專利名稱：一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，具體地說(shuō)是一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
光伏效應(yīng)有四種常見(jiàn)的產(chǎn)生機(jī)制，即肖特基勢(shì)魚(yú)機(jī)制、P_n結(jié)機(jī)制、異質(zhì)結(jié)機(jī)制以及激子機(jī)制?，F(xiàn)有的太陽(yáng)能電池都是利用上述一種或幾種光伏機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。例如硅太陽(yáng)能電池是利用P_n結(jié)機(jī)制，而有機(jī)太陽(yáng)能電池主要是利用激子機(jī)制。用于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料，最常見(jiàn)的是硅(包括單晶、多晶、非晶)，其次是砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物，再次是染料分子、聚合物等有機(jī)材料，以及用作電極的二氧化鈦等氧化物。目前，硅、薄膜、染料敏化以及聚合物等太陽(yáng)能電池，在轉(zhuǎn)換效率、原料成本、穩(wěn)定性、環(huán)境污染、制作工藝、元素豐度等方面，均有各自的局限。例如，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高、工藝成熟，但原料成本很高；非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池成本低、轉(zhuǎn)換效率較高，但穩(wěn)定性不高；硫化鎘薄膜電池轉(zhuǎn)換效率較高、易于大規(guī)模生產(chǎn)，但鎘有劇毒，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；銅銦硒薄膜電池轉(zhuǎn)換效率較高、價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單，但銦和硒是低豐度的元素，材料來(lái)源成問(wèn)題；染料敏化太陽(yáng)能電池價(jià)格低、效率較高，但工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性差；聚合物太陽(yáng)能電池價(jià)格低、工藝簡(jiǎn)單，但效率低，仍處于研究開(kāi)發(fā)階段。綜上所述，在太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，探索新的光伏機(jī)理、開(kāi)發(fā)新的光伏材料，對(duì)于提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率、降低原料成本、減小環(huán)境污染、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、保證穩(wěn)定性等，具有重要的工業(yè)應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，具有新的光伏效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理，有助于開(kāi)發(fā)低成本、零污染、工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高的新型半導(dǎo)體氧化物太陽(yáng)能電池。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，由兩片大小相同的導(dǎo)電玻璃和一層極化子氧化物薄膜構(gòu)成中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極化子氧化物薄膜夾在兩片導(dǎo)電玻璃之間，并將兩片導(dǎo)電玻璃隔開(kāi)，導(dǎo)電玻璃與極化子氧化物薄膜相鄰的一面具有導(dǎo)電膜，兩片導(dǎo)電玻璃錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，導(dǎo)電玻璃的一端邊緣與極化子氧化物薄膜邊緣對(duì)齊，另一端突出于極化子氧化物薄膜，兩片導(dǎo)電玻璃突出于極化子氧化物薄膜部分的導(dǎo)電膜分別與電池的正、負(fù)極引線連接。所述的極化子氧化物為金紅石相二氧化鈦、氧化鐵或氧化鎢。所述的基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的制備方法，采用兩片大小相同的導(dǎo)電玻璃作為電極，采用極化子氧化物作為極化子半導(dǎo)體材料，制備步驟為步驟一、將極化子氧化物放入研磨器中，以丙酮為溶劑研磨I小時(shí)，保證顆粒尺度要小于10微米。[0009]步驟二、取一片導(dǎo)電玻璃，將其設(shè)有導(dǎo)電膜的一面朝上放置，然后沿其一端的邊緣在導(dǎo)電膜上粘貼膠帶，粘貼的膠帶總厚度為10 —100微米，將步驟一研磨好的極化子氧化物混合液 均勻涂抹在該導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電膜上，控制涂抹厚度，使極化子氧化物涂層與膠帶相平。步驟三、待極化子氧化物涂層中的丙酮揮發(fā)后，另取一塊導(dǎo)電玻璃，將其設(shè)有導(dǎo)電膜的一面朝下設(shè)置，并使其一端的邊緣與貼有膠帶一側(cè)的極化子氧化物涂層邊緣對(duì)齊，將該導(dǎo)電玻璃蓋在極化子氧化物涂層上，使極化子氧化物涂層夾在兩片導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電膜之間，兩片導(dǎo)電玻璃突出于極化子氧化物涂層的部分作為電池的正、負(fù)極引線接線端。步驟四、揭去導(dǎo)電玻璃上的膠帶，將兩片導(dǎo)電玻璃連同夾在中間的極化子氧化物涂層放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理，將極化子氧化物涂層制成極化子氧化物薄膜，熱處理方法為以rc/分鐘的升溫速率逐漸升溫至300°C，然后在300°C保溫60分鐘，之后再自然降溫至室溫，熱處理結(jié)束后取出，即制得太陽(yáng)能電池。其中導(dǎo)電玻璃用作電極材料，極化子氧化物薄膜用作吸光的半導(dǎo)體材料。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的電池，產(chǎn)生光生電壓和電流的唯一來(lái)源就是電池兩側(cè)光照度的不同。對(duì)于無(wú)機(jī)氧化物半導(dǎo)體材料，其激子效應(yīng)一般很弱，可以不予考慮。但某些特殊氧化物材料，如金紅石相二氧化鈦和氧化鎢等，具有很強(qiáng)的極化子效應(yīng)，其電子能帶結(jié)構(gòu)中多出了極化子能帶。對(duì)于具有極化子效應(yīng)的氧化物材料，在光照側(cè)界面處，極化子和光生電子轉(zhuǎn)移速率上的巨大差異將導(dǎo)致電池產(chǎn)生數(shù)百毫伏的光生電壓；其開(kāi)路電壓的最大理論值是半導(dǎo)體導(dǎo)帶與極化子能帶間的能隙差。這就是本實(shí)用新型提出的基于界面極化子效應(yīng)的新光伏機(jī)理。本實(shí)用新型的有益效果是極化子氧化物半導(dǎo)體，如氧化鈦、氧化鐵、氧化鎢等，多是價(jià)格低、穩(wěn)定性高、無(wú)毒性、元素豐度高的材料，用在太陽(yáng)能電池里，可以降低原料成本、減小環(huán)境污染、保證穩(wěn)定性等。此外，極化子氧化物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池制作工藝很簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，新型極化子氧化物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池具有原料成本低、穩(wěn)定性好、無(wú)環(huán)境污染、制作工藝簡(jiǎn)單、元素豐度高等方面的優(yōu)勢(shì)。

圖I是本實(shí)用新型太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)記I、導(dǎo)電玻璃，2、導(dǎo)電膜，3、極化子氧化物薄膜，4、電池正極，5、電池負(fù)極，6、太陽(yáng)光入射方向。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖I所示為本實(shí)用新型制成的基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，該電池由兩片大小相同的導(dǎo)電玻璃I和一層極化子氧化物薄膜3構(gòu)成中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極化子氧化物薄膜3夾在兩片導(dǎo)電玻璃I之間，并將兩片導(dǎo)電玻璃I隔開(kāi)，導(dǎo)電玻璃I與極化子氧化物薄膜3相鄰的一面具有導(dǎo)電膜2，兩片導(dǎo)電玻璃I錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，導(dǎo)電玻璃I的一端邊緣與極化子氧化物薄膜3邊緣對(duì)齊，另一端突出于極化子氧化物薄膜3，兩片導(dǎo)電玻璃I突出于極化子氧化物薄膜3部分的導(dǎo)電膜2分別與電池的正、負(fù)極引線連接。本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池導(dǎo)電玻璃I作為電極，導(dǎo)電玻璃I由平板玻璃和導(dǎo)電膜組成，導(dǎo)電膜設(shè)置在平板玻璃的一個(gè)表面上。半導(dǎo)體吸光材料由極化子氧化物薄膜3構(gòu)成，在太陽(yáng)光入射方向6的太陽(yáng)光的照射下,在電池正極4與電池負(fù)極5間會(huì)產(chǎn)生電壓和電流。本實(shí)用新型的基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的制備方法為采用兩片大小相同的導(dǎo)電玻璃作為電極，采用極化子氧化物作為極化子半導(dǎo)體材料，制備步驟為步驟一、研磨多晶極化子氧化物原料，原料純度為99. 9%。將極化子氧化物放入研磨器中研磨至10微米以下，并保證顆粒均勻。研磨時(shí)以丙酮為溶劑，丙酮的加入量按照常規(guī)的研磨溶劑用量即可。步驟二、取一片導(dǎo)電玻璃，將其設(shè)有導(dǎo)電膜的一面朝上放置，該導(dǎo)電玻璃的一端作為預(yù)留的電極，沿該預(yù)留端的邊緣在導(dǎo)電膜上粘貼膠帶，粘貼的膠帶總厚度為10 — 100微米，將步驟一研磨好的極化子氧化物混合液均勻涂抹在該導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電膜上，控制涂抹厚度，使極化子氧化物涂層與膠帶相平；粘貼的膠帶總厚度即為氧化物薄膜的厚度，氧化物 薄膜的厚度在10 — 100微米范圍內(nèi)是可行的。步驟三、待極化子氧化物涂層中的丙酮揮發(fā)后，另取一塊導(dǎo)電玻璃，將其設(shè)有導(dǎo)電膜的一面朝下設(shè)置，并使其一端的邊緣與貼有膠帶一側(cè)的極化子氧化物涂層邊緣對(duì)齊，將該導(dǎo)電玻璃蓋在極化子氧化物涂層上，使極化子氧化物涂層夾在兩片導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電膜之間，按照?qǐng)DI所示的結(jié)構(gòu)將兩片導(dǎo)電玻璃壓制成電池，兩片導(dǎo)電玻璃突出于極化子氧化物涂層的部分作為電池的正、負(fù)極引線接線端。壓制成型后可以用常規(guī)方式將兩片導(dǎo)電玻璃固定，例如采用任何可行的固定件、夾具等方式。步驟四、揭去導(dǎo)電玻璃上的膠帶，將兩片導(dǎo)電玻璃連同夾在中間的極化子氧化物涂層放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理，通過(guò)熱處理將極化子氧化物涂層制成極化子氧化物薄膜，熱處理方法為以rc /分鐘的升溫速率逐漸升溫至300°C，然后在300°C保溫60分鐘，之后再自然降溫至室溫，熱處理結(jié)束后取出，即制得太陽(yáng)能電池。本實(shí)用新型中極化子氧化物可以采用金紅石相二氧化鈦、氧化鐵或氧化鎢等具有極化子效應(yīng)的氧化物。其中優(yōu)選采用金紅石相二氧化鈦，金紅石相二氧化鈦是一種典型的極化子半導(dǎo)體，常溫下幾乎沒(méi)有激子效應(yīng)。在光照條件下，如果該電池展示出顯著的光生電壓，其光生電壓不可能起源于激子機(jī)制，而只能起源于極化子機(jī)制。按照上述方法，采用金紅石相二氧化鈦?zhàn)鳛闃O化子半導(dǎo)體材料，制成厚度為50微米(由已知厚度為50微米的膠帶控制)的二氧化鈦薄膜，導(dǎo)電玻璃選用IT0。經(jīng)測(cè)量表明，該極化子二氧化鈦太陽(yáng)能電池在AMl. 5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射(1000 ff/m2)下，光照側(cè)為電池負(fù)極，反面為電池正極，電池正極與電池負(fù)極間最大開(kāi)路電壓是210毫伏，最大短路電流I微安/平方厘米，填充因子約為50%，光電轉(zhuǎn)換效率約為10_6。如果改變光照方向，該電池的輸出電壓隨之改變符號(hào)；若電池兩側(cè)接受同樣的光照，則輸出電壓為零。因此，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，基于界面極化子效應(yīng)的光伏機(jī)理成立。盡管該電池光電流較小、轉(zhuǎn)換效率低，但是通過(guò)氧化物材料的改性，可以顯著提高光電流的大??；若將電池的對(duì)稱結(jié)構(gòu)改為非對(duì)稱的，并和其它的半導(dǎo)體材料進(jìn)行耦合，其光電轉(zhuǎn)換效率將會(huì)得到進(jìn)一步的大幅提升，甚至能和現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池相媲美。
權(quán)利要求1.一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，其特征在于由兩片大小相同的導(dǎo)電玻璃(I)和一層極化子氧化物薄膜(3)構(gòu)成中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極化子氧化物薄膜(3)夾在兩片導(dǎo)電玻璃(I)之間，并將兩片導(dǎo)電玻璃(I)隔開(kāi)，導(dǎo)電玻璃(I)與極化子氧化物薄膜(3)相鄰的一面具有導(dǎo)電膜(2)，兩片導(dǎo)電玻璃(I)錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，導(dǎo)電玻璃(I)的一端邊緣與極化子氧化物薄膜(3)邊緣對(duì)齊，另一端突出于極化子氧化物薄膜(3)，兩片導(dǎo)電玻璃(I)突出于極化子氧化物薄膜(3)部分的導(dǎo)電膜(2)分別與電池的正、負(fù)極引線連接。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的極化子氧化物為金紅石相二氧化鈦、氧化鐵或氧化鎢。
專利摘要一種基于界面極化子效應(yīng)的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，由兩片大小相同的導(dǎo)電玻璃和一層極化子氧化物薄膜構(gòu)成中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極化子氧化物薄膜夾在兩片導(dǎo)電玻璃之間，并將兩片導(dǎo)電玻璃隔開(kāi)，導(dǎo)電玻璃與極化子氧化物薄膜相鄰的一面具有導(dǎo)電膜，兩片導(dǎo)電玻璃錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，導(dǎo)電玻璃的一端邊緣與極化子氧化物薄膜邊緣對(duì)齊，另一端突出于極化子氧化物薄膜，兩片導(dǎo)電玻璃突出于極化子氧化物薄膜部分的導(dǎo)電膜分別與電池的正、負(fù)極引線連接。該半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池制作工藝很簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，具有原料成本低、穩(wěn)定性好、無(wú)環(huán)境污染、制作工藝簡(jiǎn)單、元素豐度高等方面的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H01L31/032GK202423305SQ20122004219
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者李國(guó)嶺, 李立本 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)