專利名稱：硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅納米線陣列太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，屬于太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景面對(duì)全球能源短缺危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，世界各國(guó)積極研究和開(kāi)發(fā)利用可再生能 源，從而實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。其中，太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為可再生能 源的焦點(diǎn)。假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6x1012 千瓦小時(shí)，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因而太陽(yáng)能被認(rèn)為是能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化的 最佳解決途徑。太陽(yáng)能電池是通過(guò)半導(dǎo)體p-n結(jié)的光伏效應(yīng)(photovoltaic effect)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把 光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前商業(yè)化太陽(yáng)能電池以單晶硅和非晶硅為主。當(dāng)前，人們除大量 應(yīng)用單晶硅太陽(yáng)電池外[參見(jiàn)專利專利號(hào)JP5243597-A;專利號(hào)KR2002072736-A]，還研制 成功了多晶硅電池[參見(jiàn)專利專利號(hào)US5949123-A]、非晶硅電池[參見(jiàn)專利專利號(hào) JP2002124689-A;專利號(hào)US6307146"B1]、薄膜太陽(yáng)電池等各種新型的電池[參見(jiàn)專利專利 號(hào)JP2002198549-A]，并且還再不斷地研制各種新材料、新結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池[參見(jiàn)專利專利 號(hào)DE19743692-A; DE19743692-A1]。在第三代低成本高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池研發(fā)競(jìng)賽中， 納米技術(shù)作為建造更好的太陽(yáng)能電池的一種新方法出現(xiàn)了。 1991年，瑞士洛桑高等理工學(xué)院 Gratzel教授率先發(fā)明了二氧化鈦納米晶薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池[B. O'Regan, M. Gratzel, A low-cost, high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal Ti02 films. Nature 1991, 353, 737-740]，其光電能量轉(zhuǎn)換率在AM 1.5模擬日光照射下可達(dá)7.1%,接近了多晶硅電池的轉(zhuǎn) 換效率。2005年美國(guó)加州大學(xué)的楊培東教授課題組首次采用一維ZnO納米線作為太陽(yáng)能電池 的陽(yáng)極材料，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.5% [M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson, et al. Nanowire dye-sensitized solar cells. Nature Materials 2005,4， 455>459]。 2007年，美國(guó)圣母大學(xué) 的Kamat等人將二氧化鈦的納米顆粒吸附于單壁式納米碳管上，利用納米碳管來(lái)引導(dǎo)光生電 荷載子的流動(dòng)，使電荷更容易到達(dá)電極成為電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池紫外光轉(zhuǎn)換為電流的 效率為僅使用二氧化鈦的兩倍[A. Kongkanand, R.M. Dominguez^ P.V. Kamat> Single Wall Carbon Nanotube Scaffolds for Photoelectrochemical Solar Cells. Capture and Transport of Photogenerated Electrons Nano Letter 2007， 7,676-680 ]。與其它半導(dǎo)體材料相比較，硅材料含 量豐富而且廉價(jià)，同時(shí)與目前的半導(dǎo)體微加工工藝兼容，因此基于硅納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池正受到越來(lái)越多的重視。在我們發(fā)明的制備大面積納米硅線陣列的技術(shù)基礎(chǔ)上[參見(jiàn)中國(guó)專利CN1382626;中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?005100117533; Kuiqing Peng, Mingliang Zhang, Aijiang Lu, NingBew Wong， Ruiqin Zhang, Shuk-Tong Lee. Ordered Si nanowire arrays via N加osphere Lithography and Metal-induced etching. Applied Physics Letters 2007, 90， 163123],我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于我們具有 Q主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)制備的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置。相對(duì)傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池，硅 納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池是一種新型的納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)和提供一種具有新型結(jié)構(gòu)且光吸收能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率高的硅納米線 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明提出的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，它含有透光玻璃、透明氧化銦錫(ITO) 導(dǎo)電薄膜層、石墨層、絕緣封閉層、電解質(zhì)溶液、n型硅納米線陣列層、n型硅基底層、Ti/Pd/Ag 金屬膜歐姆接觸電極層，其特征在于所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的下述各層，(O透光玻璃層，其作用是透過(guò)太陽(yáng)光；(2) 透明ITO導(dǎo)電薄膜層，其作用是作為引出電極；(3) 石墨層，其作用是作為輔助電極；(4) 絕緣封閉層，其作用是防止電解質(zhì)溶液泄漏；(5) 電解質(zhì)溶液，其作用是傳遞電荷；(6) n型硅納米線陣列層，位于n型硅基底之上，作為太陽(yáng)能電池的光活性層(7) n型硅基底層，位于Ti/Pd/Ag金屬膜電極之上，其作用是作為太陽(yáng)能電池的基區(qū)；(8) Ti/Pd/Ag金屬膜歐姆接觸電極層，其作用是作為引出電極。 其主要特征在于電解質(zhì)溶液層和n型硅基底之間是n型硅納米線陣列層 本發(fā)明用我們發(fā)明的納米硅線及其陣列的制備方法，首先在n型硅基底表面腐蝕制備出大面積的n型納米硅線陣列，并用真空蒸鍍法在n型硅基底面先后沉積Ti、 Pd、 Ag金屬薄膜 形成歐姆接觸電極。利用磁控濺射技術(shù)在透光玻璃表面沉積一層氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄 膜，并將一層石墨涂在ITO導(dǎo)電薄膜表面。隨后將電解質(zhì)溶液封閉在n型硅納米線陣列層和 石墨層之間。在兩面的引出電極上引出外引線，便得到了一個(gè)單片的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng) 能電池。


圖1為本發(fā)明的納米硅線太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖。 1透光玻璃層2透明ITO導(dǎo)電薄膜層 3石墨層 4絕緣封閉層 5電解質(zhì)溶液6 n型硅納米線陣列層7 n型硅基底層8 Ti/Pd/Ag金屬膜歐姆接觸電極層具體實(shí)施方式
1本發(fā)明用我們發(fā)明的納米硅線及其的制備方法，首先在n型硅襯底拋光面腐蝕制備出大 面積n型納米硅線陣列，然后用高真空蒸鍍法在n型硅襯底底面依次順序沉積Ti、 Pd、 Ag 三種金屬薄膜形成歐姆接觸電極。隨后利用磁控濺射技術(shù)在透光玻璃表面沉積一層氧化銦錫 (ITO)透明導(dǎo)電薄膜，并將一層石墨涂在ITO導(dǎo)電薄膜表面。最后將溴水和溴化氫電解質(zhì) 水溶液封閉在n型硅納米線陣列層和石墨層之間。在兩面的引出電極上引出外引線，便得到 了一個(gè)單片的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池。
具體實(shí)施方式
2本發(fā)明用我們發(fā)明的納米硅線及其的制備方法，首先在n型硅襯底拋光面腐蝕制備出大 面積n型納米硅線陣列，然后用高真空蒸鍍法在n型硅襯底底面依次順序沉積Ti、 Pd、 Ag 三種金屬薄膜形成歐姆接觸電極。隨后利用磁控濺射技術(shù)在透光玻璃表面沉積一層氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜，并將一層石墨涂在ITO導(dǎo)電薄膜表面。最后將碘和碘化氫電解質(zhì)水 溶液封閉在n型硅納米線陣列層和石墨層之間。在兩面的引出電極上引出外引線，便得到了-個(gè)單片的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池。
具體實(shí)施方式
3本發(fā)明用我們發(fā)明的納米硅線及其的制備方法，首先在n型硅襯底拋光面腐蝕制備出大 面積n型納米硅線陣列，然后用高真空蒸鍍法在n型硅襯底底面依次順序沉積Ti、 Pd、 Ag 三種金屬薄膜形成歐姆接觸電極。隨后利用磁控濺射技術(shù)在透光玻璃表面沉積一層氧化銦錫 (ITO)透明導(dǎo)電薄膜，并將一層石墨涂在ITO導(dǎo)電薄膜表面。最后將含Me2Fc/Me2Fc+的 LiC104-CH3OH電解質(zhì)溶液封閉在n型硅納米線陣列層和石墨層之間。在兩面的引出電極上引 出外引線，便得到了一個(gè)單片的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池。
具體實(shí)施方式
4本發(fā)明用我們發(fā)明的納米硅線及其的制備方法，首先在n型硅襯底拋光面腐蝕制備出大 面積n型納米硅線陣列，然后用高真空蒸鍍法在n型硅襯底底面依次順序沉積Ti、 Pd、 Ag三種金屬薄膜形成歐姆接觸電極。隨后利用磁控濺射技術(shù)在透光拔璃表面沉積一層氧化銦錫 (ITO)透明導(dǎo)電薄膜，并將一層石墨涂在ITO導(dǎo)電薄膜表面。最后將含F(xiàn)e^/F^+電解質(zhì)溶液封閉在n型硅納米線陣列層和石墨層之間。在兩面的引出電極上引出外引線，便得到了一 個(gè)單片的硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池。
權(quán)利要求
1. 硅納米線光電化學(xué)太陽(yáng)能電池，它含有透光玻璃、透明氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜層、石墨層、絕緣封閉層、電解質(zhì)溶液、n型硅納米線陣列層、n型硅基底層、Ti/Pd/Ag金屬膜歐姆接觸電極層，其特征在于所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的下述各層，(1)透光玻璃層，其作用是透過(guò)太陽(yáng)光；(2)透明ITO導(dǎo)電薄膜層，其作用是為引出電極；(3)石墨層，其作用是作為輔助電極；(4)絕緣封閉層，其作用是防止電解質(zhì)溶液泄漏；(5)電解質(zhì)溶液，其作用是傳遞電荷；(6)n型硅納米線陣列層，位于n型硅基底之上，作為太陽(yáng)能電池的光活性層；(7)n型硅基底層，位于Ti/Pd/Ag金屬膜電極之上，其作用是作為太陽(yáng)能電池的基區(qū)；(8)Ti/Pd/Ag金屬膜歐姆接觸電極層，其作用是作為引出電極。其主要特征在于電解質(zhì)溶液層和n型硅基底之間是n型硅納米線陣列層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域的硅納米線陣列太陽(yáng)能電池裝置。其特征在于所述電解質(zhì)溶液層和n型硅基底之間是n型硅納米線陣列層。所述太陽(yáng)能電池含有依次相疊的各層為透光玻璃層，其作用是透過(guò)太陽(yáng)光；透明氧化銦錫導(dǎo)電薄膜層，作為引出電極；石墨層，作為輔助電極；絕緣封閉層，其作用是防止電解質(zhì)溶液泄漏；電解質(zhì)溶液，其作用是傳遞電荷；n型硅納米線陣列層，位于n型硅基底之上，作為太陽(yáng)能電池的光活性層；n型硅基底層，作為太陽(yáng)能電池的基區(qū)；Ti/Pd/Ag金屬膜歐姆接觸電極層，作為引出電極。本發(fā)明提供的這種具有新型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，光吸收能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號(hào)H01L51/42GK101262019SQ20081008420
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者彭奎慶 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)