一種薄膜光能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種薄膜光能電池，包括：硅薄膜光能電池板、表面等離子激元膜、定向碳納米管薄膜；所述硅薄膜光能電池板位于最底層，所述定向碳納米管薄膜位于最頂層，所述表面等離子激元膜處于硅薄膜光能電池板和定向碳納米管薄膜之間；所述定向碳納米管薄膜，包括垂直生長(zhǎng)的碳納米管，用于吸收全部入射光，使入射光到達(dá)表面等離子激元膜；所述表面等離子激元膜，用于結(jié)合定向碳納米管薄膜和硅薄膜光能電池板。本發(fā)明還同時(shí)公開了一種薄膜光能電池的制備方法。采用本發(fā)明，能減少由于光照角度變化而引起的光反射，進(jìn)而減少光能損耗，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】一種薄膜光能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光能電池技術(shù)，尤其涉及一種薄膜光能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光能電池是用硅材料作為基底，利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換的一種電池，這種綠色能源被廣泛應(yīng)用于照明、移動(dòng)通信器材、航天技術(shù)等，對(duì)光能電池的研究是對(duì)新型能源的重要探索。
[0003]目前，在能源領(lǐng)域中，研究人員對(duì)光能電池的研究，主要是對(duì)硅材料進(jìn)行優(yōu)化；或者是將別的元素?fù)饺牍璨牧现?，形成新的化合物來嘗試提高光電轉(zhuǎn)換效率。關(guān)于硅基光能電池的實(shí)際效率，一般認(rèn)為電池所達(dá)到的功率與作用于電池表面的太陽光功率的比值，大量的理論計(jì)算證明，對(duì)于禁帶寬度為Eg= 1.lev的材料，其效率為25%。所以，對(duì)于硅基光能電池，如果只限于研究硅材料，是很難突破這個(gè)效率的；而且研究方向發(fā)散性比較大，在摸索中尋找合適的材料，存在一定的不確定因素，需要從另一個(gè)方向來研究，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0004]另外，人們通常采用絨面薄膜和高效背反射層來增強(qiáng)薄膜光能電池的吸收效率，這樣，能起到一定的作用。但是，近來研究人員又發(fā)現(xiàn)金屬納米顆粒激發(fā)表面等離子體激元，能增強(qiáng)硅薄膜光能電池的光吸收，因此，正在對(duì)這種作用的物理機(jī)理做積極的研究。
[0005]然而，對(duì)于光能電池而言，由于日照的光線角度是隨著地球的自轉(zhuǎn)而變化的，那么，光能電池吸收的太陽光每天不同時(shí)候都是從不同角度照射的。當(dāng)光垂直照射的時(shí)候沒有反射光線，因而能全部吸收太陽能；但當(dāng)光斜入射的時(shí)候，就會(huì)有一部分能量隨著反射而損失掉，這種情況下，單從改善硅材料方面考慮，是無法來挽回這部分能量的；或者采用絨面和背反射層，作用也是微弱的。這是光能電池在接收光能上的一個(gè)缺陷，需要通過另一個(gè)思路來考慮，防止這部分能量的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種薄膜光能電池及其制備方法，能減少由于光照角度變化而引起的光反射，進(jìn)而減少光能損耗，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供了一種薄膜光能電池，所述電池包括:硅薄膜光能電池板、表面等離子激元膜、定向碳納米管薄膜；
[0009]所述硅薄膜光能電池板位于最底層，所述定向碳納米管薄膜位于最頂層，所述表面等離子激元膜處于硅薄膜光能電池板和定向碳納米管薄膜之間；
[0010]所述定向碳納米管薄膜，包括垂直生長(zhǎng)的碳納米管，用于吸收全部入射光，使入射光到達(dá)表面等離子激元膜；
[0011]所述表面等離子激元膜，用于結(jié)合定向碳納米管薄膜和硅薄膜光能電池板。
[0012]本發(fā)明還提供了一種薄膜光能電池的制備方法，該方法包括:[0013]在表面等離子激元膜上生長(zhǎng)定向碳納米管薄膜；
[0014]將生長(zhǎng)有定向碳納米管薄膜的表面等離子激元膜鍍到硅薄膜光能電池板上。
[0015]上述方案中，采用碳?xì)浠衔锎呋纸獾姆椒ㄔ诒砻娴入x子激元膜上生長(zhǎng)定向碳納米管薄膜。
[0016]上述方案中，所述鍍到為電鍍。
[0017]本發(fā)明所提供的薄膜光能電池及其制備方法，在硅薄膜光能電池板表面增加一層定向碳納米管薄膜，并用表面等離子激元膜作為定向碳納米管薄膜和硅薄膜光能電池板的結(jié)合層；且定向碳納米管薄膜中的碳納米管垂直生長(zhǎng)；如此，碳納米管之間形成的空隙，可使光線在其中多次反射后直到薄膜內(nèi)部，無法逸出，使得定向碳納米管薄膜對(duì)太陽光有較強(qiáng)的吸收作用。本發(fā)明通過改變光能電池的表面膜層結(jié)構(gòu)，從另一個(gè)角度解決了提高光能轉(zhuǎn)換效率的問題，解決了光能電池由于入射光線角度的變化，所引起的反射光能損失的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明薄膜光能電池的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為532nm的綠光源垂直照射的圓斑示意圖；
[0020]圖3為光線最大輻照角度照射在光能電池板上的橢圓斑示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明薄膜光能電池與普通光能電池的開路電壓比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的基本思路是:在硅薄膜光能電池板表面增加一層由垂直生長(zhǎng)的碳納米管構(gòu)成的定向碳納米管(CNT, Carbon Nano Tube)薄膜,且用表面等離子激元(SPP, SurfacePlasmon Polariton)膜作為定向碳納米管薄膜和娃薄膜光能電池板的結(jié)合層。
[0023]其中，垂直生長(zhǎng)的碳納米管可以減少不同角度入射光的反射光損耗；所述表面等離子激元膜能保證光能良好地傳輸?shù)焦璞∧す饽茈姵匕迳稀?br> [0024]本發(fā)明提供的薄膜光能電池，如圖1所示，包括:硅薄膜光能電池板、表面等離子激元膜、定向碳納米管薄膜；硅薄膜光能電池板位于最底層，定向碳納米管薄膜位于最頂層，表面等離子激元膜處于硅薄膜光能電池板和定向碳納米管薄膜之間，作為定向碳納米管薄膜和硅薄膜光能電池板的結(jié)合層。其中，
[0025]所述定向碳納米管薄膜，包括垂直生長(zhǎng)的碳納米管，用于吸收全部入射光，使入射光到達(dá)表面等離子激元膜；
[0026]所述表面等離子激元膜，用于結(jié)合定向碳納米管薄膜和硅薄膜光能電池板。
[0027]在實(shí)際應(yīng)用中，光從某一個(gè)角度入射到定向碳納米管薄膜，由于定向碳納米管薄膜中的碳納米管垂直于表面等離子激元膜和硅薄膜光能電池板排列，因此，在碳納米管之間形成狹長(zhǎng)的空隙，尺寸正好對(duì)應(yīng)于可見光的波長(zhǎng)范圍。這樣，當(dāng)入射光到達(dá)定向碳納米管薄膜表面時(shí)，這些小空隙如同無數(shù)個(gè)陷阱，使光線在其中多次反射后直到薄膜內(nèi)部，無法逸出，使得此定向碳納米管薄膜對(duì)太陽光有較強(qiáng)的吸收作用，幾乎可以達(dá)到“零”反射的效果。然后，入射光經(jīng)過表面等離子激元膜，表面等離子激元膜具有透射增強(qiáng)效應(yīng)，能夠使入射光良好地傳輸?shù)焦璞∧す饽茈姵匕迳希a(chǎn)生光伏效應(yīng)。[0028]對(duì)應(yīng)圖1所示的薄膜光能電池，本發(fā)明還提供了薄膜光能電池的制備方法，具體包括如下步驟:
[0029]步驟10、在表面等離子激元膜上生長(zhǎng)定向碳納米管薄膜。
[0030]這里，所述在表面等離子激元膜上生長(zhǎng)定向碳納米管薄膜可采用碳?xì)浠衔锎呋纸獾姆椒ǎ凰霰砻娴入x子激元膜可采用現(xiàn)有的表面等離子激元膜。
[0031]其中，定向碳納米管薄膜中的碳納米管垂直生長(zhǎng)。
[0032]舉個(gè)具體例子來說，以二茂鐵Fe(C5H5)2為催化劑，乙炔為碳源，氮?dú)鉃檩d氣，催化劑的量和碳源的流量比為Ig: 100mL/min左右；載氣和碳源的流量比為隊(duì):C2H2 = 2: I到4: I,氣體的總流量不超過300mL/min ;
[0033]將現(xiàn)有的表面等離子激元膜作為基底，放入多溫區(qū)臥式柱體反應(yīng)爐，石英管作為反應(yīng)室，在反應(yīng)爐的兩個(gè)管口分別準(zhǔn)備好氮?dú)?載氣)和乙炔(碳源)；
[0034]升爐溫，當(dāng)反應(yīng)溫度為700?800°C的時(shí)候，放入氮?dú)夂鸵胰玻獨(dú)獾牧髁繛?00?300mL/min,乙塊的流量為 40 ?10OmT,/miη ；
[0035]定向碳納米管薄膜的組織形貌可用掃描電鏡觀察分析，當(dāng)看到生長(zhǎng)的膜層形成垂直柱狀時(shí)，先退去碳源，再退載氣，開始降溫；降至常溫，取出生長(zhǎng)好定向碳納米管薄膜的表面等離子激元膜。
[0036]步驟20、將生長(zhǎng)有定向碳納米管薄膜的表面等離子激元膜鍍到硅薄膜光能電池板上。
[0037]其中，所述鍍到可采用電鍍的方法。
[0038]下面結(jié)合具體實(shí)施例的附圖和數(shù)據(jù)詳細(xì)說明采用本發(fā)明提供的薄膜光能電池達(dá)到的效果。
[0039]采用表面等離子激元膜和定向碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)的薄膜光能電池樣品制備完成后，將該薄膜光能電池與普通的硅薄膜光能電池做實(shí)驗(yàn)對(duì)比。其中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為:使用電源穩(wěn)壓源、波長(zhǎng)為532nm的綠光激光器、單晶硅光能電池兩塊、萬用表；其中，所述兩塊單晶硅光能電池，一塊是本發(fā)明制備的單晶硅薄膜光能電池，另一塊是普通的單晶硅光能電池，沒有表面等離子激元膜和定向碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)，其它參數(shù)都一樣。進(jìn)一步的，為了排除入射光受其他光源的干擾，選擇在晚上做實(shí)驗(yàn)，這樣，能獲得唯一光源(綠光激光器)的照射，當(dāng)光源改變照射角度時(shí)，能有效地測(cè)得光能電池相關(guān)數(shù)值。
[0040]首先，接通綠光激光器的電源，將532nm綠光激光器作為唯一光源，由于激光的方向性很強(qiáng)，能夠清晰地觀察測(cè)量到角度改變對(duì)光能電池的影響。輸入穩(wěn)定的交流電壓3V，可制備出具有定向碳納米管薄膜的薄膜光能電池樣品是長(zhǎng)9cm、寬3cm的矩形，根據(jù)薄膜光能電池的輻照度，要盡可能多地照射到薄膜光能電池表面，具體就是照射在定向碳納米管薄膜上，這樣能激發(fā)出更多的光電子，獲得更多的能量。
[0041]其次，改變角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，由于綠光激光器是點(diǎn)狀的光源，所以垂直照射是個(gè)圓斑，如圖2所示,所投射到薄膜光能電池表面的面積是h = 3cm, R = 3cm的圓斑,不能將薄膜光能電池表面盡可能大面積地照射到，所產(chǎn)生的能量不會(huì)是最大的，其轉(zhuǎn)換效率也會(huì)比較低。經(jīng)過計(jì)算，光線入射的最優(yōu)角為38°，如圖3所示，光源按照最優(yōu)角38°照射下去，是一個(gè)h = 3cm,R = 9cm的橢圓形的斑,在保證薄膜光能電池的長(zhǎng)寬比的同時(shí),也將光源的能量盡可能多的照射到薄膜光能電池表面上，以彌補(bǔ)垂直照射無法有最大輻照度的缺陷。[0042]當(dāng)光斑垂直照射在兩塊單晶硅光能電池時(shí)，兩者都不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生反射而能量損失，但斜入射的情況下，普通的光能電池會(huì)因?yàn)榉瓷?，部分能量不能有效地被光能電池吸收，但本發(fā)明的薄膜光能電池由于有定向碳納米管薄膜層的存在，所以能很好地解決反射損失的問題。
[0043]將本發(fā)明的薄膜光能電池作為測(cè)試樣本，發(fā)現(xiàn)沒有反射現(xiàn)象出現(xiàn)；垂直生長(zhǎng)碳納米管的技術(shù)特性，可使光源的能量全部被光能電池吸收。圖4為一組測(cè)量的開路電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，其中，X軸為照射角度用w表示，Y軸為開路電壓用Uoc表示，單位是:V。
[0044]如圖4所示，其中，折線501為本發(fā)明薄膜光能電池的開路電壓隨著角度變化的曲線，折線502為普通光能電池的開路電壓隨著角度變化的曲線。實(shí)驗(yàn)起初測(cè)量從垂直入射開始，能夠明顯看出，在同為90°的情況下，開路電壓都是U。。= 3.775V，當(dāng)有角度變化的時(shí)候，直到最優(yōu)角38°，普通光能電池的開路電壓隨著角度變化在不斷增大，這是因?yàn)?，雖然有了輕微的反射現(xiàn)象存在，有一小部分能量損失，但所照射的硅板面積同時(shí)也在增大，激發(fā)出的光電子越來越多，損失的光子數(shù)與增加輻照面積而得的光電子相比是占比較少的份量，所以電壓增加。但從38°之后電壓開始減少，雖然能保持一定的輻照面積，但反射出去的能量越來越多，光子的數(shù)量在遞減，所以電壓減少。
[0045]從上述數(shù)據(jù)來看，本發(fā)明的薄膜光能電池吸收能量的效果很好，隨著角度的改變，電壓是保持增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，一直到最優(yōu)角38°時(shí)；與普通光能電池比較，本發(fā)明的薄膜光能電池的電壓比普通光能電池高，從30°到10°輻射角，本發(fā)明的薄膜光能電池的電壓是飽和穩(wěn)定的；定向碳納米管將反射出去的能量都吸收回來了，在輻射角度變化的過程中沒有損失掉反射出去的能量。通過比較，可以看出，本發(fā)明的薄膜光能電池的開路電壓得到了改善，相應(yīng)地，薄膜光能電池的效率也提高了。
[0046]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜光能電池，其特征在于，所述電池包括:硅薄膜光能電池板、表面等離子激元膜、定向碳納米管薄膜； 所述硅薄膜光能電池板位于最底層，所述定向碳納米管薄膜位于最頂層，所述表面等離子激元膜處于硅薄膜光能電池板和定向碳納米管薄膜之間； 所述定向碳納米管薄膜，包括垂直生長(zhǎng)的碳納米管，用于吸收全部入射光，使入射光到達(dá)表面等離子激元膜； 所述表面等離子激元膜，用于結(jié)合定向碳納米管薄膜和硅薄膜光能電池板。
2.—種薄膜光能電池的制備方法,其特征在于,該方法包括: 在表面等離子激元膜上生長(zhǎng)定向碳納米管薄膜； 將生長(zhǎng)有定向碳納米管薄膜的表面等離子激元膜鍍到硅薄膜光能電池板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，采用碳?xì)浠衔锎呋纸獾姆椒ㄔ诒砻娴入x子激元膜上生長(zhǎng)定向碳納米管薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述鍍到為電鍍。
【文檔編號(hào)】H01L31/0216GK103515455SQ201210201719
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】孫瑋 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司