太阳能电池及其制造方法
专利名称：太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池及其制造方法，更具体地，涉及复合太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
法国科学家Henri Becqμ erel于1839年首次观察到光电转化现象，但是直到 1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为现实。在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太阳能电池。尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料附着到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电能。这种电池就是染料敏化太阳能电池(DSSC)。1991年，瑞士科学家Gritzel等人首次利用纳米技术将DSSC中的光电转换效率提高到7%。从此，染料敏化纳米晶太阳能电池(即Gi^tzel电池)随之诞生并得以快速发展。此后，基于Gritzel电池的新型DSSC的最高光电转换效率已经达到11%。图1示出了如上所述的传统的DSSC的示意性截面图。该DSSC包括下电极组件10 和上电极组件20。下电极组件10包括在下玻璃基板11上形成的下电极层12，在下电极层 12上形成的纳米氧化物半导体薄膜13，以及在纳米氧化物半导体薄膜13中的纳米颗粒表面上附着的染料(未示出)。上电极组件20包括在上玻璃基板21上形成的上电极层22。 采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，纳米氧化物半导体薄膜13 与上电极层22彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中容纳电解质32 (例如电解质溶液或固态电解质)。太阳光从上电极组件20 —侧的表面入射，为了使得太阳光能够到达纳米氧化物半导体薄膜13，上玻璃基板21、上电极层22和电解质32应当是透光的。例如，上电极层22 可以使用FTO (掺氟的氧化锡)导电玻璃。然而，近十年来DSSC的光电转换效率难以进一步提高。一方面，在DSSC中广泛使用的钌系染料N3、N719等的吸收光谱不能与太阳光谱匹配。例如，染料N719 (商品名，瑞士 Solaronix公司的产品)的吸收峰主要集中在380nm和 520nm处，对其它谱段的吸收率都很低，从而不能有效利用全谱段的太阳光。另一方面，在太阳能电池工作过程中，由于受电解质中离子氧化/还原反应速度所的限制，在染料受光激发之后产生的光生电子和空穴向各自收集极输运的过程中，发生光电子/空穴复合过程并生成基态染料。而且，在光生电子经过电解质输运到作为电池正极的纳米TiO2薄膜上的过程中，一部分光生电子会与氧化态的电解质发生还原反应并生成还原态电解质，即发生所谓的“暗反应”过程。结果，造成了光生电子的损失，降低了 DSSC的光电转换效率。“暗反应”过程是造成光生电子的损失的主要原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造成本低且光电转换效应高的太阳能电池，其中将 α-Si太阳能电池的N型区作为DSSC中的电子注入电极，形成了包括两种类型的太阳能电池的复合太 阳能电池。根据本发明的一方面，提供一种太阳能电池，包括下电极组件、上电极组件、用于将下电极组件和上电极组件组装在一起并形成密闭空间的密封剂、以及容纳在密闭空间中的电解质，其中下电极组件包括下透明导电基板、在下透明导电基板上形成的纳米氧化物半导体薄膜、以及在纳米氧化物半导体薄膜中的纳米颗粒表面上附着的染料，并且上电极组件包括上透明导电基板，太阳光从上电极组件一侧入射，其中所述上电极组件还包括在上透明导电基板上形成的α-Si薄膜太阳能电池，所述α-Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜，N型α -Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜相对设置，并且N型α -Si薄膜和纳米氧化物半导体薄膜与电解质接触。根据本发明的另一方面，提供一种制造太阳能电池的方法，包括以下步骡制作上电极组件，其中在上透明导电基板上形成α-Si薄膜太阳能电池，所述 α -Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜；制作下电极组件，其中在下透明导电基板上形成纳米氧化物半导体薄膜，以及在纳米氧化物半导体薄膜上附着染料；以及采用密封剂，将上电极组件和下电极组件组装在一起，其中N型α-Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜彼此相对，以形成密闭空间，在密闭空间中注入电解质。在本发明的太阳能电池中，α -Si薄膜太阳能电池与染料敏化太阳能电池中所使用的染料的吸收光谱互补。这种复合结构的电池实现太阳能电池的吸收光谱与太阳光谱的最佳匹配，从而提高对太阳光的吸收率。α -Si薄膜太阳能电池不仅作为独立的电池单元发电，而且α -Si薄膜太阳能电池的N型区输出的光电子电流注入到DSSC的电解质中，有效增强了电解质中离子的氧化/ 还原反应，抑制了所谓的暗反应，可以有效提高DSSC的光电转换效率。结果，根据本发明的由染料敏化太阳能电池和α -Si薄膜太阳能电池组成的复合太阳能电池的发电效率高于染料敏化太阳能电池和α-Si薄膜太阳能电池单独使用时的发电效率之和，从而形成了高效的复合太阳能电池。而且，本发明的太阳能电池与现有的DSSC的制造工艺兼容，从而与α -Si薄膜太阳能电池或DSSC任意一种的制造成本相近，这有利于太阳能电池的批量生产并降低了制造成本。
图1示出了传统的DSSC的示意性截面图。图2示出了根据本发明的第一实施例的太阳能电池的示意性截面图。图3示出了根据本发明的第二实施例的太阳能电池的示意性截面图。图4示出了染料Ν719和α -Si薄膜太阳能电池吸收光谱示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，其中在所有附图中采用相同或类似的标号表示相同或类似的元件。这些实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。在下文中，实施例1至2分别涉及根据本发明的太阳能电池的结构，实施例3至5 分别涉及根据本发明的制造太阳能电池的方法。实施例1图2示出了根据本发明的第一实施例的太阳能电池的示意性截面图。该太阳能电池包括下电极组件10和上电极组件20。下电极组件10包括在下玻璃基板11上形成的下电极层12，在下电极层12上形成的纳米氧化物半导体薄膜13，以及在纳米氧化物半导体薄膜13中的纳米颗粒表面上附着的染料(未示出)。上电极组件20包括在上玻璃基板21上依次形成的上电极层22、P型 α -Si薄膜23、1型α -Si薄膜M和N型α -Si薄膜25。采用密封剂31将下电极组件10 和上电极组件20组装在一起，以形成密闭空间，其中N型α -Si薄膜25与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对。在密闭空间中容纳电解质32 (例如电解质溶液或固态电解质)。该太阳能电池是α-Si薄膜太阳能电池和DSSC的复合结构，其中α-Si薄膜太阳能电池设置在DSSC的上电极层22上，包括P型α-Si薄膜23、I型α-Si薄膜M和N型 α -Si 薄膜 25。α -Si薄膜太阳能电池基于PN结的光生伏打效应。α "Si是一种资源丰富并且对环境安全的材料，对太阳光的吸收率很高。α "Si薄膜太阳能电池的制造方法是已知的，其中α-Si薄膜材料可以在较低的温度下(300°C以下)直接沉积在廉价衬底上，大幅度降低了制造成本。本发明人注意到α-Si薄膜太阳能电池的吸收光谱与钌系染料(例如染料Ν719) 的吸收光谱的互补特性。图4示出了染料Ν719和α-Si薄膜太阳能电池吸收光谱示意图， 其中，曲线a表示染料Ν719的吸收光谱，曲线b表示α-Si太阳能电池的吸收光谱。染料 Ν719在380nm和520nm左右表现出吸收峰，而α -Si太阳能电池在600nm左右表现出吸收峰。从图4可以看出，利用本发明的包括α-Si薄膜太阳能电池和DSSC的复合太阳能电池，可以在宽波长范围高效率地吸收太阳光，实现太阳能电池的吸收光谱与太阳光谱的最佳匹配，从而提高对太阳光的吸收率。而且，α -Si薄膜太阳能电池的N型区作为电子注入电极，向DDSC的电解质32中注入光电子，有效增强了电解质中离子的氧化/还原反应，抑制了暗反应过程，可以进一步提高光电转换效率。实施例2图3示出了根据本发明的第二实施例的太阳能电池的示意性截面图。第二实施例的太阳能电池与第一实施例的太阳能电池的结构基本相同，区别仅在于使用下透明导电基板11’代替包括下玻璃基板11和下电极层12的叠层，以及使用上透明导电基板21’代替包括上玻璃基板21和上电极层22的叠层。相对于第一实施例，第二实施例的太阳能电池中的透明导电基板起到电极层的作用，从而可以省略用于形成下电极层12和上电极层22的淀积步骤，可以进一步简化制造工艺。 利用本发明的包括α-Si薄膜太阳能电池和DSSC的复合太阳能电池，可以提高太阳光的吸收率并抑制暗反应过程，从而提高太阳能电池的光电转换效率。实施例3根据该实施例的方法用于制造由α -Si薄膜太阳能电池和DSSC组成的复合太阳能电池。首先，按照以下步骤制造上电极组件20。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件20中的上透明导电基板21’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)法制造非晶硅薄膜，在透明导电基板21’ 形成P-I-N结构的α -Si薄膜太阳能电池，其中，PECVD中的三个主要反应式如下SiH4 = Si+2H2 (淀积 Si) 2PH3 = 2P+3H2 (掺 P) B2H6 = 2B+3H2 (掺 B)。首先在透明导电基板21’上淀积P型α -Si薄膜23。将反应室抽成真空，将配比好的硅烷(SiH4)、硼烷(B2H6)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)通入反应室，调解各种气体的流量，使反应室的气压在6. 665Pa到666. 5Pa之间，使用的频率是50Hz到13. 56MHz, 然后在正、负极之间加上-1 _5kV负偏压，由阴极发射出电子，并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子，使之分解、激发或电离，形成等离子体。最终分解的硅原子在衬底上沉积，形成非晶硅薄膜。其中，硅烷浓度在10%以上，流量为50 200mL/min，衬底温度为200 300°C，功率在300 500w/m2，比较适宜制造非晶硅薄膜。P型α -Si薄膜 23的厚度约为0. 2um。随后在P型α-Si薄膜23上淀积I型α-Si薄膜24，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α -Si薄膜23相同。I 型α -Si薄膜24的厚度约为0. 7um。最后在I型α-Si薄膜24上淀积N型α-Si薄膜25，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、磷烷(PH3)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α-Si薄膜 23相同。N型α -Si薄膜25的厚度约为0. 2um。优选地，上述形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行进一步地，按照以下步骤制造上电极组件10。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件10中的下透明导电基板11’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。然后，制造纳米TiO2浆料。首先取德国Degussa公司生产的商业TiO2的P25颗粒 6g溶入Iml乙酸混合，放入研钵中研磨1 3分钟之后加入Iml去离子水继续研磨1分钟， 如此重复3 5次。完成后加入Iml乙醇(实施例中所提到的乙醇皆为无水乙醇)研磨1 分钟，如此重复10 20次之后再加入2. 5ml乙醇研磨1分钟，如此重复3 5次。所有上述的研磨工作都结束后，将形成的TiO2转移到烧杯中，加入IOOml的乙醇后搅拌2分钟。在烧杯中加入10 18g香油脑之后继续搅拌2分钟。下一步加入乙基纤维素，按照3g(乙基纤维素)30g(本实施例中加入的无水乙醇总量)的配比溶解在乙醇溶液中，搅拌6分钟。所有搅拌工作结束后，将烧杯中的乙醇蒸发出去后，TiO2浆料便制造完毕了。
接下来，采用丝网印刷机，将配制好的TiO2浆料印刷在透明导电基板21’上。在印刷之后，在电热板上以50 80°C烘烤5 Smin去除水分，再将下透明导电基板11’置于马弗炉中300 450°C下烘烤1 3小时。从而，在下透明导电基板11’形成纳米氧化物半导体薄膜13。在该实施例中，纳米氧化物半导体薄膜13为厚度约为10 μ m的纳米TiO2薄膜， TiO2颗粒的平均半径约为25nm。然后，将下透明导电基板11’浸入染料中16小时以在TiO2颗粒的表面附着染料。进一步地，按照以下步骤将上电极组件10和下电极组件20组成在一起形成太阳能电池。采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，N型α -Si薄膜25 与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中注入电解质32(例如电解质溶液或固态电解质)。组装完成的太阳能电池如图3所示。上电极组件20中的N型α -Si薄膜25接触电解质32，作为DSSC的电子注入电极，在受到太阳光照射时向电解质32中注入光电子电流。实施例4根据该实施例的方法用于制造由α -Si薄膜太阳能电池和DSSC组成的复合太阳能电池。首先，按照以下步骤制造上电极组件20。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件20中的上透明导电基板21’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)法制造非晶硅薄膜，在透明导电基板21’ 形成P-I-N结构的α -Si薄膜太阳能电池，其中，PECVD中的三个主要反应式如下SiH4 = Si+2H2 (淀积 Si) 2PH3 = 2P+3H2 (掺 P) B2H6 = 2B+3H2 (掺 B)。首先在透明导电基板21’上淀积P型α -Si薄膜23。将反应室抽成真空，将配比好的硅烷(SiH4)、硼烷(B2H6)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)通入反应室，调解各种气体的流量，使反应室的气压在6. 665Pa到666. 5Pa之间，使用的频率是50Hz到13. 56MHz, 然后在正、负极之间加上-1 _5kV负偏压，由阴极发射出电子，并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子，使之分解、激发或电离，形成等离子体。最终分解的硅原子在衬底上沉积，形成非晶硅薄膜。其中，硅烷浓度在10%以上，流量为50 200mL/min，衬底温度为200 300°C，功率在300 500w/m2，比较适宜制造非晶硅薄膜。P型α -Si薄膜 23的厚度约为0. 2um。随后在P型α-Si薄膜23上淀积I型α-Si薄膜24，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α -Si薄膜23相同。I 型α -Si薄膜24的厚度约为0. 7um。最后在I型α-Si薄膜24上淀积N型α-Si薄膜25，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、磷烷(PH3)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α-Si薄膜 23相同。N型α -Si薄膜25的厚度约为0. 2um。
优选地，上述形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行进一步地，按照以下步骤制造上电极组件10。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件10中的下透明导电基板11’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。然后，制造纳米TW2浆料。首先取德国Degussa公司生产的商业TW2的P25颗粒 6g溶入Iml乙酸混合，放入研钵中研磨3 8分钟之后加入Iml去离子水继续研磨1分钟， 如此重复5 8次。完成后加入Iml乙醇(实施例中所提到的乙醇皆为无水乙醇)研磨1 分钟，如此重复20 30次之后再加入2. 5ml乙醇研磨1分钟，如此重复5 10次。所有上述的研磨工作都结束后，将形成的TW2转移到烧杯中，加入IOOml的乙醇后搅拌2分钟。 在烧杯中加入18 30g香油脑之后继续搅拌2分钟。下一步加入乙基纤维素，按照3g(乙基纤维素)30g(本实施例中加入的无水乙醇总量)的配比溶解在乙醇溶液中，搅拌6分钟。所有搅拌工作结束后，将烧杯中的乙醇蒸发出去后，TiO2浆料便制造完毕了。接下来，采用丝网印刷机，将配制好的TiO2浆料印刷在透明导电基板21’上。在印刷之后，在电热板上以80 120°C烘烤8 iaiiin去除水分，再将下透明导电基板11’置于马弗炉中450 600°C下烘烤1 3小时。从而，在下透明导电基板11’形成纳米氧化物半导体薄膜13。在该实施例中，纳米氧化物半导体薄膜13为厚度约为10 μ m的纳米TiO2薄膜， TiO2颗粒的平均半径约为25nm。然后，将下透明导电基板11’浸入染料中16小时以在TiO2颗粒的表面附着染料。进一步地，按照以下步骤将上电极组件10和下电极组件20组成在一起形成太阳能电池。采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，N型α -Si薄膜25 与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中注入电解质32(例如电解质溶液或固态电解质)。组装完成的太阳能电池如图3所示。上电极组件20中的N型α-Si薄膜25接触电解质32，作为DSSC的电子注入电极，在受到太阳光照射时向电解质32中注入光电子电流。实施例5根据该实施例的方法用于制造由α -Si薄膜太阳能电池和DSSC组成的复合太阳能电池。首先，按照以下步骤制造上电极组件20。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件20中的上透明导电基板21’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)法制造非晶硅薄膜，在透明导电基板21’ 形成P-I-N结构的α -Si薄膜太阳能电池，其中，PECVD中的三个主要反应式如下 SiH4 = Si+2 (淀积 Si) 2PH3 = 2P+3H2 (掺 P) B2H6 = 2B+3H2 (掺 B)。 首先在透明导电基板21’上淀积P型α -Si薄膜23。将反应室抽成真空，将配比
好的硅烷(SiH4)、硼烷( )、甲烧(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)通入反应室，调解各种气体的流量，使反应室的气压在6. 665Pa到666. 5Pa之间，使用的频率是50Hz到13. 56MHz, 然后在正、负极之间加上-1 _5kV负偏压，由阴极发射出电子，并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子，使之分解、激发或电离，形成等离子体。最终分解的硅原子在衬底上沉积，形成非晶硅薄膜。其中，硅烷浓度在10%以上，流量为50 200mL/min，衬底温度为200 300°C，功率在300 500w/m2，比较适宜制造非晶硅薄膜。P型α -Si薄膜 23的厚度约为0. 2um。随后在P型α-Si薄膜23上淀积I型α-Si薄膜24，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α -Si薄膜23相同。I 型α -Si薄膜24的厚度约为0. 7um。最后在I型α-Si薄膜24上淀积N型α-Si薄膜25，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、磷烷(PH3)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α-Si薄膜 23相同。 N型α -Si薄膜25的厚度约为0. 2um。优选地，上述形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行进一步地，按照以下步骤制造上电极组件10。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件10中的下透明导电基板11’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。然后，制造纳米TiO2浆料。首先取德国Degussa公司生产的商业TiO2的P25颗粒 6g溶入Iml乙酸混合，放入研钵中研磨5分钟(优选的)之后加入Iml去离子水继续研磨 1分钟，如此重复5次(优选的)。完成后加入Iml乙醇(实施例中所提到的乙醇皆为无水乙醇)研磨1分钟，如此重复15次(优选的)之后再加入2. 5ml乙醇研磨1分钟，如此重复 6次(优选的)。所有上述的研磨工作都结束后，将形成的TiO2转移到烧杯中，加入IOOml 的乙醇后搅拌2分钟。在烧杯中加入20g(优选的)香油脑之后继续搅拌2分钟。下一步加入乙基纤维素，按照3g(乙基纤维素)30g(本实施例中加入的无水乙醇总量)的配比溶解在乙醇溶液中，搅拌6分钟。所有搅拌工作结束后，将烧杯中的乙醇蒸发出去后，TiO2I 料便制造完毕了。接下来，采用丝网印刷机，将配制好的TiO2浆料印刷在透明导电基板21’上。在印刷之后，在电热板上以80°C (优选的)烘烤IOmin(优选的)去除水分，再将下透明导电基板11’置于马弗炉中500°C (优选的)下烘烤2小时(优选的)。从而，在下透明导电基板11’形成纳米氧化物半导体薄膜13。在该实施例中，纳米氧化物半导体薄膜13为厚度约为10 μ m的纳米TiO2薄膜， TiO2颗粒的平均半径约为25nm。然后，将下透明导电基板11’浸入染料中16小时以在TiO2颗粒的表面附着染料。进一步地，按照以下步骤将上电极组件10和下电极组件20组成在一起形成太阳能电池。采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，N型α -Si薄膜25 与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中注入电解质32(例如电解质溶液或固态电解质)。组装完成的太阳能电池如图3所示。上电极组件20中的N型α -Si薄膜25接触电解质32，作为DSSC的电子注入电极，在受到太阳光照射时向电解质32中注入光电子电流。在以上实施例3-5中描述了使用了透明导电基板形成图3所示的太阳能电池的方法的各个实施例，然而，本领域的技术人员可以理解通过使用玻璃基板并且在导电玻璃上淀积电极层而代替透明导电基板，可以形成图2所示的太阳能电池。以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。 不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种太阳能电池，包括下电极组件、上电极组件、用于将下电极组件和上电极组件组装在一起并形成密闭空间的密封剂、以及容纳在密闭空间中的电解质，其中下电极组件包括下透明导电基板、在下透明导电基板上形成的纳米氧化物半导体薄膜、以及在纳米氧化物半导体薄膜中的纳米颗粒表面上附着的染料，并且上电极组件包括上透明导电基板，太阳光从上电极组件一侧入射，其中所述上电极组件还包括在上透明导电基板上形成的α -Si薄膜太阳能电池，所述 α -Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜，N型α-Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜相对设置，并且N型α-Si薄膜和纳米氧化物半导体薄膜与电解质接触。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述α-Si薄膜太阳能电池的吸收光谱与染料的吸收光谱互补。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中所述染料是染料Ν719。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个是FTO导电玻璃。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个包括玻璃基板、以及在玻璃基板上形成的电极层。
6.一种制造太阳能电池的方法，包括以下步骤制作上电极组件，其中在上透明导电基板上形成α-Si薄膜太阳能电池，所述α-Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜；制作下电极组件，其中在下透明导电基板上形成纳米氧化物半导体薄膜，以及在纳米氧化物半导体薄膜上附着染料；以及采用密封剂，将上电极组件和下电极组件组装在一起，其中N型α -Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜彼此相对，以形成密闭空间，在密闭空间中注入电解质。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述α-Si薄膜太阳能电池的吸收光谱与染料的吸收光谱互补。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述染料是染料Ν719。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个是FTO导电玻璃。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个包括玻璃基板、以及在玻璃基板上形成的电极层。
11.根据权利要求6所述的方法，其中在制作上电极组件的步骤中，采用等离子增强化学气相淀积形成P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型 α -Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在形成P型α-Si薄膜的步骤中，采用硼烷提供 P型掺杂剂。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在形成N型α-Si薄膜的步骤中，采用磷烷提供 N型掺杂剂。
15.根据权利要求6所述的方法，其中在制作下电极组件的步骤中，采用丝网印刷在下透明导电基板上形成纳米氧化物半导体薄膜。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在丝网印刷的步骤中，使用纳米TiO2浆料。
全文摘要
本申请公开了一种太阳能电池及其制造方法，该太阳能电池包括下电极组件、上电极组件、用于将下电极组件和上电极组件组装在一起并形成密闭空间的密封剂、以及容纳在密闭空间中的电解质，其中下电极组件包括下透明导电基板、在下透明导电基板上形成的纳米氧化物半导体薄膜、以及在纳米氧化物半导体薄膜中的纳米颗粒表面上附着的染料，并且上电极组件包括上透明导电基板，太阳光从上电极组件一侧入射，其中所述上电极组件还包括在上透明导电基板上形成的α-Si薄膜太阳能电池，所述α-Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜，N型α-Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜相对设置，并且N型α-Si薄膜和纳米氧化物半导体薄膜与电解质接触。
文档编号H01L51/44GK102157693SQ20111003209
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年2月10日
发明者刘力锋, 康晋锋, 张天舒, 王宝, 王旭, 王漪, 王琰, 范志伟, 陆自清 申请人:北京大学
技术领域：
本发明涉及太阳能电池及其制造方法，更具体地，涉及复合太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
法国科学家Henri Becqμ erel于1839年首次观察到光电转化现象，但是直到 1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为现实。在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太阳能电池。尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料附着到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电能。这种电池就是染料敏化太阳能电池(DSSC)。1991年，瑞士科学家Gritzel等人首次利用纳米技术将DSSC中的光电转换效率提高到7%。从此，染料敏化纳米晶太阳能电池(即Gi^tzel电池)随之诞生并得以快速发展。此后，基于Gritzel电池的新型DSSC的最高光电转换效率已经达到11%。图1示出了如上所述的传统的DSSC的示意性截面图。该DSSC包括下电极组件10 和上电极组件20。下电极组件10包括在下玻璃基板11上形成的下电极层12，在下电极层 12上形成的纳米氧化物半导体薄膜13，以及在纳米氧化物半导体薄膜13中的纳米颗粒表面上附着的染料(未示出)。上电极组件20包括在上玻璃基板21上形成的上电极层22。 采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，纳米氧化物半导体薄膜13 与上电极层22彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中容纳电解质32 (例如电解质溶液或固态电解质)。太阳光从上电极组件20 —侧的表面入射，为了使得太阳光能够到达纳米氧化物半导体薄膜13，上玻璃基板21、上电极层22和电解质32应当是透光的。例如，上电极层22 可以使用FTO (掺氟的氧化锡)导电玻璃。然而，近十年来DSSC的光电转换效率难以进一步提高。一方面，在DSSC中广泛使用的钌系染料N3、N719等的吸收光谱不能与太阳光谱匹配。例如，染料N719 (商品名，瑞士 Solaronix公司的产品)的吸收峰主要集中在380nm和 520nm处，对其它谱段的吸收率都很低，从而不能有效利用全谱段的太阳光。另一方面，在太阳能电池工作过程中，由于受电解质中离子氧化/还原反应速度所的限制，在染料受光激发之后产生的光生电子和空穴向各自收集极输运的过程中，发生光电子/空穴复合过程并生成基态染料。而且，在光生电子经过电解质输运到作为电池正极的纳米TiO2薄膜上的过程中，一部分光生电子会与氧化态的电解质发生还原反应并生成还原态电解质，即发生所谓的“暗反应”过程。结果，造成了光生电子的损失，降低了 DSSC的光电转换效率。“暗反应”过程是造成光生电子的损失的主要原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造成本低且光电转换效应高的太阳能电池，其中将 α-Si太阳能电池的N型区作为DSSC中的电子注入电极，形成了包括两种类型的太阳能电池的复合太 阳能电池。根据本发明的一方面，提供一种太阳能电池，包括下电极组件、上电极组件、用于将下电极组件和上电极组件组装在一起并形成密闭空间的密封剂、以及容纳在密闭空间中的电解质，其中下电极组件包括下透明导电基板、在下透明导电基板上形成的纳米氧化物半导体薄膜、以及在纳米氧化物半导体薄膜中的纳米颗粒表面上附着的染料，并且上电极组件包括上透明导电基板，太阳光从上电极组件一侧入射，其中所述上电极组件还包括在上透明导电基板上形成的α-Si薄膜太阳能电池，所述α-Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜，N型α -Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜相对设置，并且N型α -Si薄膜和纳米氧化物半导体薄膜与电解质接触。根据本发明的另一方面，提供一种制造太阳能电池的方法，包括以下步骡制作上电极组件，其中在上透明导电基板上形成α-Si薄膜太阳能电池，所述 α -Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜；制作下电极组件，其中在下透明导电基板上形成纳米氧化物半导体薄膜，以及在纳米氧化物半导体薄膜上附着染料；以及采用密封剂，将上电极组件和下电极组件组装在一起，其中N型α-Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜彼此相对，以形成密闭空间，在密闭空间中注入电解质。在本发明的太阳能电池中，α -Si薄膜太阳能电池与染料敏化太阳能电池中所使用的染料的吸收光谱互补。这种复合结构的电池实现太阳能电池的吸收光谱与太阳光谱的最佳匹配，从而提高对太阳光的吸收率。α -Si薄膜太阳能电池不仅作为独立的电池单元发电，而且α -Si薄膜太阳能电池的N型区输出的光电子电流注入到DSSC的电解质中，有效增强了电解质中离子的氧化/ 还原反应，抑制了所谓的暗反应，可以有效提高DSSC的光电转换效率。结果，根据本发明的由染料敏化太阳能电池和α -Si薄膜太阳能电池组成的复合太阳能电池的发电效率高于染料敏化太阳能电池和α-Si薄膜太阳能电池单独使用时的发电效率之和，从而形成了高效的复合太阳能电池。而且，本发明的太阳能电池与现有的DSSC的制造工艺兼容，从而与α -Si薄膜太阳能电池或DSSC任意一种的制造成本相近，这有利于太阳能电池的批量生产并降低了制造成本。
图1示出了传统的DSSC的示意性截面图。图2示出了根据本发明的第一实施例的太阳能电池的示意性截面图。图3示出了根据本发明的第二实施例的太阳能电池的示意性截面图。图4示出了染料Ν719和α -Si薄膜太阳能电池吸收光谱示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，其中在所有附图中采用相同或类似的标号表示相同或类似的元件。这些实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。在下文中，实施例1至2分别涉及根据本发明的太阳能电池的结构，实施例3至5 分别涉及根据本发明的制造太阳能电池的方法。实施例1图2示出了根据本发明的第一实施例的太阳能电池的示意性截面图。该太阳能电池包括下电极组件10和上电极组件20。下电极组件10包括在下玻璃基板11上形成的下电极层12，在下电极层12上形成的纳米氧化物半导体薄膜13，以及在纳米氧化物半导体薄膜13中的纳米颗粒表面上附着的染料(未示出)。上电极组件20包括在上玻璃基板21上依次形成的上电极层22、P型 α -Si薄膜23、1型α -Si薄膜M和N型α -Si薄膜25。采用密封剂31将下电极组件10 和上电极组件20组装在一起，以形成密闭空间，其中N型α -Si薄膜25与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对。在密闭空间中容纳电解质32 (例如电解质溶液或固态电解质)。该太阳能电池是α-Si薄膜太阳能电池和DSSC的复合结构，其中α-Si薄膜太阳能电池设置在DSSC的上电极层22上，包括P型α-Si薄膜23、I型α-Si薄膜M和N型 α -Si 薄膜 25。α -Si薄膜太阳能电池基于PN结的光生伏打效应。α "Si是一种资源丰富并且对环境安全的材料，对太阳光的吸收率很高。α "Si薄膜太阳能电池的制造方法是已知的，其中α-Si薄膜材料可以在较低的温度下(300°C以下)直接沉积在廉价衬底上，大幅度降低了制造成本。本发明人注意到α-Si薄膜太阳能电池的吸收光谱与钌系染料(例如染料Ν719) 的吸收光谱的互补特性。图4示出了染料Ν719和α-Si薄膜太阳能电池吸收光谱示意图， 其中，曲线a表示染料Ν719的吸收光谱，曲线b表示α-Si太阳能电池的吸收光谱。染料 Ν719在380nm和520nm左右表现出吸收峰，而α -Si太阳能电池在600nm左右表现出吸收峰。从图4可以看出，利用本发明的包括α-Si薄膜太阳能电池和DSSC的复合太阳能电池，可以在宽波长范围高效率地吸收太阳光，实现太阳能电池的吸收光谱与太阳光谱的最佳匹配，从而提高对太阳光的吸收率。而且，α -Si薄膜太阳能电池的N型区作为电子注入电极，向DDSC的电解质32中注入光电子，有效增强了电解质中离子的氧化/还原反应，抑制了暗反应过程，可以进一步提高光电转换效率。实施例2图3示出了根据本发明的第二实施例的太阳能电池的示意性截面图。第二实施例的太阳能电池与第一实施例的太阳能电池的结构基本相同，区别仅在于使用下透明导电基板11’代替包括下玻璃基板11和下电极层12的叠层，以及使用上透明导电基板21’代替包括上玻璃基板21和上电极层22的叠层。相对于第一实施例，第二实施例的太阳能电池中的透明导电基板起到电极层的作用，从而可以省略用于形成下电极层12和上电极层22的淀积步骤，可以进一步简化制造工艺。 利用本发明的包括α-Si薄膜太阳能电池和DSSC的复合太阳能电池，可以提高太阳光的吸收率并抑制暗反应过程，从而提高太阳能电池的光电转换效率。实施例3根据该实施例的方法用于制造由α -Si薄膜太阳能电池和DSSC组成的复合太阳能电池。首先，按照以下步骤制造上电极组件20。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件20中的上透明导电基板21’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)法制造非晶硅薄膜，在透明导电基板21’ 形成P-I-N结构的α -Si薄膜太阳能电池，其中，PECVD中的三个主要反应式如下SiH4 = Si+2H2 (淀积 Si) 2PH3 = 2P+3H2 (掺 P) B2H6 = 2B+3H2 (掺 B)。首先在透明导电基板21’上淀积P型α -Si薄膜23。将反应室抽成真空，将配比好的硅烷(SiH4)、硼烷(B2H6)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)通入反应室，调解各种气体的流量，使反应室的气压在6. 665Pa到666. 5Pa之间，使用的频率是50Hz到13. 56MHz, 然后在正、负极之间加上-1 _5kV负偏压，由阴极发射出电子，并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子，使之分解、激发或电离，形成等离子体。最终分解的硅原子在衬底上沉积，形成非晶硅薄膜。其中，硅烷浓度在10%以上，流量为50 200mL/min，衬底温度为200 300°C，功率在300 500w/m2，比较适宜制造非晶硅薄膜。P型α -Si薄膜 23的厚度约为0. 2um。随后在P型α-Si薄膜23上淀积I型α-Si薄膜24，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α -Si薄膜23相同。I 型α -Si薄膜24的厚度约为0. 7um。最后在I型α-Si薄膜24上淀积N型α-Si薄膜25，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、磷烷(PH3)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α-Si薄膜 23相同。N型α -Si薄膜25的厚度约为0. 2um。优选地，上述形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行进一步地，按照以下步骤制造上电极组件10。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件10中的下透明导电基板11’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。然后，制造纳米TiO2浆料。首先取德国Degussa公司生产的商业TiO2的P25颗粒 6g溶入Iml乙酸混合，放入研钵中研磨1 3分钟之后加入Iml去离子水继续研磨1分钟， 如此重复3 5次。完成后加入Iml乙醇(实施例中所提到的乙醇皆为无水乙醇)研磨1 分钟，如此重复10 20次之后再加入2. 5ml乙醇研磨1分钟，如此重复3 5次。所有上述的研磨工作都结束后，将形成的TiO2转移到烧杯中，加入IOOml的乙醇后搅拌2分钟。在烧杯中加入10 18g香油脑之后继续搅拌2分钟。下一步加入乙基纤维素，按照3g(乙基纤维素)30g(本实施例中加入的无水乙醇总量)的配比溶解在乙醇溶液中，搅拌6分钟。所有搅拌工作结束后，将烧杯中的乙醇蒸发出去后，TiO2浆料便制造完毕了。
接下来，采用丝网印刷机，将配制好的TiO2浆料印刷在透明导电基板21’上。在印刷之后，在电热板上以50 80°C烘烤5 Smin去除水分，再将下透明导电基板11’置于马弗炉中300 450°C下烘烤1 3小时。从而，在下透明导电基板11’形成纳米氧化物半导体薄膜13。在该实施例中，纳米氧化物半导体薄膜13为厚度约为10 μ m的纳米TiO2薄膜， TiO2颗粒的平均半径约为25nm。然后，将下透明导电基板11’浸入染料中16小时以在TiO2颗粒的表面附着染料。进一步地，按照以下步骤将上电极组件10和下电极组件20组成在一起形成太阳能电池。采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，N型α -Si薄膜25 与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中注入电解质32(例如电解质溶液或固态电解质)。组装完成的太阳能电池如图3所示。上电极组件20中的N型α -Si薄膜25接触电解质32，作为DSSC的电子注入电极，在受到太阳光照射时向电解质32中注入光电子电流。实施例4根据该实施例的方法用于制造由α -Si薄膜太阳能电池和DSSC组成的复合太阳能电池。首先，按照以下步骤制造上电极组件20。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件20中的上透明导电基板21’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)法制造非晶硅薄膜，在透明导电基板21’ 形成P-I-N结构的α -Si薄膜太阳能电池，其中，PECVD中的三个主要反应式如下SiH4 = Si+2H2 (淀积 Si) 2PH3 = 2P+3H2 (掺 P) B2H6 = 2B+3H2 (掺 B)。首先在透明导电基板21’上淀积P型α -Si薄膜23。将反应室抽成真空，将配比好的硅烷(SiH4)、硼烷(B2H6)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)通入反应室，调解各种气体的流量，使反应室的气压在6. 665Pa到666. 5Pa之间，使用的频率是50Hz到13. 56MHz, 然后在正、负极之间加上-1 _5kV负偏压，由阴极发射出电子，并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子，使之分解、激发或电离，形成等离子体。最终分解的硅原子在衬底上沉积，形成非晶硅薄膜。其中，硅烷浓度在10%以上，流量为50 200mL/min，衬底温度为200 300°C，功率在300 500w/m2，比较适宜制造非晶硅薄膜。P型α -Si薄膜 23的厚度约为0. 2um。随后在P型α-Si薄膜23上淀积I型α-Si薄膜24，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α -Si薄膜23相同。I 型α -Si薄膜24的厚度约为0. 7um。最后在I型α-Si薄膜24上淀积N型α-Si薄膜25，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、磷烷(PH3)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α-Si薄膜 23相同。N型α -Si薄膜25的厚度约为0. 2um。
优选地，上述形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行进一步地，按照以下步骤制造上电极组件10。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件10中的下透明导电基板11’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。然后，制造纳米TW2浆料。首先取德国Degussa公司生产的商业TW2的P25颗粒 6g溶入Iml乙酸混合，放入研钵中研磨3 8分钟之后加入Iml去离子水继续研磨1分钟， 如此重复5 8次。完成后加入Iml乙醇(实施例中所提到的乙醇皆为无水乙醇)研磨1 分钟，如此重复20 30次之后再加入2. 5ml乙醇研磨1分钟，如此重复5 10次。所有上述的研磨工作都结束后，将形成的TW2转移到烧杯中，加入IOOml的乙醇后搅拌2分钟。 在烧杯中加入18 30g香油脑之后继续搅拌2分钟。下一步加入乙基纤维素，按照3g(乙基纤维素)30g(本实施例中加入的无水乙醇总量)的配比溶解在乙醇溶液中，搅拌6分钟。所有搅拌工作结束后，将烧杯中的乙醇蒸发出去后，TiO2浆料便制造完毕了。接下来，采用丝网印刷机，将配制好的TiO2浆料印刷在透明导电基板21’上。在印刷之后，在电热板上以80 120°C烘烤8 iaiiin去除水分，再将下透明导电基板11’置于马弗炉中450 600°C下烘烤1 3小时。从而，在下透明导电基板11’形成纳米氧化物半导体薄膜13。在该实施例中，纳米氧化物半导体薄膜13为厚度约为10 μ m的纳米TiO2薄膜， TiO2颗粒的平均半径约为25nm。然后，将下透明导电基板11’浸入染料中16小时以在TiO2颗粒的表面附着染料。进一步地，按照以下步骤将上电极组件10和下电极组件20组成在一起形成太阳能电池。采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，N型α -Si薄膜25 与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中注入电解质32(例如电解质溶液或固态电解质)。组装完成的太阳能电池如图3所示。上电极组件20中的N型α-Si薄膜25接触电解质32，作为DSSC的电子注入电极，在受到太阳光照射时向电解质32中注入光电子电流。实施例5根据该实施例的方法用于制造由α -Si薄膜太阳能电池和DSSC组成的复合太阳能电池。首先，按照以下步骤制造上电极组件20。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件20中的上透明导电基板21’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。利用等离子增强化学气相淀积(PECVD)法制造非晶硅薄膜，在透明导电基板21’ 形成P-I-N结构的α -Si薄膜太阳能电池，其中，PECVD中的三个主要反应式如下 SiH4 = Si+2 (淀积 Si) 2PH3 = 2P+3H2 (掺 P) B2H6 = 2B+3H2 (掺 B)。 首先在透明导电基板21’上淀积P型α -Si薄膜23。将反应室抽成真空，将配比
好的硅烷(SiH4)、硼烷( )、甲烧(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)通入反应室，调解各种气体的流量，使反应室的气压在6. 665Pa到666. 5Pa之间，使用的频率是50Hz到13. 56MHz, 然后在正、负极之间加上-1 _5kV负偏压，由阴极发射出电子，并在电场中得到能量后碰撞反应室内的气体分子或原子，使之分解、激发或电离，形成等离子体。最终分解的硅原子在衬底上沉积，形成非晶硅薄膜。其中，硅烷浓度在10%以上，流量为50 200mL/min，衬底温度为200 300°C，功率在300 500w/m2，比较适宜制造非晶硅薄膜。P型α -Si薄膜 23的厚度约为0. 2um。随后在P型α-Si薄膜23上淀积I型α-Si薄膜24，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α -Si薄膜23相同。I 型α -Si薄膜24的厚度约为0. 7um。最后在I型α-Si薄膜24上淀积N型α-Si薄膜25，此时通入的气体为硅烷 (SiH4)、磷烷(PH3)、甲烷(CH4)、高纯氩(Ar)、高纯氢(H2)，其他条件和淀积P型α-Si薄膜 23相同。 N型α -Si薄膜25的厚度约为0. 2um。优选地，上述形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行进一步地，按照以下步骤制造上电极组件10。使用日本Nippon Sheet Glass公司的FTO (掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃作为下电极组件10中的下透明导电基板11’。FTO导电玻璃经过超声水浴清洗后烘干。然后，制造纳米TiO2浆料。首先取德国Degussa公司生产的商业TiO2的P25颗粒 6g溶入Iml乙酸混合，放入研钵中研磨5分钟(优选的)之后加入Iml去离子水继续研磨 1分钟，如此重复5次(优选的)。完成后加入Iml乙醇(实施例中所提到的乙醇皆为无水乙醇)研磨1分钟，如此重复15次(优选的)之后再加入2. 5ml乙醇研磨1分钟，如此重复 6次(优选的)。所有上述的研磨工作都结束后，将形成的TiO2转移到烧杯中，加入IOOml 的乙醇后搅拌2分钟。在烧杯中加入20g(优选的)香油脑之后继续搅拌2分钟。下一步加入乙基纤维素，按照3g(乙基纤维素)30g(本实施例中加入的无水乙醇总量)的配比溶解在乙醇溶液中，搅拌6分钟。所有搅拌工作结束后，将烧杯中的乙醇蒸发出去后，TiO2I 料便制造完毕了。接下来，采用丝网印刷机，将配制好的TiO2浆料印刷在透明导电基板21’上。在印刷之后，在电热板上以80°C (优选的)烘烤IOmin(优选的)去除水分，再将下透明导电基板11’置于马弗炉中500°C (优选的)下烘烤2小时(优选的)。从而，在下透明导电基板11’形成纳米氧化物半导体薄膜13。在该实施例中，纳米氧化物半导体薄膜13为厚度约为10 μ m的纳米TiO2薄膜， TiO2颗粒的平均半径约为25nm。然后，将下透明导电基板11’浸入染料中16小时以在TiO2颗粒的表面附着染料。进一步地，按照以下步骤将上电极组件10和下电极组件20组成在一起形成太阳能电池。采用密封剂31将下电极组件10和上电极组件20组装在一起，N型α -Si薄膜25 与纳米氧化物半导体薄膜13彼此相对，以形成密闭空间。在密闭空间中注入电解质32(例如电解质溶液或固态电解质)。组装完成的太阳能电池如图3所示。上电极组件20中的N型α -Si薄膜25接触电解质32，作为DSSC的电子注入电极，在受到太阳光照射时向电解质32中注入光电子电流。在以上实施例3-5中描述了使用了透明导电基板形成图3所示的太阳能电池的方法的各个实施例，然而，本领域的技术人员可以理解通过使用玻璃基板并且在导电玻璃上淀积电极层而代替透明导电基板，可以形成图2所示的太阳能电池。以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。 不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种太阳能电池，包括下电极组件、上电极组件、用于将下电极组件和上电极组件组装在一起并形成密闭空间的密封剂、以及容纳在密闭空间中的电解质，其中下电极组件包括下透明导电基板、在下透明导电基板上形成的纳米氧化物半导体薄膜、以及在纳米氧化物半导体薄膜中的纳米颗粒表面上附着的染料，并且上电极组件包括上透明导电基板，太阳光从上电极组件一侧入射，其中所述上电极组件还包括在上透明导电基板上形成的α -Si薄膜太阳能电池，所述 α -Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜，N型α-Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜相对设置，并且N型α-Si薄膜和纳米氧化物半导体薄膜与电解质接触。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述α-Si薄膜太阳能电池的吸收光谱与染料的吸收光谱互补。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中所述染料是染料Ν719。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个是FTO导电玻璃。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个包括玻璃基板、以及在玻璃基板上形成的电极层。
6.一种制造太阳能电池的方法，包括以下步骤制作上电极组件，其中在上透明导电基板上形成α-Si薄膜太阳能电池，所述α-Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜；制作下电极组件，其中在下透明导电基板上形成纳米氧化物半导体薄膜，以及在纳米氧化物半导体薄膜上附着染料；以及采用密封剂，将上电极组件和下电极组件组装在一起，其中N型α -Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜彼此相对，以形成密闭空间，在密闭空间中注入电解质。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述α-Si薄膜太阳能电池的吸收光谱与染料的吸收光谱互补。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述染料是染料Ν719。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个是FTO导电玻璃。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述下透明导电基板和所述上透明导电基板中的至少一个包括玻璃基板、以及在玻璃基板上形成的电极层。
11.根据权利要求6所述的方法，其中在制作上电极组件的步骤中，采用等离子增强化学气相淀积形成P型α -Si薄膜、I型α -Si薄膜和N型α -Si薄膜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中形成P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型 α -Si薄膜的步骤在同一反应室中原位进行。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在形成P型α-Si薄膜的步骤中，采用硼烷提供 P型掺杂剂。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在形成N型α-Si薄膜的步骤中，采用磷烷提供 N型掺杂剂。
15.根据权利要求6所述的方法，其中在制作下电极组件的步骤中，采用丝网印刷在下透明导电基板上形成纳米氧化物半导体薄膜。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在丝网印刷的步骤中，使用纳米TiO2浆料。
全文摘要
本申请公开了一种太阳能电池及其制造方法，该太阳能电池包括下电极组件、上电极组件、用于将下电极组件和上电极组件组装在一起并形成密闭空间的密封剂、以及容纳在密闭空间中的电解质，其中下电极组件包括下透明导电基板、在下透明导电基板上形成的纳米氧化物半导体薄膜、以及在纳米氧化物半导体薄膜中的纳米颗粒表面上附着的染料，并且上电极组件包括上透明导电基板，太阳光从上电极组件一侧入射，其中所述上电极组件还包括在上透明导电基板上形成的α-Si薄膜太阳能电池，所述α-Si薄膜太阳能电池包括依次堆叠的P型α-Si薄膜、I型α-Si薄膜和N型α-Si薄膜，N型α-Si薄膜与纳米氧化物半导体薄膜相对设置，并且N型α-Si薄膜和纳米氧化物半导体薄膜与电解质接触。
文档编号H01L51/44GK102157693SQ20111003209
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年2月10日
发明者刘力锋, 康晋锋, 张天舒, 王宝, 王旭, 王漪, 王琰, 范志伟, 陆自清 申请人:北京大学
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