一种可提高太阳光能利用率的组合太阳能电池的制作方法
本发明涉及薄膜太阳能电池领域，尤其涉及一种可提高太阳光能利用率的组合太阳能电池。
背景技术：
目前获得不同程度应用的各类太阳能电池主要包括：硅系太阳能电池(如单晶硅、多晶硅、非晶硅等薄膜太阳能电池)、多元无机化合物电池(以无机盐如砷化镓iii-v化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池)、纳米晶太阳能电池(npc)，和有机聚合物太阳能电池等。太阳能电池的基本工作原理是p-n结光生伏打(photovoltaic)效应，为提高太阳能电池的光电转换效率，国际上的研究工作主要集中在材料物理、太阳能电池新型结构等方面。
无机类太阳能电池。以硅系材料为代表，其最大优势是可达较高的光电能转换效率(单晶硅类可达19％以上，非单晶硅类可达10％以上)。但各类无机类太阳能电池的制造工艺都不能回避溅射、蒸镀、cvd、高纯度硅晶体生长制备、掺杂等薄膜工艺和物理或化学加工手段，虽制造工艺较成熟，但设备繁多、工艺复杂、代价高昂，电池制造面积受限，且存在环境污染风险；另外，可供应硅系太阳电池的头尾硅料愈来愈少，原材料价格越来越高，致使制造成本高居不下，产品也只能在政府支持的示范项目中得以应用，要获得民间或工业上广泛而自发的应用还存在一定的困难。
多元无机化合物薄膜电池。为了寻找硅系电池的替代品，其它材料的太阳能电池，如包括砷化镓iii-v族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒等。尽管该类电池具有高于非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率，成本也较单晶硅电池低，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染。因此，从材料来源看，这类太阳能电池将来也不可能占据主导地位，还不是硅系太阳能电池理想替代品。纳米晶太阳能电池。随着瑞士洛桑大学michael
聚合物太阳能电池。近十数年来，以聚合物代替无机材料是太阳能电池的一个新研究方向，并认为其将具有极大的效能价格比优势。通过制备电子施主型(donor)与电子受主型聚合物半导体(acceptor)，可以获得类似硅系列半导体p-n结一样的界面(施主与受主聚合物形成所谓异质结(hetero-
junction))。psc的优势为：低成本，原材料合成、聚合物涂铺或沉积工艺简单，可以连续、大面积、成卷生产(roll-to-roll)成可卷展的形成，体积超薄、重量轻，特别是具有力学柔性，能够在不占有空间资源和破坏原有被覆盖物表面特征的前提下，表贴于各种物面(如，各类交通工具、建筑、服装、媒体广告、甚至于跨幅数百米的太空太阳帆)，获得全方位的太阳能资源。据国外资料估算，psc的生产成本仅为等面积硅系太阳能电池的10％以下。但与无机材料相比，由于电子在聚合物中的越迁能级较高，光诱导电荷的密度较低，导致其光电能转换效率低下。目前，psc在实验室条件下获得的最佳能量转换效率仅为6％以下。但据加州大学洛杉矾分校(ucla)称，psc的转换效率预计最终可达15％～20％，使用期限可达15～20年。另据国外测算，当psc的能量转换效率达到8％以上后，将可取代现有的无机太阳能电池而获得广泛的民用。
在材料物理范畴之外，太阳能电池的结构同样对其光电转换效能起着至关重要的作用。改变结构的目标就是要提高异质结的实际界面面积，增加光诱导电荷密度，提高电池的光电效能。已有的结构包括：
表面蚀刻粗化。采用集成电路制造工艺中的光刻、刻蚀技术，在硅晶薄膜的表面实现织构化、发射区钝化、分区掺杂、刻槽埋栅电极等工艺措施(如德国夫朗霍费莱堡太阳能系统研究所)，在一定程度上增加了硅系p-n结的实际界面面积，使得电池转化效率有所提高(提高2～3％)。该技术由于附加工艺的成本太高，进一步增加了制造成本，所以难以获得广泛应用。类似的表面工艺只适合于硅、石英等硬制材料，对于聚合物等柔性材料不具备技术上的可行性。其当然也可在聚合物上形成不规则微结构以增加界面的实际接触面积，但同时会引发不希望的材料改性。
多层光锁电池结构。针对硅系太阳能电池对光高反射率的特点，在普通的硅系电池上再制作出一层具有漏光空洞阵列的双面电池，两层电池之间填充高透光有机材料。该结构具有三个光电转换面，并且通过漏光空洞进入底层电池的光在上下两层电池之间不断反射，进行光电转换。如德国夫琅和费光电实验室开发的原型电池，在同等面积上的光电转换效率提高了6～8％。该结构在证明结构对光电效能的影响下，具有不可推广实用的缺陷，即制造工艺极为复杂(需增加双面曝光、双面刻蚀、双面离子注入、键合等工艺)，成倍昂贵，不具备规模生产能力；电池结构非常脆弱，极易损坏，难以形成产品推向市场。psc双层异质结结构。采用psc异质结叠层的方式，虽然该结构能够成倍提高异质结的实际界面面积，在同等受光面积的前提下提高光电效能。如奥地利林茨聚合物光电实验室提出的双层psc结构，其转换效率从3％提高到4.3％。但是，该种电池结构势必使得厚度成倍增加，重量加大，丧失力学柔性，而转换效能还是赶不上无机材料。另外，两层异质结之间必须存在金属电极薄膜，会产生反射、散射等降低光通量的现象。过于薄的金属电极也会降低光诱导载流子的聚集能力，从而降低光电效能。因此，简单通过异质结叠层的方式来会对光电转换效能的提高有一定的帮助，但也会牺牲psc轻、薄、柔性等的优势特性。
psc扭曲异质结结构。为保持psc的力学柔性，又能够提高其光电效能，日本先进技术发展实验室通过化学溶解作用将平面异质结结构扭曲成微波浪形，提高了异质结的实际界面面积，增加光诱导电荷密度，其光电转换效率从2.5％提高到了3.5％。该制造方法非常简单，制造成本也不会有大的提高。但是，该方法需要大量化学试济对异质结的处理，存在化学废液的处理负担和环境污染的风险。另外，制造出的异质结结构属于随机无序状态，难以保证批量电池生产候的光电效能稳定性。
固然，材料的改进和结构的变化对提高太阳能电池光电效能都有显著作用，同时也带来不利于规模化生产和民间自发使用市场形成的负面影响。只有二者结合，才会在保证原有优势特点的基础，进一步提高太阳能电池的整体性能。
我国目前在太阳能电池的研究开发上与国际水平差距较大，制造技术大多沿袭国外的现成工艺，缺乏具有自主知识产权的太阳能电池制造技术，倍受受国际上种种技术壁垒制约，生产成本高居不下，难以现成民间自发使用市场。因此，加大对创新工艺、创新技术的研究，获取具有自主知识产权的技术，是我国在该领域实现跨越式发展的必由之路。
传统硅晶电池虽然技术成熟，但由于是硅晶材料，大多有一层钢化玻璃作为防护，造成重量大、携带不便、抗震能力差、造价高、易破碎、生产过程高能耗等问题。近年来，全球太阳能电池行业正在发生革命性的变化，非晶硅材料的薄膜类太阳能电池将成主流。薄膜太阳能电池种类也众多，主要包含有硅薄膜类、化合物半导体类，染料敏化纳米晶太阳能电池较之有机化合物太阳能电池的具有显著效率优势，是有机太阳能电池的2倍以上，较之硅系太阳能电池则具有低得多的材料和制造成本，只有硅系太阳能电池的1/20、较之多元无机化合物太阳能电池还免去了可能出现环境污染的风险，被认为是具有巨大应用前景的一种新型太阳能电池。
现有已公布未授权专利文件cn103903865a公布了一种染料敏化太阳能电池，其主要技术方案为一种染料敏化太阳能电池，包括光电极、与光电极对置的对电极和保持在光电极与对电极之间的电解质层，所述光电极远离电解质层的一侧设有防紫外线层。与本发明解决的问题相同，但与本发明技术方案不同。
技术实现要素：
本发明的目的是解决上述问题，提供一种体积超薄、质量较轻且无毒无污染的一种可提高太阳光能利用率的组合太阳能电池。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可提高太阳光能利用率的组合太阳能电池，包括电池本体，电池本体结构包含微结构聚合物异质结及纳米晶离散岛阵列异质结；
进一步的，所述电池本体最外层为导电玻璃，在所述导电玻璃里面从上向下依次为：能级调节层，电解质，染料敏化层，纳米晶半导体层，金属电极层；所述导电玻璃分为正电极与负电极；太阳光经过所述正电极，穿过异质结界面变为负电极；导电玻璃起着传输和收集正、负电极电子的作用。
进一步的，所述金属电极层与异质结界面之间为粗化界面，入射光穿过异质结界面经粗化界面形成反射光，反射光经过异质结界面形成多次反射光。
进一步的，所述微结构聚合物异质结为三维微结构聚合物异质结。
作为本发明的一种优选技术方案，所述金属电极层采用铂或铝。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电解质为聚合物掺杂准固态电解质。
作为本发明的一种优选技术方案，所述纳米晶半导体层采用tio2，zno，sno2或nb2o5，tio2是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料，目前是光电转换效率最高的纳米半导体材料。
作为本发明的一种优选技术方案，其采用ito薄膜。
本发明所述的柔性薄膜太阳能电池的基本结构包含了三维微结构聚合物异质结和纳米晶离散岛阵列异质结，在高发泡聚苯乙烯(psc)保证电池的超薄、超轻、柔性特性的基础上，利用离散化npc岛(不至于影响电池整体的力学柔性)的高光电效能来提高太阳能电池的整体光电转换效率；该电池的基本制造工艺是采用压印这种低成本、高效率、精确的微纳结构复制技术，在柔性基底上植入纳米晶半导体离散岛阵列(微米级或亚毫米级，不至于改变基底力学柔性特性)，并压印成形p型聚合物半导体上生成深亚微米的结构，使得电池整体异质结实际界面面积扩大，同时具有锁光功能，大大提高光诱导电荷密度，进一步增加电池光电转换效率。
(1)栅格化的纳米晶电池阵列设计及成型工艺：
通过有机填料(硅橡胶类)吸收由于纳米晶太阳能电池几何变形而产生的内应力，防止电池内部开裂，导致电池短路；同时，将大面积纳米晶太阳能电池栅格化成并联的小面积电池阵列，亦可维持纳米晶太阳能电池固有的高效率。
(2)微压印植入及外能场诱导分子级敏化染料扩散技术：
采用超声振动(压电超声振动源)加速染料分子的扩散速度，采用红外加热，增加染料分子的活性，同时降低纳米晶浆料的粘度；外场诱导下敏化染料在纳米晶膜中的充分扩散，也可保证这常温工艺制造电池的高光电转换效率。
(3)电荷复合阻挡层微压印成型技术：
精确压印下压载荷与染料扩散控制相结合，满足染料分子在纳米晶薄膜空间中最大程度扩散的同时，保证阴极界面附近5～20nm厚度范围的纯纳米晶致密层，形成对染料分子与电极之间的阻挡效果，杜绝电极板上的自由电子与激发态染料分子的接触、二次复合。同时，外能场诱导压印形成纳米晶薄膜呈密度梯度分布，该特征一定程度上能够起到扩大原有能带范围的作用。
本发明的有益效果在于：
以微压印将大面积纳米晶薄膜栅格化、以敏化染料的微压印植入和外能场诱导分子扩散替代纳米晶高温烧结和后续染料浸泡扩散，以释放纳米晶膜内的应力，从而实现电池板的柔性和大面积，并维持其光电转换效率。本发明采用的ito薄膜具有高导电率、高可见光透过率、高机械硬度和良好的化学稳定性；金属电极层采用铂或铝，铝在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜，具有质轻、良好的导电和导热性能、高反射性和耐氧化性等特点；铂能提高太阳光的吸收效率，并起着催化剂的作用。半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，准固态电解质稳定性高，可以有效防止电解质泄漏和挥发；染料敏化太阳能电池的光电转化效率稳定在10％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，整体指标可以达到替代已有单晶硅太阳能电池的水平。本发明结构简单、生产工艺简单，易于大规模工业化生产；制备电池耗能较少，能源回收周期短；生产过程中无毒无污染，体积超薄、重量轻，特别是具有力学上的柔软性，能够在不占有空间资源和破坏原有被覆盖物表面特征的前提下，表贴于各种物体表面，比如各类交通工具、建筑、服装、媒体广告、甚至于跨幅数百米的太空太阳帆等，值得大规模推广及使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电荷迁移原理示意图；
图3为本发明的异质结微结构整体示意图；
图4为本发明的异质结微结构放大结构示意图；
图5为本发明的npc离散岛异质结阵列图；
图6-图8为本发明的光电能转换关系图。
具体实施方式
如图1及图5所示，一种可提高太阳光能利用率的组合太阳能电池，包括电池本体8，其采用微压印将大面积纳米晶薄膜栅格化，采用外能场诱导分子扩散，形成微结构聚合物异质结91及纳米晶离散岛阵列异质结93；所述电池本体8最外层为导电玻璃2，在所述导电玻璃2里面从上向下依次为：能级调节层3，电解质4，染料敏化层5，纳米晶半导体层6，金属电极层7；
如图6至图8所示，所述导电玻璃2分为正电极与负电极；太阳光1经过所述正电极，穿过异质结界面9变为负电极；导电玻璃2起着传输和收集正、负电极电子的作用。
如图3-图4，所述金属电极层7与异质结界面9之间为粗化界面92，入射光11穿过异质结界面9经粗化界面92形成反射光12，反射光12经过异质结界面9形成多次反射光13。
进一步的，所述微结构聚合物异质结91为三维微结构聚合物异质结。
利用纳米压印高制造效率、低制造成本的技术特征，对传统纳米晶材料进行大面积栅格结构化压印成膜，增加了纳米晶活化层吸收光程和活化层/电解液的有效接触面积，相应的成膜工艺减小了活化层薄膜制备时的残余应力；最终，实现光电转换效率及物理特性稳步提升。采用纳米压印图形化这种纯机械工艺，实现表面微纳结构精确复制，代替传统的复杂浆料配制及高温烧结工艺环节，避免了纳米晶薄膜材料改性；通过超声等外能场诱导方式进行敏化染料的植入，取代纳米晶活化层长时间浸泡/吸附的关键工艺环节；针对原型器件结构的优化如：在纳米晶活化层界面生长纳米线结构，增强薄膜粘附性、电子传输速率和光吸收；对电极微纳结构化，提高其比表面、加快反应速度，增强活化层光二次吸收，减少电荷在活化层中的复合及光能的损失。
作为本发明的一种优选技术方案，所述金属电极层7采用铂或铝。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电解质4为聚合物掺杂准固态电解质。
作为本发明的一种优选技术方案，所述纳米晶半导体层6采用tio2，
zno，sno2或nb2o5，tio2是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料，目前是光电转换效率最高的纳米半导体材料。
作为本发明的一种优选技术方案，其特征在于，其薄膜采用ito薄膜。
本发明所述的柔性薄膜太阳能电池的基本结构包含了三维微结构聚合物异质结91和纳米晶离散岛阵列异质结93，在高发泡聚苯乙烯(psc)保证电池的超薄、超轻、柔性特性的基础上，利用离散化npc岛(不至于影响电池整体的力学柔性)的高光电效能来提高太阳能电池的整体光电转换效率；本太阳能电池的基本制造工艺是采用压印这种低成本、高效率、精确的微纳结构复制技术，在柔性基底上植入纳米晶半导体离散岛阵列(微米级或亚毫米级，不至于改变基底力学柔性特性)，并压印成形p型聚合物半导体上生成深亚微米的结构，使得电池整体异质结实际界面面积扩大，同时具有锁光功能，大大提高光诱导电荷密度，进一步增加电池光电转换效率。
(1)栅格化的纳米晶电池阵列设计及成型工艺：
通过有机填料(硅橡胶类)吸收由于纳米晶太阳能电池几何变形而产生的内应力，防止电池内部开裂，导致电池短路；同时，将大面积纳米晶太阳能电池栅格化成并联的小面积电池阵列，亦可维持纳米晶太阳能电池固有的高效率。
(2)微压印植入及外能场诱导分子级敏化染料扩散技术：
采用超声振动(压电超声振动源)加速染料分子的扩散速度，采用红外加热，增加染料分子的活性，同时降低纳米晶浆料的粘度；外场诱导下敏化染料在纳米晶膜中的充分扩散，也可保证这常温工艺制造电池的高光电转换效率。
(3)电荷复合阻挡层微压印成型技术：
精确压印下压载荷与染料扩散控制相结合，满足染料分子在纳米晶薄膜空间中最大程度扩散的同时，保证阴极界面附近5～20nm厚度范围的纯纳米晶致密层，形成对染料分子与电极之间的阻挡效果，杜绝电极板上的自由电子与激发态染料分子的接触、二次复合。同时，外能场诱导压印形成纳米晶薄膜呈密度梯度分布，该特征一定程度上能够起到扩大原有能带范围的作用。
如图2，lumo：未占有电子的能级最低的轨道称为最低未占轨道；
homo：已占有电子的能级最高的轨道称为最高已占轨道。lumo和homo统称为前线轨道。分子轨道中能量最高的填有电子的轨道和能量最低的空轨道在反应中是至关重要的。能量最高的已占分子轨道(简称homo)上的电子被束缚得最松弛，最容易激发到能量最低的空轨道(简称lumo)中去，其中ito为电子施主型(donor)，al为电子受主型聚合物半导体(acceptor)。
染料敏化太阳能电池的工作原理：
a)染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；
b)处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；
c)电子扩散至导电基底，后流入外电路中；
d)处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；
e)氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；
f)分别为注入到tio2导带中的电子和氧化态染料间的复合；
g)导带上的电子和氧化态的电解质间的复合。
染料敏化层主要是选用的染料敏化剂主要是吸收太阳光，其性能直接决定染料敏化太阳能电池的光电转换效率，一般比较理想的染料敏化剂应满足以下要求：
a)具有宽的光谱响应范围，即能在尽可能宽的光谱范围内吸收太阳光能，一般认为波长920nm以下的太阳光是有效的；
b)可以与纳米半导体表面牢固结合，并以高的量子效率将光激发电子注入到纳米半导体的导带中去；
c)具有较高的稳定性，可经历108次氧化还原反应，相当于在太阳光底下稳定20年；
d)具有足够高的氧化还原电势，使其能迅速结合电解质溶液或者空穴导体中的电子给体而再生。
用于染料敏化太阳能电池的导电基底通常是将透明的n型半导体材料，如ito，包裹在玻璃上形成透明导电玻璃2，ito导电薄膜可以通过化学气相沉积、阴极溅射、溅射热解、电子束蒸发和氧离子束辅助沉积等方法在玻璃上制备。
本发明采用的ito薄膜具有高导电率、高可见光透过率、高机械硬度和良好的化学稳定性；金属电极层采用铂或铝，铝在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜，具有质轻、良好的导电和导热性能、高反射性和耐氧化性等特点；铂能提高太阳光的吸收效率，并起着催化剂的作用。半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，准固态电解质稳定性高，可以有效防止电解质泄漏和挥发；染料敏化太阳能电池的光电转化效率稳定在10％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，整体指标可以达到替代已有单晶硅太阳能电池的水平。本发明结构简单、生产工艺简单，易于大规模工业化生产；制备电池耗能较少，能源回收周期短；生产过程中无毒无污染，体积超薄、重量轻，特别是具有力学上的柔软性，能够在不占有空间资源和破坏原有被覆盖物表面特征的前提下，表贴于各种物体表面，比如各类交通工具、建筑、服装、媒体广告、甚至于跨幅数百米的太空太阳帆等，值得大规模推广及使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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