CN201213139Y - 纳米薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

一种具有纳米尺度微观构造光活性材料层的薄膜太阳能电池。它包括UV保护层、增透光层、玻璃基板或透明塑料板、透明上电极、纳米级微观构造光活性材料层、金属下电极、绝缘隔离壁、引出电极、有机和无机材料复合覆盖保护层等部件，可以利用多部件、多种结构的组合来优化和增加光吸收率、光电转化率以及增加电压和电流的输出特性，其优点是：成本低、重量轻、适宜大面积生产、吸收光谱宽、可柔性化及光电转化效率显著并具有发掘潜力。本实用新型发明适合应用于野外、边远地区自然村落、游牧民生活、军事、建筑、航天、地质、林业、矿山、旅游等诸多领域。

Description

纳米薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能电池，特别涉及一种内含纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能薄膜层的纳米薄膜太阳能电池及其几种实施组装结构。

背景技术

传统的太阳能光伏电池技术主要是基于硅半导体的单晶硅、多晶硅和非晶硅等光伏电池，虽然技术较为成熟，但硅材料制造能耗大、生产成本居高不下，因而不能大规模地推广和应用，特别在发展中国家。因此，要从根本上解决人类目前面临的能源危机，开发利用巨大的取之不尽的太阳能能源，就必须设法降低太阳能电池成本，寻找和开发新一代更廉价和经济的太阳能电池材料和技术。

目前国际上正兴起一股研究和开发有机导电材料的热潮，新发现的一些有机小分子材料，特别是某些高分子聚合物材料具有良好的半导体特性，这类有机半导体材料具有成本低、吸收光谱宽，制作工艺特别简单等特点，可以通过真空热蒸镀、旋转涂覆及喷膜印刷等多种方法制作成耗料极少的薄膜。因此，可以制作出大面积、低成本、轻薄、可卷曲以及可以方便携带的有机薄膜太阳能电池，但目前有机薄膜太阳能电池的光电转换率还不如硅太阳能电池，需要进一步的提高。

太阳能电池的光电转化过程主要包括：光子吸收、激子(或称电子-空穴对)产生、电荷传输、电荷收集等四个步骤，其中对总光电转化率影响较大的是光的吸收率、激子的生成率和电荷的传输、收集率。而这四个过程均发生在具有光伏特性的半导体材料薄膜层中间，即发生在从给-受体异质结界面到正、负电极界面之间，因此，利用纳米加工技术以纳米微观尺寸构造设计和优化给-受体异质结界面结构、激子扩散距离、电荷迁移、收集距离可以显著提高太阳能电池的光电转换率，获得既经济又实用的薄膜太阳能电池。

发明内容

为克服硅太阳能光伏电池成本过高和有机薄膜太阳能电池光电转化率偏低的缺点，本实用新型通过对薄膜太阳能电池的多个部件结构的多种改良设计，特别是对具有光伏特性的有机或无机半导体材料薄膜层的给-受体异质结界面采取的纳米微观尺度的新设计，大大增加了给-受体异质结界面面积，大大提高了有效光激子数量，缩短了电荷迁移距离，因而既降低了太阳能电池的成本又显著提高太阳能电池的光电转换率。

这些部件多种结构组合形成的多种优化方案，显著提高了本纳米薄膜太阳能电池的光电转化效率、降低了成本、提高了光伏电池实用性的电流输出和电压输出。大大拓展了纳米薄膜太阳能电池在户外、野外等无电力条件下的使用，并可以更广泛地应用到农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术实施方案及纳米薄膜太阳能电池的几种组装方案如下：

技术实施方案A：所提供的纳米薄膜太阳能电池包括UV保护层、增透光层、玻璃或透明塑料基板、透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层、金属下电极、引出电极、绝缘隔挡壁及有机和无机材料复合封装覆盖层等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上表面上自下而上依次层叠地设置有增透光层和UV保护层，在玻璃或透明塑料基板的下表面上设置有纳米薄膜太阳能电池件，该纳米薄膜太阳能电池件自上而下依次由层叠地设置的透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层和金属下电极组成，透明上电极和金属下电极间通过绝缘隔挡壁相阻隔，在纳米薄膜太阳能电池外包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层，引出电极分别由纳米薄膜太阳能电池的透明上电极和金属下电极引出。实际制作中，在玻璃或透明塑料基板下表面依次层叠制作出透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层、金属下电极，引出电极、上、下电极和光活性半导体材料功能层及引出电极之间设有一个绝缘隔挡壁，之后再制作上一层有机和无机材料复合封装覆盖层，最后在玻璃或透明塑料基板上表面依次层叠制作上增透光层和UV保护层就形成一种新型纳米薄膜太阳能电池，见图2。

技术实施方案B：所提供的纳米薄膜太阳能电池包括UV保护层、增透光层、玻璃或透明塑料基板、透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层、金属下电极、引出电极、绝缘隔挡壁及有机和无机材料复合封装覆盖层等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上表面上自下而上依次层叠地设置有增透光层和UV保护层，在玻璃或透明塑料基板的下表面上设有纳米薄膜太阳能电池件，该电池件由多个串联连接的纳米薄膜太阳能电池单元组成，各电池单元自上而下依次由层叠设置的透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层和金属下电极构成，各电池单元的透明上电极和金属下电极间通过绝缘隔挡壁相阻隔，在水平方向各电池单元的正、负电极首尾相接串联，在纳米薄膜太阳能电池外包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层，引出电极分别由串联电池单元组的透明上电极和金属下电极引出。实际制作中，在玻璃或透明塑料基板下表面依次层叠制作出透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层、金属下电极、引出电极、上、下电极和光活性半导体材料功能层及引出电极之间设有一个绝缘隔挡壁，先制成多个纳米薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元在水平方向上正、负电极首尾相接串联起来，然后再制作上一层有机和无机材料复合封装覆盖层，最后在玻璃或透明塑料基板上表面依次层叠制作上增透光层和UV保护层就形成一种新型纳米薄膜太阳能电池，它具有提高输出电压特性，见图3。

技术实施方案C：所提供的纳米薄膜太阳能电池包括UV保护层、增透光层、玻璃或透明塑料基板、透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层、金属下电极、引出电极、绝缘隔挡壁及有机和无机材料复合封装覆盖层等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板的上表面上自下而上依次层叠地设置有增透光层和UV保护层，在玻璃或透明塑料基板的下表面上设有纳米薄膜太阳能电池件，该电池件由按垂直方向层叠设置的多个并联连接的纳米薄膜太阳能电池单元组成，各电池单元均由自上而下层叠设置的透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层和金属下电极构成，各电池单元的透明上电极和金属下电极间通过绝缘隔挡壁相阻隔，各电池单元的同性电极分别相连在一起，在纳米薄膜太阳能电池外包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层，引出电极分别由并联电池单元组的透明上电极和金属下电极引出。实际制作中，在玻璃或透明塑料基板下表面依次层叠制作出透明上电极、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层、金属下电极，引出电极、上、下电极和光活性半导体材料功能层及引出电极之间设有一个绝缘隔挡壁，通过同性电极的互连，在垂直方向上制成出多个层叠的纳米薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元的同性电极分别连接并联在一起，再制作上一层有机和无机材料复合封装覆盖层，最后在玻璃或透明塑料基板上表面依次层叠制作上增透光层和UV保护层就形成一种新型纳米薄膜太阳能电池，它具有提高输出电流特性，见图4。

附图说明

图1是无机硅太阳能电池的典型结构图。

图2是本实用新型组装结构1，即基本组装结构图。

图3是本实用新型组装结构2，是基本组装结构在水平方向正、负电极首尾相接的串联结构图。

图4是本实用新型组装结构3，是基本组装结构在垂直方向同性电极分别相连的并联结构图。

图5是本实用新型的增透光层的结构图。

图6是本实用新型的透明上电极的一维、二维和三维结构图。

图7是本实用新型的二维纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层结构图。

图8是本实用新型的三维纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层结构图。

图9是本实用新型的有机和无机材料覆盖保护层的结构图。

图10是本实用新型的UV保护层的聚光特性表面结构图。

01-玻璃基板

02-透明电极

03-P型半导体

04-N型半导体

05-金属电极

1-增透光层

2-玻璃或透明塑料基板

3-透明上电极

4-纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层

5-金属下电极

6-有机和无机材料复合封装覆盖层

7-绝缘隔挡壁

8-引出电极

9-UV保护层

11-低折射率光密媒质

12-中折射率光密媒质

13-高折射率光密媒质

31-一维结构透明上电极

32-二维结构透明上电极

33-三维结构透明上电极

41-二维结构电子受体型有机或无机光活性半导体材料层

42-二维结构电子给体型有机或无机光活性半导体材料层

43-三维结构电子受体型有机或无机光活性半导体材料层

44-三维结构电子给体型有机或无机光活性半导体材料层

61-有机材料覆盖层

62-无机材料覆盖层

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本实用新型的各实施例。

纳米薄膜太阳能电池组装结构1实施例

在图2中，在玻璃或透明塑料基板2下表面依次层叠制作出透明上电极3、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层4、金属下电极5，引出电极8、上、下电极和光活性半导体材料功能层及引出电极之间设有一个绝缘隔挡壁7，之后再制作上一层有机和无机材料复合封装覆盖层6，最后在玻璃或透明塑料基板2上表面依次层叠制作上增透光层1和UV保护层9就形成了所述的一种纳米薄膜太阳能电池。

该纳米薄膜太阳能电池的光转换效率高、成本低、结构紧凑、可靠性高，重量轻、厚度薄，同时具有多种部件不同结构的组合性，可以通过不同部件多种结构的组合来进一步优化和最大化纳米薄膜太阳能电池的光电转化率，拓展了它在农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域的应用。

纳米薄膜太阳能电池组装结构2实施例

在图3中，在玻璃或透明塑料基板2下表面依次层叠制作出透明上电极3、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层4、金属下电极5、引出电极8、上、下电极和光活性半导体材料功能层及引出电极之间设有一个绝缘隔挡壁7，先制成多个纳米薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元在水平方向上正、负电极首尾相接串联起来，然后再制作上一层有机和无机材料复合封装覆盖层6，最后在玻璃或透明塑料基板2上表面依次层叠制作上增透光层1和UV保护层9就形成了所述的一种纳米薄膜太阳能电池。

该纳米薄膜太阳能电池的光转换效率高、成本低、结构紧凑、可靠性高、重量轻、厚度薄，同时具有多种部件不同结构的组合性，可以通过不同部件多种结构的组合来进一步优化和最大化纳米薄膜太阳能电池的光电转化率，其串联结构还可成倍提高太阳能电池的输出电压，拓展了它在农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域的应用。

纳米薄膜太阳能电池组装结构3实施例

在图4中，在玻璃或透明塑料基板2下表面依次层叠制作出透明上电极3、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层4、金属下电极5，引出电极8、上、下电极和光活性半导体材料功能层及引出电极之间设有一个绝缘隔挡壁7，通过同性电极的互连，在垂直方向上制成出多个层叠的纳米薄膜太阳能电池单元，各太阳能电池单元的同性电极分别连接并联在一起，再制作上一层有机和无机材料复合封装覆盖层6，最后在玻璃或透明塑料基板2上表面依次层叠制作上增透光层1和UV保护层9就形成了所述的一种纳米薄膜太阳能电池。

该纳米薄膜太阳能电池的光转换效率高、成本低、结构紧凑、可靠性高、重量轻、厚度薄，同时具有多种部件不同结构的组合性，可以通过不同部件多种结构的组合来进一步优化和最大化纳米薄膜太阳能电池的光电转化率，其并联结构还可成倍提高电池的输出电流，拓展了它在农业、林业、牧业、煤矿、地质、石油、海洋、军事等特殊领域的应用。

增透光层实施例

在图5中，按从下到上光密到光疏次序，依次层叠高折射率光密媒质13、中折射率光密媒质12和低折射率光密媒质11就制成了一个具有减反射光效果的多层增透光层1，光密媒质的层数可以是一层到三层。

透明上电极实施例

在图6中，可以制成一维平面结构电极31式的第一种透明上电极3，或制成具有‘H’形或锯齿波形等透光间隙的二维平面结构电极32式的第二种透明上电极3；或制成既具有透光间隙又具有‘V’形或半圆形等向下突出嵌入柱体的三维立体结构电极33式的第三种透明上电极3，以便增加透光性和增大上电极的接触面积。

有机光活性材料层实施例

在图7中，将分别具有20到200纳米尺寸的相互凹凸配合的锯齿状二维柱体的电子受体型或P型光活性半导体材料膜层41和电子给体型或N型光活性半导体材料膜层42凹凸交错相对地贴合在一起就形成了第一种纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层。

在图8中，将制作成具有20到200纳米尺寸三维长方体柱阵列的电子受体型或P型光活性半导体材料膜层43和制作成与之凹凸对应配合的具有20到200纳米尺寸三维长方形凹坑阵列的电子给体型或N型光活性半导体材料膜层44凹凸交错相对地贴合在一起就形成了第二种纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层。

有机和无机材料复合封装覆盖层实施例

在图9中，在有机太阳能电池上整体覆盖一层有机材料层61，再整体覆盖上一层致密的无机材料层62就制成了一个有机和无机材料复合封装覆盖层6；或多次重复覆盖61层和62层形成一个2层以上的高致密和高隔离度的有机和无机材料复合封装覆盖层6。有机材料层61可以是一种有机材料也可以是不同种有机材料；无机材料层62可以是一种无机材料也可以是不同种无机材料。有机材料层与无机材料层可以有次序层叠也可以任意组合次序层叠。

UV保护层实施例

在图10中，在UV保护层的外表面上压制出许多微小凹坑就制成了具有光汇聚特性的UV保护层9。

具体实施中，本实用新型所述纳米薄膜太阳能电池各部件的多种不同结构可以相互组合形成多个优化和最大化光电转化率的纳米薄膜太阳能电池优化结构方案，比如，将电池单元的串联结构和并联结构组合在一起可以形成既具有提高纳米太阳能电池的输出电压又具有提高输出电流的优化效果，各种组合结构不逐一列举，均属于本实用新型的发明范围。

Claims (9)

1、一种纳米薄膜太阳能电池，包括UV保护层(9)、增透光层(1)、玻璃或透明塑料基板(2)、透明上电极(3)、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层(4)、金属下电极(5)、引出电极(8)、绝缘隔挡壁(7)及有机和无机材料复合封装覆盖层(6)等部件，其特征是：在玻璃或透明塑料基板(2)的上表面上自下而上依次层叠设置有增透光层(1)和UV保护层(9)，在玻璃或透明塑料基板(2)的下表面上设置有纳米薄膜太阳能电池件，该纳米薄膜太阳能电池件自上而下依次由层叠地设置的透明上电极(3)、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层(4)和金属下电极(5)组成，透明上电极(3)和金属下电极(5)间通过绝缘隔挡壁(7)相阻隔，在纳米薄膜太阳能电池外包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层(6)，引出电极(8)分别由纳米薄膜太阳能电池的透明上电极(3)和金属下电极(5)引出。

2、如权利要求1所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：在玻璃或透明塑料基板(2)的下表面上设置的纳米薄膜太阳能电池件由多个串联连接的纳米薄膜太阳能电池单元组成，各电池单元自上而下依次由层叠设置的透明上电极(3)、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层(4)和金属下电极(5)构成，各电池单元的透明上电极(3)和金属下电极(5)间通过绝缘隔挡壁(7)相阻隔，在水平方向各电池单元的正、负电极首尾相接串联，在纳米薄膜太阳能电池外包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层(6)，引出电极(8)分别由串联电池单元组的透明上电极(3)和金属下电极(5)引出。

3、如权利要求1所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：在玻璃或透明塑料基板(2)的下表面上设置的纳米薄膜太阳能电池件由按垂直方向层叠设置的多个并联连接的纳米薄膜太阳能电池单元组成，各电池单元均由自上而下层叠设置的透明上电极(3)、纳米尺度微观构造光活性半导体材料功能层(4)和金属下电极(5)构成，各电池单元的透明上电极(3)和金属下电极(5)间通过绝缘隔挡壁(7)相阻隔，各电池单元的同性电极分别相连在一起，在纳米薄膜太阳能电池外包设有一层有机和无机材料复合封装覆盖层(6)，引出电极(8)分别由并联电池单元组的透明上电极(3)和金属下电极(5)引出。

4、如权利要求1所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：纳米薄膜太阳能电池的增透光层(1)由1到3层按光疏媒质到光密媒质次序排列的媒质层依次层叠构成。

5、如权利要求1、2或3所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：纳米薄膜太阳能电池的透明上电极(3)为一维平板结构电极，或为具有‘H’形或锯齿波形透光间隙的二维平面结构电极，或为既具有‘H’形或锯齿波形的透光间隙，又具有‘V’形或半圆形的向下突出嵌入柱体的三维立体结构电极。

6、如权利要求1、2或3所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：纳米薄膜太阳能电池的光活性半导体材料功能层(4)的纳米尺度微观构造结构由分别具有20到200纳米尺寸的相互凹凸配合的锯齿状二维柱体的电子受体型或P型光活性半导体材料膜层和电子给体型或N型光活性半导体材料膜层凹凸交错相对地贴合在一起制成，光活性半导体材料是共轭聚合物有机材料、或是单晶体、多晶体、微晶或氧化物分子构造的材料。

7、如权利要求1、2或3所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：纳米薄膜太阳能电池的光活性半导体材料功能层(4)的纳米尺度微观构造结构由具有20到200纳米尺寸三维长方体柱阵列的电子受体型或P型光活性半导体材料膜层和与之凹凸对应配合的具有20到200纳米尺寸三维长方形凹坑阵列的电子给体型或N型光活性半导体材料膜层凹凸交错相对地贴合在一起制成，光活性半导体材料是共轭聚合物有机材料、或是单晶体、多晶体、微晶或氧化物分子构造的材料。

8、如权利要求1、2或3所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：纳米薄膜太阳能电池的有机和无机材料复合封装覆盖层(6)是在一层有机材料覆盖层上再整体覆盖上一层致密的无机材料层而形成的双层结构，或是多次重复制作此双层结构的复合封装覆盖层而形成的2层以上的有机和无机材料复合封装覆盖层，所说的有机材料层是一种或多种有机材料，所说的无机材料层是一种或多种无机材料，有机材料层与无机材料层按次序层叠或按任意组合次序层叠。

9、如权利要求1所述的纳米薄膜太阳能电池，其特征是：纳米薄膜太阳能电池的UV保护层(9)为一个外表面上压制有许多微小凹坑的UV保护材料膜层。

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