一种染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃及其制备方法与流程

本发明涉及发电玻璃技术领域，具体是一种染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃及其制备方法。

背景技术：

发电玻璃是直接将光能转换成电能的元件，由于太阳辐射光谱的范围（0～4eV）非常宽，根据光伏效应原理，由单一半导体材料构成的单节太阳能电池，仅能将太阳能辐射光谱中的一部分光能转换成电能，太阳能的有效利用率低，且输出电压低。

解决上述问题的有效手段是将太阳光的能量宽度与太阳能电池器件材料匹配，按能隙从大到小的顺序从外向内里叠合，让波长最短的光被最外边的宽带隙电池利用，波长较长的光能投射进入让窄能隙电池利用，用各节电池充分吸收与其禁带宽度匹配的太阳光谱波段的光子能力，从而实现太阳光伏最大化有效利用，具有这种结构的太阳能电池称为叠层电池。

染料敏化作为新型太阳电池目前光电转换效率已达到15％。其主要由导电基体、半导体电极、染料敏化剂、电解质和催化对电极组成，是一类有机无机复合型光电化学太阳电池，常见的染料敏化剂仅可吸收光谱400～700nm的太阳光。

铜铟镓硒是四元化合物半导体材料，随着组分X从0到1变化其禁带宽度从1.04eV到1.69eV变化，当X=0.13时，CuIn_0.87Ga_0.13Se₂的禁带宽度接近1.1eV，除吸收太阳光中可见光谱范围，还可吸收700～1200nm的太阳光谱。

现有的染料敏化电池与铜铟镓硒电池之间晶格和光生电流较难匹配，同时其制备过程是先制备一个完整的太阳能电池，再在该电池上制备第二个电池的各功能区，由于太阳能电池大都对温度，材料交叉感染十分敏感，因此这种一体化结构的发电玻璃不能达到两种电池最佳状态，有局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃，该发电玻璃光吸收利用率高，输出电压及光电转换效率高。

本发明的另一目的是提供上述发电玻璃的制备方法，该方法可使发电玻璃正、负电极太阳能电池各功能层的制备彼此不受干扰，一方面优化前电池层，充分吸收可见光的同时提高光透过率，保证底层太阳能电池光通量；另一方面调节底电池层，实现对发电玻璃的最佳匹配，极大的提高发电玻璃的光电转换效率，并且提高发电玻璃的寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃，包括正电极与负电极，所述正电极包含正电极基底，正电极基底上依次设有Mo金属层、CIGS背光吸收层、缓冲层、窗口层、中间电极层与催化层；所述负电极包含负电极基底，负电极基底上依次设有致密层、传输层、前光吸收层与电解质层；Mo金属层表面四周边缘与负电极基底导电面四周边缘分别设有相对应的粘接区，正电极与负电极通过设在粘接区的胶体相粘合；Mo金属层、负电极基底与胶体之间形成封闭空腔，催化层与电解质层形成配合。

进一步的，所述正电极基底为厚度10～40mm的钠钙玻璃、不锈钢片或导电PET，所述钠钙玻璃中钠的质量百分比含量为5～30%。

进一步的，所述Mo金属层厚度为0.2～3μm。

进一步的，所述CIGS背光吸收层厚度为0.5～5μm，其禁带宽度为1.0～1.2eV；所述缓冲层为厚度0.02～3μm的CdS/InS；所述窗口层为厚度0.02～5μm的 i-ZnO；所述中间电极层为厚度0.02～5μm 的n-ZnO。

进一步的，所述催化层为厚度0.01～3μm的Au、Pt或C。

进一步的，所述电解质层厚度为10～30μm、透光率>80%的凝胶电解质。

进一步的，所述前光吸收层为N719染料、N3染料或Z907染料。

进一步的，所述传输层为厚度2～6μm 、粒径20～200nm 、透光率>80%的TiO₂；致密层为厚度10～100nm 、粒径5～50nm 、透光率>90%的TiO₂；所述负电极基底为厚度1～4mm的掺氟氧化锡FTO、掺锡氧化铟ITO、铝掺杂氧化锌AZO或导电PET。

进一步的，所述胶体为厚度0.5～3mm 的EVA膜、Surlyn膜或紫外固化胶。

本发明还提供一种制备染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃的方法，包括以下步骤：

S1)清洗正电极基底；

S2)采用磁控溅射在正电极基底上制备Mo金属层，Mo金属层表面四周边缘预留出粘接区；

S3)采用磁控溅射在Mo金属层上依次沉积Cu、In与Ga层，得到CuInGa层，再在CuInGa层上采用热蒸镀工艺蒸镀Se，形成CIGS背光吸收层；

S4)通过真空蒸发沉积与溅射沉积在CIGS背光吸收层上依次制备InS/CdS缓冲层与i-ZnO窗口层；

S5)通过直流磁控溅射法在i-ZnO窗口层沉积一层n型ZnO薄膜，作为中间电极层；

S6)采用磁控溅射在中间电极层上沉积Au、Pt或C，形成催化层，完成正电极的制作；

S7)清洗负电极基底；

S8)负电极基底导电面四周边缘预留出粘接区，采用水浴热解在负电极基底导电面制备TiO₂阻挡层；

S9)采用丝网印刷与烧结工艺在TiO₂阻挡层上制备TiO₂传输层；

S10) TiO₂传输层朝上，将负电极基底浸入到染料溶液中，并避光密封，浸泡时间>18小时，完成前吸光层的制备；

S11) 采用丝网印刷或点胶工艺在前吸光层上制备凝胶电解质层，完成负电极的制作；

S12)将Mo金属层的粘接区与负电极基底的粘接区相对应，通过胶体将正电极与负电极相粘合，完成染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃的制备。

本发明的有益效果是，发电玻璃的负电极采用染料敏化太阳电池结构，因其半导体禁带宽度较大，常见的染料敏化剂使其仅可吸收光谱400～700nm的太阳光；通过调节传输层厚度，制备的染料敏化太阳能电池透光率超过60%。太阳光中未被叠层电池负电极吸收的长波部分，透射进入叠层电池的正电极，正电极上的铜铟镓硒太阳电池能有效吸收700～1200nm的太阳光谱。综上，本发电玻璃能吸收400～1200nm的太阳光谱，并将其转换为电能，其光电转换效率高于单一的染料敏化太阳能电池或单一的铜铟镓硒太阳能电池。单一染料敏化太阳能电池输出电压0.65～0.7V，单一铜铟镓硒太阳能电池输出电压0.7V左右，本发电玻璃负极是染料敏化太阳能电池负极，染料敏化太阳能电池正极与铜铟镓硒电池负极相连，铜铟镓硒电池正极作为发电玻璃的正极，染料敏化太阳能电池与铜铟镓硒电池相串联，因此，此发电玻璃的输出电压可达1.35V以上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中正电极的俯视图；

图3是本发明中负电极的仰视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃，包括正电极与负电极，所述正电极包含正电极基底1，正电极基底1上依次设有Mo金属层2、CIGS背光吸收层3、缓冲层4、窗口层5、中间电极层6与催化层7；所述负电极包含负电极基底13，负电极基底13上依次设有致密层12、传输层11、前光吸收层10与电解质层8；结合图2与图3所示，Mo金属层2表面四周边缘设有第一粘接区2a，第一粘接区2a其中一条边的外侧还预留出正电极接线端2b；负电极基底13导电面四周边缘设有第二粘接区13a，第二粘接区13a其中一条边的外侧还预留出负电极接线13b；第一粘接区2a与第二粘接区13a对应配合，通过胶体9将正电极与负电极相粘合；Mo金属层2、负电极基底13与胶体9之间形成封闭空腔，催化层7与电解质层8形成配合。

正电极基底1可采用厚度10～40mm的钠钙玻璃、不锈钢片或导电PET，所述钠钙玻璃中钠的质量百分比含量为5～30%。Mo金属层2的厚度为0.2～3μm。

CIGS背光吸收层3的厚度为0.5～5μm，其禁带宽度为1.0～1.2eV；所述缓冲层4为厚度0.02～3μm的CdS/InS；所述窗口层5为厚度0.02～5μm的 i-ZnO；中间电极层6为厚度0.02～5μm 的n-ZnO。催化层7为厚度0.01～3μm的Au、Pt或C。电解质层8为厚度10～30μm、透光率>80%的凝胶电解质。前光吸收层10可采用N719染料、N3染料或Z907染料。传输层11为厚度2～6μm 、粒径20～200nm 、透光率>80%的TiO₂；致密层12为厚度10～100nm 、粒径5～50nm 、透光率>90%的TiO₂；负电极基底13可选择厚度1～4mm的掺氟氧化锡FTO、掺锡氧化铟ITO、铝掺杂氧化锌AZO或导电PET。胶体9为厚度0.5～3mm 的EVA膜、Surlyn膜或紫外固化胶。

本发明还提供一种制备染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃的方法，包括以下步骤：

S1) 取厚度为30mm、钠质量百分比含量20%的钠钙玻璃作为正电极基底1，清洗洁净正电极基底1；

S2)采用磁控溅射在正电极基底1上制备1μm Mo金属层2，Mo金属层2表面四周边缘预留出第一粘接区2a，第一粘接区2a其中一条边的外侧还预留出正电极接线端2b；

S3) 将含Mo金属层2的正电极基底加热至120℃，并采用磁控溅射在Mo金属层2上依次沉积Cu、In与Ga层，XRF成分检测使Ga/(In+Ga)=0.3，Cu/(In+Ga)=0.85；再将正电极基底加热至180℃，在Ga层上采用热蒸镀工艺蒸镀Se，形成CIGS背光吸收层3；

S4)通过真空蒸发沉积在CIGS背光吸收层3上制备0.5μm InS缓冲层4，再通过溅射沉积1μm i-ZnO窗口层5；

S5)通过直流磁控溅射法在i-ZnO窗口层5沉积0.2μm n型ZnO薄膜，作为中间电极层6；

S6)采用磁控溅射在中间电极层6上沉积0.1μm Au、Pt或C，形成催化层，完成正电极的制作；

S7) 采用FTO导电玻璃作为负电极基底13，清洗洁净负电极基底13；

S8)负电极基底13导电面四周边缘预留出第二粘接区13a，第二粘接区13a其中一条边的外侧还预留出负电极接线13b；将负电极基底13放入50mmol/L 的TiCl₄水溶液中，70℃处理30～40min，降至室温，取出，用去离子水冲洗，放于马弗炉先于80～90℃烘干，再于125～450℃烧结15～20min，得到TiO₂阻挡层12；

S9) 用网目71T的网版采用丝网印刷工艺将Dyesol 18NR-T型TiO₂浆料单次印刷在TiO₂阻挡层12上，然后后经500℃烧结15min，冷却至室温，完成3μm TiO₂传输层11的制备；

S10) TiO₂传输层11朝上，将负电极基底浸入到浓度为0.5mmol/L的N719染料溶液中，并避光密封，浸泡24小时，完成前吸光层10的制备；

S11)使用网目45T的网版，采用丝网印刷工艺将OPV-MPV-I凝胶电解质印刷至前吸光层10上，完成15μm电解质层8的制备；

S12)将第一粘接区3a与第二粘接区13a相对应，通过胶体9将正电极与负电极相粘合，胶体9可采用EVA，裁切为与粘接区相适应的口字形，平铺在第一粘接区3a上，再将第二粘接区13a与其对应，加热至120℃；然后将Mo金属层2、负电极基底13与胶体9之间形成的封闭空腔抽真空至10^-4Pa，保压6min，完成染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃的制备。

发电玻璃负电极作为迎光面，当太阳光照射此面时，负电极中的前光吸收层中染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态，处于激发态的染料分子将电子注入到半导体TiO₂的导带中；电子扩散至导电基底，后流入外电路中；前光吸收层中处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；氧化态的电解质在催化层接受叠层电池中间电极层输出的电子后被还原。发电玻璃正电极的铜铟镓硒电池结构中，CIGS背光吸收层作为P型结构，与N型的缓冲层、窗口层组成内建P-N结，透射叠层电池负电极的太阳光照在电池表面，穿过透明的中间电极层，被铜CIGS背光吸收层吸收产生截流子，在内建电场的作用下吸收层接近缓冲层区域，不同电荷的载流子分离，负电荷走向中间电极层，正电荷走向正电极基底，从而完成一个循环。由此，太阳能便源源不断的转化为可供我们使用的电能。

本发明的染料敏化铜铟镓硒叠层发电玻璃，光吸收利用率高，输出电压及光电转换效率高。并且叠层电池正、负电极太阳能电池各功能层的制备彼此不受干扰，一方面优化前电池层，充分吸收可见光的同时提高光透过率，保证底层太阳能电池光通量；另一方面调节底电池层，实现对太阳能电池的最佳匹配，极大的提高太阳能电池的光电转换效率，并且提高发电玻璃的寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。