一种单层太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种单层太阳能电池，包括透明绝缘衬底、在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层、阴极电极层和有机保护层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值，所述阴极电极层由单层、双层或多层石墨烯薄膜形成，厚度为0.5-10nm，所述光敏层的厚度为100-1000nm，在基底层背面未被背面接触件覆盖的部分以及背面接触件上形成有第二钝化层，所述第二钝化膜的折射率在2.6以上。所述单层太阳能电池在其阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，金属纳米颗粒层的功函数值低于阴极电极层功函数值，通过背面设置钝化层进一步提高太阳能电池的效率。
【专利说明】一种单层太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池【技术领域】，尤其涉及一种单层太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是一种将光能转换为电能的光伏器件。从1954年贝尔实验室报道了效率为4%的无机太阳能电池开始，半个世纪以来，太阳能电池获得了飞速的发展，在全球范围内都掀起来一场“绿色能源革命”。20世纪90年代以后，无机太阳能电池家族中又发展起来了砷化镓、碲化镉等等光伏器件。但是，直到今天，居高不下的成本是限制无机半导体太阳能电池大规模推广应用的首要问题。然而成本问题主要还是由无机材料本身带来的，所以只有真正低成本的绿色能源才是解决能源问题有效途径。
[0003]有机太阳能电池的研宄始于1958年，Keams和Calvin将镁酞菁染料(MgPc)夹在两个不同功函数的电极之间，制成“三明治”结构，从而得到了 200mV的开路电压，但是其短路电流输出则非常低，所以其能量转换效率也相对较低。这种单层太阳能电池结构，在1986年被C.ff.Tang采用双层异质结结构所替代，得到了 1 %的能量转换效率。
[0004]能量转换效率得到大幅提升的原因即是认为双层异质结结构提供一个高效的激子拆分的界面，也即是说双层异质结构使得中性的电子-空穴对拆分成自由载流子变得更加的容易。显而易见的是，双层异质结构的引入大大增加了有机太阳能电池器件的复杂程度，而且由于异质结结构的质量对整个电池的输出是至关重要的，所以对异质结生长的控制要求相对较为苛刻。
[0005]因此，如果能够在原有单层“三明治”结构有机太阳能电池的基础上加以改进，也能够得到异质结光伏电池的性能要求的话，则必将进一步简化有机太阳能电池的生产程序，并且能够降低其工艺成本。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种单层太阳能电池，包括透明绝缘衬底、在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层、阴极电极层和有机保护层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值，所述阴极电极层由单层、双层或多层石墨稀薄膜形成，厚度为0.5-10nm，所述光敏层的厚度为100-1000nm，在基底层背面未被背面接触件覆盖的部分以及背面接触件上形成有第二钝化层，所述第二钝化膜的折射率在
2.6以上。
[0007]进一步地，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为锂、铯、钾、钠中的至少一种金属纳米颗粒。
[0008]进一步地，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值为4.3_2eV，所述金属纳米颗粒层的厚度为0.5-lnm。
[0009]进一步地，所述透明绝缘衬底的材质为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚酯；
[0010]所述透明阳极电极层是材质为氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌镓、氧化铟锌、金、铝、银或碳纳米管的导电薄膜；
[0011]所述光敏层的材质为酞菁染料、并五苯、扑啉化合物、菁染料、富勒烯、PTCDA、二奈嵌苯、二奈嵌苯衍生物、CdSe、CdS、CdTe、Ti02、ZnO、PbS、Sn02 ；
[0012]所述透明绝缘衬底的厚度为1.1-1.5mm ；
[0013]所述透明阳极电极层的厚度为80-120nm。
[0014]相应地，本发明还提供了一种单层太阳能电池制备方法，其包括如下步骤:
[0015]制备透明绝缘衬底；
[0016]在所述透明绝缘衬底的其中一面上形成透明阳极电极层；
[0017]在透明阳极电极层上沉积光敏材料，形成光敏层；
[0018]在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层，从而得到所述的单层太阳能电池，其中，所述阴极电极层至少一面层叠有金属纳米颗粒层；
[0019]其中，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值；
[0020]所述在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层通过以下三种形成步骤中任意一种实现:
[0021]先在光敏层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，再将浸泡在FeC13溶液中的单层、双层或多层石墨烯薄膜转移到金属纳米颗粒层上形成阴极电极层；
[0022]或者，先将浸泡在FeC13溶液中的单层、双层或多层石墨烯薄膜转移到光敏层上，再在石墨烯薄膜上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层；
[0023]或者，先在光敏层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，再将浸泡在FeC13溶液中的单层、双层或多层石墨烯薄膜转移到金属纳米颗粒层上，形成阴极电极层，然后在阴极电极层上沉积金属纳米颗粒，形成另一金属纳米颗粒层。
[0024]进一步地，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为锂、铯、钾、钠中的至少一种金属纳米颗粒。
[0025]进一步地，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值为4.3_2eV，所述金属纳米颗粒层的厚度为0.5-lnm。
[0026]本发明的单层太阳能电池，具有如下有益效果:
[0027]所述单层太阳能电池在其阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，金属纳米颗粒层的功函数值低于阴极电极层功函数值，通过背面设置钝化层进一步提高太阳能电池的效率。对阴极电极层进行修饰，降低了阴极电极层的功函数，从而进一步增大了阴极电极层与透明阳极电极层之间功函数差，从而进一步增强了单层太阳能电池器件的内建电场，从而提高了对激子拆分的效率，最终提升单层太阳能电池的能量转换效率。同时，单层太阳能电池器件的制备方法是将该太阳能电池器件各层依次形成，使得各层的连接紧密、牢固，从而使得该太阳能电池器件性能稳定，生产效率高，降低了生产成本，适于工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。
[0029]图1是本发明实施例的单层太阳能电池第一实施方式的结构示意图；
[0030]图2是本发明实施例的单层太阳能电池第二实施方式的结构示意图；
[0031]图3是本发明实施例的单层太阳能电池第三种实施方式的结构示意图。
[0032]图中:1-阴极电极层，2-金属纳米颗粒层，3-光敏层，4-透明阳极电极层，5-透明绝缘衬底。
【具体实施方式】
[0033]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0034]本发明提供了一种单层太阳能电池，包括透明绝缘衬底、和在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层和阴极电极层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值，所述阴极电极层由单层、双层或多层石墨烯薄膜形成，厚度为0.5-10nm，所述光敏层的厚度为100-1000nm，在基底层背面未被背面接触件覆盖的部分以及背面接触件上形成有第二钝化层，所述第二钝化膜的折射率在2.6以上。本实施例单层太阳能电池有以下三种实施方式:
[0035]请参阅图1，显示本发明实施例的单层太阳能电池第一实施方式的结构示意图。本实施方式中，该单层太阳能电池包括透明绝缘衬底5、和在透明绝缘衬底5上依次层叠形成的透明阳极电极层4、光敏层3、金属纳米颗粒层2和阴极电极层1。由于金属纳米颗粒层2中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层1的功函数值，因此，阴极电极层1化学性稳定，难被氧化，而金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒化学性活泼，易被氧化，本实施方式是将金属纳米颗粒层2设置在光敏层3、阴极电极层1之间，也即是将金属纳米颗粒层2层叠形成在阴极电极层1靠近光敏层3的一面上，从而有效的将金属纳米颗粒层2与氧气隔绝，有效的保护了金属纳米颗粒层2不被氧化，使得金属纳米颗粒层2的功能性稳定。
[0036]请参阅图2，显示本发明实施例的单层太阳能电池第二实施方式的结构示意图。本实施方式中，该单层太阳能电池包括透明绝缘衬底5、和在透明绝缘衬底5上依次层叠形成的透明阳极电极层4、光敏层3、金属纳米颗粒层2、阴极电极层1和金属纳米颗粒层2’，其中金属纳米颗粒层2和金属纳米颗粒层2’的材质可以为一样或不一样，均为功函数值低于阴极电极层的功函数值的金属纳米颗粒。本实施方式是在阴极电极层1的两面上均层叠形成有金属纳米颗粒层，由上述分析可知，由于金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层1的功函数值，因此，阴极电极层1化学性稳定，金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒化学性活泼，而本实施方式是将金属纳米颗粒层层叠设置在阴极电极层1两面，从而有效的将层叠在阴极电极层1上靠近光敏层3 —面的金属纳米颗粒层2与氧气隔绝，有效的保护了金属纳米颗粒层2不被氧化，使得金属纳米颗粒层2的功能性稳定，层叠在阴极电极层I另一面上的也即是暴露在大气中的金属纳米颗粒层2’的表面随着时间的推移，将被慢慢氧化，从而使得金属纳米颗粒层2’的功能稳定性有所降低，但是并不影响本实施方式中的单层太阳能电池整体性能。为了防止金属纳米颗粒层2’被氧化，可以在金属纳米颗粒层2’外表面涂上一层抗氧化保护膜层。
[0037]请参阅图3，显示本发明实施例的单层太阳能电池第三种实施方式的结构示意图。本实施方式中，该单层太阳能电池包括透明绝缘衬底5、和在透明绝缘衬底5上依次层叠形成的透明阳极电极层4、光敏层3、阴极电极层I和金属纳米颗粒层2’，其中金属纳米颗粒层2’的材质与上述两种实施方式中的金属纳米颗粒层2的材质是一样的。该实施方式是在背离光敏层3的阴极电极层I的一面上层叠有金属纳米颗粒层2’，也即是将金属纳米颗粒层2’层叠在阴极电极层I的外表面，由上述分析可知，由于金属纳米颗粒层2’中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层I的功函数值，因此，阴极电极层I化学性稳定，金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒化学性活泼，易被氧化，但是本实施方式阴极电极层I不能有效的保护金属纳米颗粒层2’不被氧化，使得暴露在大气中的金属纳米颗粒层2’的随着时间的推移，其表面的金属纳米颗粒将被慢慢氧化，从而使得金属纳米颗粒层2’的功能稳定性有所降低，从而导致本实施方式中的单层太阳能电池整体性能也有所下降。但是金属纳米颗粒层2’表面的被氧化的金属纳米颗粒将起到保护层的作用，对金属纳米颗粒层2’靠近阴极电极层I的内部金属纳米颗粒起到隔绝氧的作用，使得金属纳米颗粒层2’靠近阴极电极层I的内部金属纳米颗粒不被氧化，使得金属纳米颗粒层2’的功能性趋于稳定。从而使得本实施方式的单层太阳能电池整体性能也趋于稳定。为了防止金属纳米颗粒层2’被氧化，可以在金属纳米颗粒层2’外表面涂上一层抗氧化保护膜层。
【权利要求】
1.一种单层太阳能电池，其特征在于:包括透明绝缘衬底、在透明绝缘衬底上依次层叠形成的透明阳极电极层、光敏层、阴极电极层和有机保护层，所述阴极电极层至少一面形成有金属纳米颗粒层，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值，所述阴极电极层由单层、双层或多层石墨烯薄膜形成，厚度为0.5-10nm，所述光敏层的厚度为lOO-lOOOnm，在基底层背面未被背面接触件覆盖的部分以及背面接触件上形成有第二钝化层，所述第二钝化膜的折射率在2.6以上。
2.根据权利要求1所述的单层太阳能电池，其特征在于:所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为锂、铯、钾、钠中的至少一种金属纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的单层太阳能电池，其特征在于:所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值为4.3-2eV，所述金属纳米颗粒层的厚度为0.5-lnm。
4.根据权利要求1所述的单层太阳能电池，其特征在于:所述透明绝缘衬底的材质为石英玻璃、硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚酯； 所述透明阳极电极层是材质为氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌镓、氧化铟锌、金、铝、银或碳纳米管的导电薄膜； 所述光敏层的材质为酞菁染料、并五苯、扑啉化合物、菁染料、富勒烯、PTCDA、二奈嵌苯、二奈嵌苯衍生物、CdSe, CdS, CdTe, Ti02、ZnO、PbS、Sn02 ； 所述透明绝缘衬底的厚度为1.1-1.5mm ； 所述透明阳极电极层的厚度为80-120nm。
5.一种单层太阳能电池制备方法，其包括如下步骤: 制备透明绝缘衬底； 在所述透明绝缘衬底的其中一面上形成透明阳极电极层； 在透明阳极电极层上沉积光敏材料，形成光敏层； 在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层，从而得到所述的单层太阳能电池，其中，所述阴极电极层至少一面层叠有金属纳米颗粒层； 其中，所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值低于阴极电极层的功函数值；所述在光敏层上沉积层叠的金属纳米颗粒层和阴极层通过以下三种形成步骤中任意一种实现: 先在光敏层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，再将浸泡在FeC13溶液中的单层、双层或多层石墨烯薄膜转移到金属纳米颗粒层上形成阴极电极层； 或者，先将浸泡在FeC13溶液中的单层、双层或多层石墨烯薄膜转移到光敏层上，再在石墨烯薄膜上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层； 或者，先在光敏层上沉积金属纳米颗粒，形成金属纳米颗粒层，再将浸泡在FeC13溶液中的单层、双层或多层石墨烯薄膜转移到金属纳米颗粒层上，形成阴极电极层，然后在阴极电极层上沉积金属纳米颗粒，形成另一金属纳米颗粒层。
6.根据权利要求5所述的单层太阳能电池制备方法，其特征在于:所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒为锂、铯、钾、钠中的至少一种金属纳米颗粒。
7.根据权利要求1所述的单层太阳能电池制备方法，其特征在于:所述金属纳米颗粒层中金属纳米颗粒的功函数值为4.3-2eV，所述金属纳米颗粒层的厚度为0.5-lnm。
【文档编号】H01L51/44GK104485422SQ201410677719
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】郭文锦, 骆艺, 蔡桂钧 申请人:广西智通节能环保科技有限公司