[发明专利]一种中间能带太阳能电池及其光电转换薄膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其组成该电池的光电转换薄膜材料，具体地涉及一种具有中间能带(intermediate bands)的太阳能电池。

背景技术

由于全球对能源需求的日益增长和环保意识的提高，世界各国一直研发各种可行的替代清洁能源，其中又以太阳能最受瞩目。太阳能具有取之不尽、用之不竭等优点，是人类解决能源枯竭和环境污染问题的理想清洁能源。利用光电转换原理的太阳能器件，特别是光伏电池，是其能源利用的主要形式和载体。

自20世纪70年代美国贝尔实验室首先研制出硅太阳能电池以来，太阳能电池取得了长足的发展，具有多种类型，典型的有硅太阳能电池、Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)、CdTe、Cu₂ZnSn(Se，S)₄(CZTS)等薄膜电池以及染料敏化太阳能电池等。

太阳能难以广泛利用的根本原因是受限于当前器件偏低的光电转换效率与过高的制造成本。如单晶硅电池、CIGS等薄膜电池虽然转换效率较高，但是存在工艺复杂，原材料昂贵，或环境污染的瓶颈。而染料敏化太阳能电池虽然制造相对简单，但面临着转换效率偏低与电池稳定性的问题。

综上所述，本领域缺乏一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池。因此，本领域迫切需要开发一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池及其组成该电池的光电转换薄膜材料。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池。

本发明的第二目的在于获得一种用于转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池的光电转换薄膜材料。

本发明的第三目的在于获得一种光电转换薄膜材料的制备方法。

本发明的第四目的在于获得一种本发明的光电转换薄膜材料在提高光电转换效率方面的应用。

在本发明的第一方面，提供了一种中间能带太阳能电池，所述电池包括：

衬底；

设在衬底上的背电极；

设在背电极上的互补型薄膜；

设在所述互补型薄膜上的光电转换薄膜材料；其中，所述光电转换薄膜材料为具有中间能带的光电转换层；所述具有中间能带的光电转换层的母体材料采用TiO₂、ZnO、Si或III-V族半导体材料；

以及

金属电极。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的中间能带中间带太阳能电池包括：

衬底；

设在衬底上的背电极；

设在背电极上的互补型薄膜；

设在所述互补型薄膜上的光电转换薄膜材料；所述光电转换薄膜材料为具有中间能带的光电转换层；其中所述具有中间能带的光电转换层的母体材料优先采用TiO₂，也可以选择ZnO、Si或III-V族半导体等材料；以及

金属电极。

在本发明的一个具体实施方式中，所述具有中间能带的光电转换层的母体材料采用TiO₂。

在本发明的一个具体实施方式中，所述具有中间能带的光电转换层的母体材料含有1～5原子％的杂质原子或杂质原子对，所述百分比以母体材料的摩尔比计。

在本发明的一个具体实施方式中，所述杂质原子是不对等或非补偿型的n-p共掺杂的杂质原子。

在本发明的一个具体实施方式中，所述杂质原子对为不对等或非补偿型的n-p原子对组合。

所述“n-p原子对组合”也即n型与p型原子对组合。

在一个优选例中，掺入母体材料的n型原子贡献电子而p型原子贡献空穴，但是两者贡献的电子数与空穴数不对等。

在本发明的一个具体实施方式中，当所述母体材料采用TiO₂时，所述的不对等n-p原子对组合选择Cr-N、Mo-N、W-N、Mo-P、或W-P。

在本发明的一个具体实施方式中，所述具有中间能带的光电转换层中，引入的中间能带E_i位于其母体材料的价带顶E_v与导带底E_c之间。

本发明第二方面提供一种用于中间能带太阳能电池的光电转换薄膜材料，所述光电转换薄膜材料包括：

具有中间能带的光电转换层；所述具有中间能带的光电转换层的母体材料采用TiO₂、ZnO、Si或III-V族半导体材料，优选采用TiO₂；