起的纳米阵列2，以便于背电极插入到吸收层I中。这样的结构中，凸起的纳米阵列充当吸收层中各晶粒之间的部分界面或直接插入晶粒中，使得每一个载流子形成后都将不经过晶界而直接被背电极吸收，大大减少了载流子在吸收层中的扩散距离，有效避免了晶界对载流子复合的影响，同时，背电极与吸收层点接触，形成纳米“避雷针”效应，大大提高了光生载流子的收集效率。此外，金属背电极插入半导体吸收层中，还会产生表面等离子体激元效应、光线的反复反射与吸收、中间层量子点效应、隧道结与局域背电场效应等，进一步增强陷光效果，提高光的吸收。需要说明的是，本申请中，凸起的纳米阵列包括纳米纤维的阵列，及纳米箔的阵列的至少一种；凸起的纳米阵列的作用主要是为了能够插入到吸收层中，因此，该纳米阵列可以按照具体需求任意排布，纳米纤维或纳米箔的具体结构也可以根据具体工艺需要进行调整。本申请中，优选的，纳米纤维的具体结构为纳米纤维截面形状选自圆形、三角形、矩形、正方形、菱形、平行四边形及任意多边形中的一种或多种。优选的，纳米箔截面形状选自直线型、曲线形、锯齿形、方波型、锯齿波型、三角波型及正弦波型中的一种或几种。凸起的纳米阵列包括如图2所示的纳米纤维的点状排列，如图3所示的纳米箔的线状排列，以及如图4所示的以一定角度交叉的网状排列，这几种排列方式中的一种或几种。
还需要说明的是纳米阵列是能够导电的，因此，理论上可以导电的并且可加工成型的材料均可使用，在本申请中不做具体限定。纳米阵列的材料通常与背电极导电薄膜相同，但也可以不同，只要能够将各阵列联通导电即可，在本申请中不做具体限定。下面通过具体实施例并结合附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。实施例一背电极的制备本申请中背电极的凸起的纳米阵列主要以化学合成法、纳米压印法、直接加工法和离子注入与沉积法四种方法制备，具体如下。(I)化学合成法
以铜、银或镍为纳米纤维材料。模板为多孔氧化铝薄膜，由上海昊航化工有限公司提供(CAS number Ultrathin Free-standing Porous Anodic Alumina),以该模板为工作电极，铜、银或镍金属片为对电极，恒电位沉积法制备铜、银或镍的金属纳米线。沉积电位-0. 4V至4V，沉积时间为10分钟至6分钟。通过所选取的多孔模板的孔洞间距来控制纳米线的间距。通过选取的多孔模板的空洞大小来控制纳米线的直径，通过沉积时间的长短来控制纳米线的长度。沉积完毕后，使用溅射法或蒸发法在沉积完毕的样品一面制备同种材料的薄膜，使各纳米线连通，薄膜厚度为IOnnTlOil m。需要说明的是，此处形成薄膜也可以采用不同于纳米阵列的材料，只要能够将纳米阵列联通导电即可。其中溅射法采用直流磁控溅射，沉积参数为电流0. 2^1. 0A，沉积气压为0. riOPa，采用氩气作为工作气体。蒸发法蒸发温度高于蒸发金属熔点5 20° C，沉积气压为IX 10_5Pa 10Pa。最后用6mol/L的氢氧化钠溶液去除氧化铝模板，得到本申请的具有凸起的纳米阵列结构的背电极。需要说明的是，该方法中的材料为铜、银或镍，但并不排除其它同样可以导电的金属或非金属材料。(2)纳米压印法以铜、银或镍为纳米纤维材料。首先采用纳米压印法制备出与所需纳米阵列相同的硅模板或石英模板，然后采用溅射法或蒸发法在具有纳米阵列凹孔或凹槽的模板上沉积铜、或银、或镍等金属薄膜，薄膜厚度为IOnnTl ym，获得所需背电极。其中溅射法采用直流磁控溅射，沉积参数为电流0. 2^1. 0A，沉积气压为0. riOPa，采用氩气作为工作气体；蒸发法蒸发温度高于蒸发金属熔点5 20° C，沉积气压为lX10_5Pa 10Pa。需要说明的是，该方法中的材料为铜、银或镍，但并不排除其它同样可以导电的金属或非金属材料。(3)直接加工法以铜、银或镍为纳米纤维材料。即直接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在铜、银、或镍薄膜片材上刻蚀出纳米纤维的阵列，或者纳米箔的阵列，即制备得到本申请中的具有凸起的纳米阵列结构的背电极。需要说明的是，该方法中的材料为铜、银或镍，但并不排除其它同样可以导电的金属或非金属材料。(4)离子注入与沉积法以铜、银或镍为纳米纤维材料。本方法为在吸收层制备完毕后，在吸收层背面采用离子注入与沉积的方式将导电金属离子注入吸收层中，注入过程中使用具有一定孔洞阵列的掩膜版形成纳米点注入，通过连续降低注入能量，形成连续的金属线状结构，从而获得本申请中的具有凸起的纳米阵列结构的背电极。其中离子注入与沉积时真空度为I X IO-5Pa 0.1Pa，注入能量为I 500kV，注入材料为铜、银、镍等。需要说明的是，该方法中的材料为铜、银或镍，但并不排除其它同样可以导电的金属或非金属材料。还需要说明的是，前述一定孔洞阵列的掩膜版，是用于制备纳米纤维的；如果要制备纳米箔，将该一定孔洞阵列的掩膜版改为一定沟槽阵列的掩膜版即可。实施例二具有插入式背电极/吸收层复合结构的薄膜娃太阳电池背电极纳米阵列的制备采用实施例一中的直接加工法制备金属Al背电极，即直·接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在Al薄膜片材上刻蚀出纳米阵列。本例中分别制备了多种纳米阵列，包括如图2所示的纳米纤维阵列，如图3所示的线状排列的纳米箔阵列，以及如图4所示的网状排列的纳米箔阵列。其中纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000nm，纳米箔的厚度为f lOOOnm，其高度为lOnnTlmm，即电极插入深度。纳米纤维或纳米箔之间的间距为50nnTIOmm。吸收层的制备采用PECVD制备n层Si薄膜，射频功率60W，衬底温度250° C，工作气压130Pa ;反应气体SiH4流量为1. 5sccm，和0. 1%到5%的掺杂气体PH3 ;载气为Ar和H2, Ar流量I到IOOsccm, H2流量I到lOOsccm。p层窗口区厚度为20nm到500nm。本征层的制备采用PECVD制备i层Si薄膜，射频功率60W，衬底温度250° C，工作气压130Pa ;反应气体SiH流量为1. 5sccm ;载气为Ar和H2, Ar流量I到lOOsccm, H2流量I到lOOsccm。p层窗口区厚度为20nm到5 y m。窗口层的制备采用PECVD制备p层Si薄膜，射频功率60W，衬底温度250° C，工作气压130Pa ;反应气体为1. 5sccm流量的SiH4，和0. 1%到5%的掺杂气体B2H6 ;载气为Ar和H2, Ar流量I到lOOsccm, H2流量I到lOOsccm。p层窗口区厚度为20nm到500nm。透明电极的制备采用溅射法制备AZO层，玻璃衬底温度为室温，载气为氩气或者IS氢混合气，其中氢气小于10%,反应气压为0.1Pa,气体流量5sccm,功率为100W,祀距为5cm，其中N2作为载气。沉积厚度约为500nm。本例制备的太阳能电池极大的提高了光生载流子的收集效率，提高了太阳能电池的光电转换效率。实施例三具有插入式背电极/吸收层复合结构的GIGS薄膜太阳电池背电极的制备采用实施例一中的直接加工法制备合金Mo背电极，即直接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在合金Mo薄膜片材上刻蚀出纳米阵列。本例中分别制备了多种纳米阵列，包括如图2所示的纳米纤维阵列，如图3所示的线状排列的纳米箔阵列，以及如图4所示的网状排列的纳米箔阵列。其中纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000nm，纳米箔的厚度为f lOOOnm，其高度为lOnnTlmm，即电极插入深度。纳米纤维或纳米箔之间的间距为5 0 nnT I Omm。吸光层制备采用溅射法在衬底上制备CIGS层，衬底温度为200° C，载气为氩气或者氩氢混合气，其中氢气小于10%，反应气压为0.1Pa，气体流量5sccm，功率为100W，靶距为5cm。沉积厚度约为1. 5 ii m。得到CIGS吸光层。硒化惰性气体气氛下，以硒金属为硒源，500° C下退火30min。
窗口层制备采用化学水浴法制备CdS层，反应物为醋酸铵、醋酸镉、氨水以及硫脲。首先将密封容器中加入去离子水，加热至60° C，加入醋酸镉、醋酸铵、氨水，沉积厚度约为70nm。透明缓冲层的制备采用溅射法制备ZnO层，玻璃衬底温度为室温，载气为氩气或者IS氢混合气，其中氢气小于10%,反应气压为0.1Pa,气体流量5sccm,功率为50W,祀距为7cm。沉积厚度约为50nm。透明电极的制备采用溅射法制备AZO层，玻璃衬底温度为室温，载气为氩气或者氩氢混合气，其中氢气小于10%，反应气压为0.1Pa，气体流量5sccm，功率为100W，靶距为5cm。沉积厚度约为500nm。本例制备的太阳能电池极大的提高了光生载流子的收集效率，提高了太阳能电池的光电转换效率；并且，利用背电极插入结构的突起纳米阵列提高了陷光效应。实施例四具有插入式背电极/吸收层复合结构的CdTe薄膜太阳电池 背电极的制备采用实施例一中的直接加工法制备合金Cu背电极，即直接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在合金Cu薄膜片材上刻蚀出纳米阵列。本例中分别制备了多种纳米阵列，包括如图2所示的纳米纤维阵列，如图3所示的线状排列的纳米箔阵列，以及如图4所示的网状排列的纳米箔阵列。其中纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000nm，纳米箔的厚度为f lOOOnm，其高度，即背电极插入吸收层的深度，为lOnnTlmm。纳米纤维或纳米箔之间的间距为50nnTl0mm。背电场层制备采用溅射法制备Cu/ZnTe: Cu/ZnTe复合层，上述衬底温度为300° C，反应气压为0.1Pa，功率为100W，氩气或者氩氧混合气作为载气，气体流量5sccm，靶材为ZnTe靶，ZnTeiCu靶和Cu靶，沉积厚度分别为20nm、70nm、300nm。吸光层制备采用溅射法制备，上述衬底温度为300° C，反应气压为0.1Pa,功率为100W，氩气或者氩氧混合气作为载气，气体流量5SCCm，靶材为CdTe靶，沉积厚度约为5 7 u m0窗口层制备米用派射法制备CdS层，导电玻璃衬底温度为室温，反应气压为0.1Pa，功率为100W，靶材为CdS靶，其中队作为载气，气体流量5SCCm。沉积厚度约为70nm。透明缓冲层的制备采用溅射法制备SnO2层，玻璃衬底温度为室温，载气为氩气或者IS氢混合气，其中氢气小于10%,反应气压为0.1Pa,气体流量5sccm,功率为50W,祀距为7cm。沉积厚度约为200nm。透明导电层制备采用LPCVD沉积FTO导电玻璃，衬底温度为400° C，反应气压为 3kPa,反应前驱体为 Tetramethyltin (TMT), Bromotrif luoromethane (CBrF3)气体提供 F源，同时通入O2和N2，其中N2作为载气。沉积厚度约为500nm。本例制备的太阳能电池极大的提高了光生载流子的收集效率，提高了太阳能电池的光电转换效率；并且，利用背电极插入结构的突起纳米阵列提高了陷光效应。实施例五具有插入式背电极/吸收层复合结构的三五族薄膜太阳电池背电极的制备采用实施例一中的直接加工法制备合金Au/Ge/Ni的背电极，即直接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在Au/Ge/Ni三者的合金薄膜片材上刻蚀出纳米阵列。
本例中分别制备了多种纳米阵列，包括如图2所示的纳米纤维阵列，如图3所示的线状排列的纳米箔阵列，以及如图4所示的网状排列的纳米箔阵列。其中纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000nm，纳米箔的厚度为f lOOOnm，其高度，即背电极插入吸收层的深度，为lOnnTlmm。纳米纤维或纳米箔之间的间距为50nnTl0mm。吸光层的制备在n型Ge单晶衬底上，利用MOCVD生长n型GaAs，其中Ga源三甲基镓源(TMG)，温度为-16° C，IOml ;掺杂源H2Se, 20ml ;As源AsH3, 50ml ;氢气为载气，生长温度600。C，厚度为0.1iim到IOii m。窗口层有源层制备利用MOCVD生长p型GaAs。其中Ga源TMG，温度为-16° C，IOml ;掺杂源DEZ，-16° C，2ml ;As源AsH3,40ml ;氢气为载气，生长温度600° C，沉积厚度约为 Q.1um 至Ij 10 u m。窗口区帽子层利用MOCVD生长p型AlGaAs。其中Ga源TMG，温度为-16° C， IOml ;A1 源三甲基铝(TMA)，17° C，20ml ;掺杂源 DEZ，25° C，2ml ;As 源 AsH3, 50ml ;氢气为载气，生长温度600° C，沉积厚度约为5nm到10 u m。透明电极的制备采用TiAu材料作为透明电极，利用光刻技术，经过显影，在电池正面做上光刻胶图形。采用蒸镀法，在2 X KT2Pa气压下，先后蒸镀40nm的Ti和50nm的Au在电池表面形成栅极电极，去除光刻胶后获得透明电极。本例制备的太阳能电池极大的提高了光生载流子的收集效率，提高了太阳能电池的光电转换效率；并且，利用背电极插入结构的突起纳米阵列提高了陷光效应。实施例六具有插入式背电极/吸收层复合结构的染料敏化太阳电池透明电极的制备采用溅射法制备AZO层，玻璃衬底温度为室温，载气为氩气或者氩氢混合气，其中氢气小于10%，反应气压为0.1Pa，气体流量5sccm，功率为100W，靶距为5cm，其中N2作为载气。沉积厚度约为500nm。对电极，即背电极，纳米阵列的制备采用实施例一中的直接加工法制备金属Pt背电极，即直接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在Pt薄膜片材上刻蚀出纳米阵列。本例中分别制备了多种纳米阵列，包括如图2所示的纳米纤维阵列，如图3所示的线状排列的纳米箔阵列，以及如图4所示的网状排列的纳米箔阵列。其中纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000nm，纳米箔的厚度为f lOOOnm，其高度，即背电极插入吸收层的深度，为lOnnTlmm。纳米纤维或纳米箔之间的间距为50nnTl0mm。染料的制备将30mM的碘、0. 3M的碘化钾、亚胺铥盐和吡啶诱导体加入乙腈溶剂
得到电解质溶液。在光电极上滴几滴染料，用对电极封住。完成染料敏化电池。本例制备的染料敏化电池，利用背电极的纳米阵列结构，提高了光生载流子的收集效率以及陷光效应，提高了太阳能电池的光电转换效率。实施例七具有插入式背电极/吸收层复合结构的有机聚合物太阳电池背电极的制备采用实施例一中的直接加工法分别制备铝、镁、钙背电极，即直接采用激光加工法、或电子束刻蚀法、或聚焦离子束刻蚀法等直接在铝、镁、钙薄膜片材上刻蚀出纳米阵列。本例中分别制备了多种纳米阵列，包括如图2所示的纳米纤维阵列，如图3所示的线状排列的纳米箔阵列，以及如图4所示的网状排列的纳米箔阵列。其中纳米纤维的直径或最大跨度为5 1000nm，纳米箔的厚度为f lOOOnm，其高度，即背电极插入吸收层的深度，为lOnnTlmm。纳米纤维或纳米箔之间的间距为50nnTl0mm。有机高分子太阳能电池薄膜的制备将高分子有机光电涂料滴在带有透明导电电极的导电玻璃上，利用旋涂剂，经过40飞0秒10001000转每分钟旋涂成有机太阳能电池薄膜。高分子有机光电涂料的制备将聚噻吩和富勒烯(巴溪仪器有限公司的P-100)按I 1的质量配比溶入三氯甲烷有机溶剂液中，形成有机光电涂料。窗口区的制备利用旋涂机，将聚合物聚3,4-乙撑二氧噻吩(PED0T:PSS，739332Sigma-Aldrich)水溶剂旋涂在透明电极上，形成窗口区。旋涂速度为1000 2000转每分钟。
透明电极的制备采用溅射法制备AZO层，玻璃衬底温度为室温，载气为氩气或者氩氢混合气，其中氢气小于10%，反应气压为0.1Pa，气体流量5sccm，功率为100W，靶距为5cm，其中N2作为载气。沉积厚度约为500nm。本例制备的太阳能电池极大的提高了光生载流子的收集效率，提高了太阳能电池的光电转换效率；并且，利用背电极插入结构的突起纳米阵列提高了陷光效应。以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
权利要求
1.一种背电极，所述背电极为连续的导电薄膜，其特征在于所述导电薄膜的正面表面上具有凸起的纳米阵列。
2.根据权利要求1所述的背电极，其特征在于所述凸起的纳米阵列为纳米箔的阵列或纳米纤维的阵列。
3.根据权利要求2所述的背电极，其特征在于所述纳米纤维的直径或最大跨度为 5 IOOOnm,所述纳米箔的厚度为I IOOOnm,凸起的高度为lOnnTlmm。
4.根据权利要求广3任一项所述的背电极，其特征在于所述纳米阵列的间距为 50nnTl0mmo
5.根据权利要求Γ3任一项所述的背电极，其特征在于所述背电极的材料为导电的金属材料、导电的无机非金属材料或导电的有机高分子材料中的至少一种；所述导电的金属材料选自铜、镍、锌、锡、镁、铝、锰、铬、镉、碲、铟、锑、钛、金、钼、钥和银中的一种或者几种；所述导电的无机非金属材料选自石墨烯、纳米碳管、不定性碳、氧化锌铝、氧化铟锡、掺氟的氧化锡及它们的合金或组成的复合材料中的一种或者几种；所述导电的有机高分子材料选自聚苯胺，聚噻吩，聚吡咯，聚苯乙炔，聚乙炔，聚苯撑， 聚苯硫醚，富勒烯及它们的衍生物中的一种或者几种。
6.—种背电极吸收层复合结构，所述复合结构包括固定连接的背电极和吸收层，所述吸收层的背面与所述背电极的正面固定接触连接，其特征在于所述背电极为权利要求 f 5任一项所述的背电极，背电极正面的凸起的纳米阵列插入到所述吸收层内。
7.根据权利要求6所述的复合结构，其特征在于所述吸收层的材料选自二六族化合物、三五族化合物、硅材料、有机光电材料和染料敏化材料中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的复合结构,其特征在于所述二六族化合物选自CdTe材料、 CuInSe材料、CuInGaSe材料和CuZnSeS材料中的至少一种；所述三五族化合物选自GaAs材料、InP材料和InGaP材料中的至少一种；所述硅材料选自单晶硅、多晶硅、硅薄膜和纳米硅晶颗粒中的至少一种；所述有机光电材料选自酞青锌、甲基叶林、蒽、联苯、半菁类及其衍生物和聚噻吩中的至少一种；所述染料敏化材料包括TiO2和染色剂，所述染色剂包括无机材料或有机材料，所述无机材料包括钌染料，所述有机材料选自吲哚啉类染料、香豆素类染料、三苯胺类染料、菁类染料、方酸类染料、二烷基苯胺类染料、咔唑类染料、芴类染料、二萘嵌苯类染料、四氢喹啉类染料、叶啉类染料和酞菁类染料中的至少一种。
9.根据权利要求61任一项所述的复合结构，其特征在于所述吸收层的维度为纳米颗粒、薄膜、块体、薄膜与薄膜叠层、薄膜与块体叠层中的一种。
10.一种具有权利要求1、任一项所述的背电极或权利要求6、任一项所述的背电极吸收层复合结构的太阳能电池。
全文摘要
本申请涉及光电转换材料领域，具体公开了一种背电极以及含有该背电极的背电极吸收层复合结构以及太阳能电池。该背电极为连续的导电薄膜，并且在其导电薄膜的正面表面上具有凸起的纳米阵列。在背电极吸收层复合结构或太阳能电池中，背电极的凸起的纳米阵列是插入到吸收层内的。本申请设计的插入到吸收层的背电极纳米阵列与电池吸收层的晶粒尺寸相适应，缩短了光生载流子在吸收层中的扩散距离，并且尽可能的避免了吸收层中晶界处缺陷对载流子的复合，极大的提高了光生载流子的收集效率。并且，该纳米阵列结构还能形成尖端电极，产生纳米“避雷针”效应，增强陷光效应，产生量子中间层效应等，使得制备的太阳能电池光电转换效率大幅提高。
文档编号H01L31/0224GK103000709SQ201210486809
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者吴忠振, 潘锋, 梁军, 周航 申请人:北京大学深圳研究生院