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纳米偶极子 太阳能 电池及其制备方法

阅读：1029发布：2020-09-03

专利汇可以提供纳米偶极子太阳能电池及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种纳米偶极子太阳能电池，其光伏效应层(116)由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏吸收材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有电偶极矩或压电性质。所述纳米偶极子颗粒的电偶极矩被极化并至少部分同向排列，纳米偶极子颗粒极化方向在垂直于透明导电电极层或导电电极层的方向上有分量，并提供分离光生电荷所需的宏观电场。光伏效应层在接收到电磁波辐射时可产生电流和电压。通过同时在衬底上沉积n型和p型的混合材料得到所需太阳能电池。，下面是纳米偶极子太阳能电池及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制备纳米偶极子太阳能电池的方法，所述的纳米偶极子太阳能电池包括衬底层(112)、第一透明导电电极层(114)、光伏效应层(116)和第二导电电极层(118)；所述各层的位置关系以太阳光进入的顺序排列，依次为第一透明导电电极层(114)、光伏效应层(116)、第二导电电极层(118)，其特征是首先制备n型材料和p型材料的混合薄膜，再通过高温热处理过程中两种材料的相分离特性，分离出n型材料和p型材料；当n型材料具有偶极性时，形成在p型材料中镶嵌具有偶极矩的n型材料形成的众多微小颗粒；当p型材料具有偶极性时，在n型材料中形成镶嵌具有偶极矩的p型材料形成的众多微小颗粒；
所述的制备方法包含以下步骤：
a)清洁覆盖有所述的第一透明导电电极层(114)或所述的第二导电电极层(118)的玻璃衬底，然后在所述的玻璃衬底上溅射沉积CdTe和CdS的混合薄膜，所述的薄膜厚度范围为0.2—20μm，使用的靶材为CdS和CdTe按质量比在1:30—1:2.5范围混合后压制；
b)将沉积了CdTe和CdS混合薄膜的玻璃衬底置于CdCl2和空气的混合气体气氛中热处理5—120分钟，加热温度为350～650℃；
c)在CdCl2热处理后的薄膜表面再使用溅射方法沉积所述的第一透明导电电极层或所述的第二导电电极层，形成所述的太阳能电池。
2.如权利要求1所述的制备纳米偶极子太阳能电池的方法，其特征是在实施所述的步骤a)和步骤b)的同时，在所述的第一透明导电电极层(114)或所述的第二导电电极层(118)上施加极化电场，电压为10～3000V，使所沉积的CdTe和CdS混合薄膜置于电场之中。
3.如权利要求1或2所述的制备纳米偶极子太阳能电池的方法，其特征在于，所述的光伏效应层(116)中，所述的纳米偶极子颗粒为p型或n型半导体材料中的一种，光伏吸收材料为p型或n型材料中的另一种；在光伏效应层(116)中，每个纳米偶极子颗粒产生一个电偶极子。
4.如权利要求1或2所述的制备纳米偶极子太阳能电池的方法，其特征是所述的纳米偶极子颗粒被极化并至少部分同向排列，纳米偶极子颗粒极化方向在垂直于第一透明导电电极层(114)或第二导电电极层(118)的方向上有分量。
5.如权利要求1或2所述的制备纳米偶极子太阳能电池的方法，其特征是所述的纳米偶极子颗粒由CdSxTe(1-x)合金构成，x＝0～1；所述的光伏吸收材料由CdTe构成。
6.如权利要求1所述的制备纳米偶极子太阳能电池的方法，其特征是所制备的纳米偶极子太阳能电池中，所述的光伏效应层(116)由光伏吸收材料和镶嵌在光伏效应层中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有极化或压电性质；构成第二导电电极层(118)的材料既包括与第一透明导电电极层(114)相同的透明导电材料，也包括不透明的导电材料；当第二导电电极层(118)采用透明导电材料制作时，形成对称的结构，此时光既从第一透明导电电极层(114)进入电池，也从第二导电电极层(118)进入电池；所述的对称结构中，当衬底层(112)为透明材料制作时，衬底层(112)位于第一透明导电电极层(114)之前或位于第二导电电极层(118)之后；当衬底层(112)由不透明材料构成时，衬底层(112)位于第二导电电极层(118)之后。
7.一种量化表征纳米颗粒太阳能电池的宏观性能与其微观结构和极化特性之间关系的方法，所述纳米颗粒太阳能电池是由权利要求1或6所述的制备方法制得的，其特征在于，所述的方法通过扫描测量所述的太阳能电池的纵向压电效应和横向压电效应，扫描寻找纳米偶极子存在的证据和分布信息，同时通过向量压电效应扫描获得电偶极子的局部极化方向分布的信息，步骤如下：
a)将压电力显微镜的探针更换为导电探针并调整到接触测量模式，并对导电探针施加交变振荡电压，对所述的太阳能电池样品表面扫描，并记录各个坐标位置的探针随振荡电压的纵向位移和横向摆动信息；
b)根据步骤a)得到的太阳能电池样品表面信息，绘制出所述的太阳能电池薄膜表面各点的纵向位移或横向摆动信号随对应探针坐标的分布图，区分出纳米偶极子颗粒和光伏吸收材料，并获得纳米偶极子颗粒的分布、尺寸、形状、电偶极矩的大小与极化率信息；
c)根据步骤b)得到纳米偶极子的局部形变与振荡电压之间的相位差，提供电偶极子颗粒的电偶极矩极化方向信息，对应探针坐标绘制出所述的太阳能电池薄膜的向量压电效应分布图；
d)测量本发明的太阳能电池的纳米偶极子颗粒的电偶极矩的大小、极化率和方向。

说明书全文

纳米偶极子太阳能 电池及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无平面结电场的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

[0002] 太阳能电池通常采用平整界面的半导体材料来收集入射光能量并发电。半导体材料通常分为两类：富电子材料即n型半导体材料和富有空穴或电子耗尽态的p型半导体。当太阳能电池暴露于光源下时，n型层中的电子运动并穿过半导体材料构成的平面结到达p型层而产生电流。太阳能电池的发电能力与p-n结的表面积有关。具有单p-n结的太阳能电池可能具有更大的表面积。太阳能电池可以采用叠层结构形成多p-n结。事实上，多结太阳能电池是将对特定波段光透明的单结电池叠加起来。这些多结电池可能产生与单p-n结电池相同或更大的输出功率。

[0003] 图1A和图1B给出了常规p-n结型太阳能电池10。太阳能电池10具有衬底层12，用来支撑透明导电氧化物(TCO)层14。太阳能电池10包括p型半导体层16，n型半导体层18，和常规的平面p-n结20。如图1B的箭头方向所示，太阳能电池10的制备过程是，沉积TCO层14在衬底层12上，然后n型层18(由硫化镉(CdS)构成)沉积到TCO层14上。p型层16(由碲化镉(CdTe)构成)沉积在n型层18上，p-n结20通过n型层18和p型层
16的直接接触构成，具有平面结构。最后金属导电电极层22沉积到p型层16上完成太阳能电池的制备。正如上文所述，p型层16和n型层18从不同的靶材分别制备而得到。所构建的p-n结20用来形成电子在从p型层16向n型层18和空穴从n型层18向p型层16的传输从而发电。

[0004] 然而，每种类型的电池都有一定的功能极限。单结光伏电池可能允许很宽波段内的光达到p-n结，然而受限于所选材料，不可能利用所有达到p-n结的光。多p-n结可以利用特定波段的光，但随着这些层叠加起来，每一层都会阻挡一些对下层发电有用的光。而且各层还需要是“电流匹配”的，以保证输出电流的大小相等，因为最低的输出电流是限制电池总输出的因素。电流匹配同样将材料的选择限制在那些具有相近输出的材料上。随着层数的增加，电池内的电阻将导致额外的寄生损失并降低电池效率。而且，制备多结电池的步骤复杂，也增加了电池成本。因此，单结和多结太阳能电池一直在电池尺寸、柔性、成本之间相互妥协来提高电池效率和输出功率。

[0005] 现有技术中太阳能电池的平面半导体层制备工艺是有顺序的并每步相对独立的。每一层可以用不同工艺实现，如，化学或物理气相沉积或溅射。通常在最外层的金属导电电极层(如背电极)或透明导电层(如前窗口层)上接着制备下一层。衬底紧挨着背电极层时被称为“下衬底”，而衬底紧挨着前窗口层时则被称为“上衬底”，取决于使用时各层的相对顺序。

[0006] 通常，可使用不同的材料来形成各个半导体层。例如，薄膜太阳能电池可能有硫化镉(CdS)n型层和碲化镉(CdTe)p型层。可以使用不同的源材料按顺序生长这些层。如果是溅射沉积工艺，源材料指靶材，被高能粒子(如含等离子体的高能离子)轰击。材料的原子从靶材中被轰击出来并撞击已制备好的电池层表面。每一层所用的靶材都不同。在单一腔室中通过更换靶材或选择不同靶材溅射可以实现制备电池中所需的各层半导体。

[0007] 然而这种制备方法会影响太阳能电池的成本和质量。每层的沉积必须按照顺序进行，并且沉积速度慢，导致生产速率偏低。如果使用单一腔室，则更换靶材会增加工艺和处理时间并可能使腔室受到污染。如果根据工艺选择在不同的腔室溅射不同的靶材，设备和维护成本则会增加。另外，单腔室制备电池限制了批量生产太阳能电池的产量。如果使用多腔室来实现高产能，即流水线式生产，将大幅增加设备成本。因此，理想的情况是可以生产一种表面积和厚度都低、而p-n结表面积大的太阳能电池。

[0008] 与具有p-n结结场结构的光伏器件相比，纳米偶极子光伏器件理论上可具有如下基本优势：1)可以实现对称结构，衬底在下与在上结构对电池效率影响没有差别，可以自由的选择透明或不透明的衬底材料，也可以自由的选择刚性或柔性的衬底材料；2)有望获得更高的输出电压；3)只需一层嵌有纳米偶极子的材料，而不是p-n结那样的两层，大大减少薄膜制备的设备成本(估计约一半)和生产工艺；4)在纳米偶极子材料和光伏效应介质之间不需要良好的电接触，因此可供选择的光伏介质和纳米偶极子颗粒种类多，受原料供应的限制少。

[0009] 利用该发明的纳米偶极子太阳能电池制备方法，可以进一步提升薄膜太阳能电池的转换效率、均匀性和出品率，具有高度多样性。这种纳米偶极子太阳能电池的制备方法可以在现有的CdTe薄膜太阳能电池生产线上生产，可以减少昂贵的真空设备成本。

[0010] 现有技术中的偶极子天线阵列电池的技术，比如Journal of Solar Energy Engineering 2010年2月132卷发表的“Theory and Manufacturing Processes of Solar Nanoantenna Electromagnetic Collectors”一文所描述的。其原理是通过阵列排布的金属偶极子天线对电磁波的感应产生交变电流来产生对太阳能的吸收，但是目前这种技术遇13 16
到的最大难题是10 -10 Hz(可见光波段)的高频整流二极管还不存在，因此这种电池实际还没有实现。并且，偶极子天线阵列电池是通过偶极子来吸收太阳光子的，纳米偶极子天线阵列电池是用电子束微纳加工、X射线光刻等昂贵而缓慢的技术来制作，制作成本很高。

[0011] 目前太阳能电池的制备方法至少需要两种显著不同的成分形成足够强的p-n结电场，同时要求它们之间保持良好电接触。现有技术的这一本质缺点导致了在生产太阳能电池过程中必须每层材料按顺序分别沉积。如果在单一真空腔室沉积不同材料，则可能产生交叉污染，并限制了太阳能电池的生产速度。如果根据在不同的腔室溅射不同的靶材，设备和维护成本则会增加。

发明内容

[0012] 本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种太阳能电池及其制备方法，以及量化表征所述太阳能电池的宏观性能与其微观结构和极化特性之间关系的方法。本发明太阳能电池的表面积和厚度都比较低，而且p-n结表面积比较大。

[0013] 本发明太阳能电池的结构是：

[0014] 所述的太阳能电池包括衬底层、第一透明导电电极层、光伏效应层和第二导电电极层，其中第二导电电极层由透明材料或不透明材料制作。所述各层的位置关系以太阳光进入的顺序排列，依次为第一透明导电电极层、光伏效应层和第二导电电极层。当衬底层是由透明材料制作成时，如玻璃或透明有机多分子薄膜，衬底层可位于第一透明导电电极层之前；当衬底层由不透明材料构成时，如薄的铝箔、钼箔、不锈钢片，衬底层必须位于第二导电电极层之后。

[0015] 所述的光伏效应层由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏效应材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有极化或压电性质。

[0016] 与传统p-n结电池或类似结场电池的结构相似之处在于，本发明由光伏效应层和两层导电层构成。与p-n结电池或类似结场电池不同的是，本发明电池的光伏效应层只有单独一层，而传统p-n结电池需要p型层和n型层至少各一层。并且，本发明纳米偶极子电池的光伏效应层是由具有光伏效应的材料和其中镶嵌分布的纳米偶极子颗粒共同构成的，所述的纳米偶极子颗粒(如纳米颗粒)的电偶极矩同向排列时可以形成内建电场；当电偶极矩同向排列的方向在垂直于透明导电电极层或导电电极层的方向上有分量时，在电磁辐射下就会产生电流和电压；第一透明导电电极层允许光子通过，并使光子被光伏效应层吸收后产生光生载流子；同时由第一透明导电电极层收集光伏效应层产生的一种光生载流子，第二导电电极层收集另一种光生载流子；衬底层为本发明太阳能电池提供机械支撑。

[0017] 所述的第一透明导电电极层能让一定波段的电磁波穿透、并具有电导性。可透过的电磁辐射是一种波长小于1100nm的光，包含近红外、可见光和紫外光。

[0018] 所述的光伏效应层和第一透明导电电极层接触，用于吸收一部分通过第一透明导电电极层的电磁波。光伏效应层包含有纳米偶极子颗粒，所述的纳米偶极子颗粒可以是p型或n型半导体材料中的一种，而光伏介质材料是p型或n型材料中的另一种。例如本发明使用n型的CdS或富S的CdSxTe(1-x)合金构成的纳米颗粒，光伏介质由p型的CdTe光伏介质材料构成。从纳米颗粒到CdTe光伏介质之间存在渐变的CdS-CdTe合金过渡区，合金在靠近纳米偶极子颗粒附近具有更高的S成分，在靠近CdTe光伏介质附近具有更高的Te成分。CdS-CdTe合金的渐变区被描述成CdSxTe(1-x)，其中，x表征的是硫和碲的相对成分，x＝0表示不含硫，x＝1表示不含碲。镶嵌在光伏介质材料层中的每个CdS纳米颗粒产生一个带有电偶极矩的电偶极子，并形成与电偶极子相关的电场。电偶极子的形成是因为纳米颗粒的一个表面富集带正电的离子，如镉Cd原子，在相对的另一面富集带负电的离子，如硫S原子。电偶极子至少部分出现相对同向排列，极化方向朝垂直于TCO或导电电极层。例如CdS电偶极子中的Cd原子通常朝向TCO或导电电极层中的一个，而S原子通常朝向TCO或导电电极层中的另一个。

[0019] 所述的第二导电电极层可以是和第一透明导电电极层相同或类似的透明导电氧化物(TCO)材料，也可以是不透明的导电材料，如金属、石墨等。所述的第二导电电极层用于和第一透明导电电极层形成太阳能电池的正负两极，可接负载，输出电池产生的电流和电压。

[0020] 本发明太阳能电池的制备方法可以同时在已覆盖了透明导电电极层的衬底材料上沉积n型材料和p型材料的混合体，一步制成太阳能电池的光伏效应层。

[0021] 本发明太阳能电池制备方法具体描述如下：

[0022] 首先制备n型材料和p型材料的混合薄膜，再通过高温热处理过程中两种材料的相分离(Phase Segregation)特性，分离出n型材料和p型材料。当n型材料具有偶极性时，此方法就可以形成在p型材料中镶嵌具有偶极矩的n型材料形成的众多微小颗粒；当p型材料具有偶极性时，就可以在n型材料中形成镶嵌具有偶极矩的p型材料形成的众多微小颗粒。

[0023] 以p型CdTe光伏效应材料和n型CdS压电材料为例，本发明在光伏薄膜中形成具有电偶极矩的微小颗粒的具体制备方法是：使用硫化镉CdS和碲化镉CdTe两种材料混合压制的靶材，所述的靶材按CdS:CdTe质量比为1:2.5至1:30之间的比例混合后，在1000至2
10000N/cm的压强下压制而成靶；采用真空溅射的方法，在具有透明导电氧化(TCO)导电层，即第二导电电极层的玻璃衬底上沉积CdSTe合金薄膜；并经热处理，热处理温度范围为
350℃至650℃，保温10–120分钟，使CdSTe合金在特定温度下发生相分离，如图4所示，在CdSTe薄膜中形成富含CdS的微小颗粒。

[0024] 所述的硫化镉CdS是一种压电材料，其微小颗粒具有明显的电偶极矩，在其形成过程中，会自然排列成大致一致的、垂直于透明导电氧化(TCO)导电层，即第一透明导电电极层表面的方向。这种大致一致同向排列并垂直于电极层的电偶极子形成的宏观电场构成了可替代p-n结的内建电场。

[0025] 本发明制备方法与传统CdS/CdTe薄膜电池相似，使用真空沉积方法，可以直接在常规设备中实现。但是传统方法需要制备至少两层薄膜(即n型CdS和p型CdTe层)实现光伏效应，本发明只需制备一层CdSTe薄膜就可实现光伏效应。

[0026] 本发明利用了CdS这种具有压电性质的半导体材料。CdS与其它II-VI族材料一样具有明显的离子性。其最稳定的晶体结构为纤锌矿结构，属六方晶系，不具镜面对称性。因此，由于Cd和S离子的分布的不对称使得CdS晶体在相对的两面可以分别形成正负电性而带有电偶极矩。纳米尺寸的CdS颗粒所带有的偶极矩，可在外电场力下大致同向排列，并在外场消除后仍然保留一定的电极性，即所谓的铁电效应。

[0027] 本发明制备所述的纳米偶极子太阳能电池的制备方法之一包含以下步骤：

[0028] a)清洁覆盖有所述的第一透明导电电极层的玻璃衬底，然后在所述的玻璃衬底上溅射沉积CdTe和CdS的混合薄膜，所述的薄膜厚度范围为0.2—20μm，使用的靶材为CdS和CdTe按质量比在1:30—1:2.5范围混合后压制；

[0029] b)将沉积了CdTe和CdS混合薄膜的玻璃衬底置于CdCl2和空气的混合气体气氛中热处理，加热温度为350～650℃，保温时间5—120分钟；

[0030] c)在CdCl2热处理后的薄膜表面再使用溅射方法沉积所述的第二导电电极层，形成所述的太阳能电池。

[0031] 在实施所述的步骤a)和步骤b)的同时，在所述的第一透明导电电极层上施加极化电场，电压为10～3000V，使所沉积的CdTe和CdS混合薄膜置于电场之中。

[0032] 本发明制备所述的纳米偶极子太阳能电池的制备方法之二包含如下步骤：

[0033] a)清洁覆盖有所述的第二导电电极层的玻璃衬底，然后在所述的玻璃衬底上溅射沉积CdTe和CdS混合薄膜，所述的薄膜厚度范围为0.2—20μm，使用的靶材为CdS和CdTe按1:30—1:2.5(质量比)混合后压制的；

[0034] b)将沉积了CdTe和CdS混合薄膜的玻璃衬底置于CdCl2 蒸汽和空气的混合气体中热处理，热处理温度为350～650℃，保温时间为5—120分钟；

[0035] c)在步骤b)CdCl2热处理后的薄膜表面再沉积第一透明导电电极层，形成完整的太阳能电池。

[0036] 在实施所述的步骤a)和b)的同时，在所述的第一透明导电电极层上施加极化电场，电压为10～3000V，使所沉积的CdTe和CdS混合薄膜置于电场之中。

[0037] 本发明驱动具有偶极矩的纳米偶极子同向排列形成宏观内建电场的方法共有两种：

[0038] 1)由于CdSTe合金薄膜在热处理前已沉积在第一透明导电电极层或第二导电电极层上，在热处理过程中，可以利用这两层导电电极层的镜像力作用，在纳米偶极子颗粒形成的同时驱动纳米偶极子颗粒沿垂直于所述的导电电极层的方向同向排列；

[0039] 2)可以在CdSTe合金薄膜之后再沉积一层导电电极层或不接触地覆盖一层导电材料，在所述的导电电极层和在CdSTe合金薄膜之后再沉积的这层导电电极层或导电材料层之间施加10～3000V的外加直流偏压电场，驱动纳米偶极子的同向排列。既可以在CdSTe合金薄膜沉积过程中利用TCO的镜像力和外加电场驱动纳米偶极子的同向排列，也可以在CdSTe合金薄膜沉积之后利用TCO的镜像力和外加电场驱动纳米偶极子的同向排列。形成电偶极子宏观内建电场的方法灵活多样，可结合不同的设备工艺做必要调整，都能实现同样的目的。

[0040] 本发明使用的第一透明导电电极层可以是掺铝的氧化锌(ZnO:Al2O3或AZO)、氧化铟锡(ITO)、掺氟的氧化锡(SnO2:F或FTO)等，可以使用溅射或化学气相沉积(CVD)的方法制成。第二导电电极层既可以是透明导电氧化物也可以是不透明的金属、石墨等，金属、石墨等导电电极层则可采用溅射或电镀的方法制备。

[0041] 本发明还提出一种验证本发明纳米偶极子颗粒太阳能电池的方法，这种方法利用基于压电力显微镜(PFM)原理的压电力显微镜方法验证纳米偶极子的压电效应。这种方法的创新之处在于将纳米偶极子颗粒的压电特性与纳米偶极子颗粒太阳能电池的转换效率之间建立起直接联系，为本发明太阳能电池的工艺改进、提高宏观性能效果提供了微观且直接的依据。

[0042] 本发明通过压电力显微镜(Piezoresponse Force Microscopy)量化表征纳米颗粒太阳能电池的宏观性能与其微观结构和极化特性之间关系，可通过扫描测量本发明太阳能电池的纵向压电效应(Vertical PFM)和横向压电效应(Lateral PFM)，扫描寻找纳米偶极子存在的证据和分布信息，同时通过向量压电效应(Vector PFM)扫描获得电偶极子的局部极化方向分布的信息。通过压电力显微镜的导电探针在接触模式下对薄膜表面施加一个震荡电压，由于电偶极子颗粒的压电特性会在这个局部偏压的影响下产生同样频率的形变震荡，而没有压电性能的其他材料则不会有变化。配合压电力显微镜导电探针的位置，就可以绘制出纳米偶极子颗粒的分布。纳米偶极子颗粒伸缩时会引起探针的纵向震荡，产生纵向压电效应图；纳米偶极子颗粒切向形变时会引起探针横向摆动，而产生横向压电效应图。纳米偶极子颗粒的振动幅度则与极性强度成正比。而且纳米偶极子颗粒的极化方向与外加偏压场方向不一致时，形变的相位会有相对滞后，因此这个相位差可以提供电偶极子极化方向的信息，电偶极子极化方向的信息称为向量压电效应图。

[0043] 可以通过扫描薄膜表面和横截面两种方式获得更详细的数据。由于压电力显微镜是一种安装了导电探针的原子力显微镜系统，分辨率可以达到纳米量级，可以直接并精确的获得电偶极子极化电场分布的信息，这将是证明CdS纳米偶极子在器件中存在的直接验证方法。使用这种方法可以直观绘制出半导体薄膜中电偶极子颗粒的尺寸、分布、局部极化方向和强度等信息，为纳米偶极子颗粒太阳能电池性能的优化提供依据。附图说明

[0044] 图1A常规具有平面p-n结的太阳能电池横截面结构图；

[0045] 图1B常规具有平面p-n结太阳能电池的制备方法示意图；

[0046] 图2A本发明所述上衬底的太阳能电池结构示意图；

[0047] 图2B本发明所述下衬底时的太阳能电池结构示意图；

[0048] 图2C本发明太阳能电池的制备方法示意图；

[0049] 图3本发明太阳能电池在光伏介质中镶嵌的纳米偶极子颗粒的横截面放大图；

[0050] 图4在镉-碲-硫合金中不同温度下碲和硫的相对成分图，x为硫的相对含量；

[0051] 图5A纳米偶极子颗粒放大图，标出了S和Cd；

[0052] 图5B本发明制备的形成纳米颗粒太阳能电池的薄膜坯层示意图，图中给出了相对混乱的电偶极子排列方向；

[0053] 图5C纳米颗粒太阳能电池示意图，图中给出了相对一致的电偶极子排列方向；

[0054] 图5D本发明另一种纳米颗粒太阳能电池结构示意图，图中给出了高度一致性的电偶极子排列方向；

[0055] 图6不同太阳能电池的入射电磁波波长与外量子效率关系图；

[0056] 图7A纳米颗粒太阳能电池的转化效率与CdCl2处理时间关系的盒须图；

[0057] 图7B常规工艺的平面结电池的转化效率与CdCl2处理时间关系的盒须图；

[0058] 图8A纳米颗粒太阳能电池的开路电压与CdCl2处理时间关系的盒须图；

[0059] 图8B常规工艺的平面结电池的开路电压与CdCl2处理时间关系的盒须图；

[0060] 图9A纳米颗粒太阳能电池的短路电流与CdCl2处理时间关系的盒须图；

[0061] 图9B常规工艺的平面结电池的短路电流与CdCl2处理时间关系的盒须图；

[0062] 图10各种薄膜的吸收系数α与对应能量hv的乘积的平方值[(α*hv)2]与带隙的关系图，比较了常规工艺平面结电池与纳米颗粒太阳能电池的不同；

[0063] 图11使用本发明制备的一个CdS纳米偶极子太阳能电池的电流-电压曲线；

[0064] 图12A、图12B采用压电力显微镜验证纳米偶极子太阳能电池的原理图。

具体实施方式

[0065] 下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

[0066] 本发明太阳能电池100的结构如图2A所示，组成所述的太阳能电池100各层的位置关系从内到外排列顺序依次为：衬底层112、第一透明导电电极层118、含有纳米偶极子颗粒的光伏效应层116和第二导电电极层114。衬底层112也可位于第二导电电极层114之后，其他各层位置不变，如图2B所示。

[0067] 所述的衬底层112由透明材料构成，例如，玻璃、聚酰亚胺类聚合物薄膜，也可以是不透明的金属层，例如，薄的铝箔、钼箔、不锈钢片。当衬底层112由透明材料构成时，在衬底层112上先沉积第一透明导电电极层118，再先后沉积光伏效应层116和第二导电电极层114，如图2A所示。使用时，电磁波，如可见光，通过透明的衬底层112和第一透明导电电极层118，进入光伏效应层116。当衬底层112由不透明材料构成时，则需要先将第二导电电极层114沉积在衬底层112上，再先后沉积光伏效应层116和第一透明导电电极层118，如图2B所示。而在使用时，电磁波需从第一透明导电电极层118透过进入光伏效应层116。

[0068] 所述的光伏效应层116由具有光伏效应的材料和镶嵌在光伏效应材料中的纳米偶极子颗粒共同构成，所述的纳米偶极子颗粒具有极化或压电性质。

[0069] 第一透明导电电极层114是透明导电氧化物，如，掺氧化铝的氧化锌(ZnO:Al2O3或AZO)、氧化铟锡(ITO)、掺氟的氧化锡(SnO2:F或FTO)等。因此电磁波也可以通过该层到达相邻的下一层光伏效应层116。相邻的下一层光伏效应层116可以将太阳光转换成电能。所述的光伏效应层116沉积在第一透明导电电极层114和第二导电电极层118之间。光伏效应层116包括p型光伏介质122和包含在其中并与其接触的n型纳米颗粒120。n型纳米颗粒120可以部分或完全镶嵌在p型光伏介质122中，如图2A所示。n型纳米颗粒材料可以是任何在平面结太阳能电池中可用于制备n型层的半导体材料，例如，CdS。

[0070] 在另一种形式的纳米颗粒太阳能电池结构中，光伏效应层中的纳米颗粒也可以是p型的。p型纳米颗粒可以是部分或完全镶嵌在光伏介质材料中。p型纳米颗粒可以是任何可用于形成平面结太阳能电池p型层的材料。例如，p型纳米颗粒可以是ZnTe:N，或者是其它材料和材料/掺杂组合。ZnTe材料可以在溅射工艺中通过引入氮气来实现对ZnTe的掺杂。氮气被引入到ZnTe材料晶格中来形成ZnTe:N作为p型颗粒。

[0071] 图3所示为图2A中光伏效应层116的放大了的结构。纳米颗粒120以n型CdS纳米颗粒来表示。p型光伏介质122是CdTe层。过渡区126存在于n型纳米颗粒120和p型光伏介质122之间。在一种光伏效应层116的非限制性例子中，过渡区126由镉、硫和碲合金构成。在纳米颗粒太阳能电池100的一种结构形式中，过渡区126被表征为CdS(x)Te(1-x)，其中x代表CdS(x)Te(1-x)合金中硫和碲的相对成分，x的取值范围是在0至1之间的范围内，x＝0表示不含硫，x＝1表示不含碲。

[0072] 所述的过渡区126是一种CdS(x)Te(1-x)合金从富碲区域到富硫区域的渐变。在最接近纳米颗粒电偶极子CdS 120的点，x为1。随着距离从纳米颗粒120开始逐渐向光伏介质122增加，x的值逐渐变为0。因此，随着向光伏介质移动，元素Te逐渐取代S而和Cd结合。

[0073] 在另一种非限制性例子中，x也可以代表从过渡区126的一端到另一端的距离，从光伏介质122到纳米颗粒120。例如，在CdS(x)Te(1-x)中的x可以线性成比例于从光伏介质122到纳米颗粒120之间的距离。

[0074] 如图2C所示，在制备本发明纳米颗粒太阳能电池100的方法中，通过合适的沉积工艺，如溅射，在第一透明导电电极层之上形成光伏效应层。

[0075] 溅射形成纳米偶极子颗粒太阳能电池100方法的第一步，需提供靶124。靶124所含材料具有合适组分，以便形成光伏效应层。靶124可以是合金或金属化合物或单质的混合物，如CdTe和CdS混合，或单质Cd、S和Te混合。靶124可以包含任何用来形成光伏效应层的化合物或元素单质，例如CdTe光伏介质材料和CdS。靶124可以是由颗粒混合物，如粉末冶金工艺5中使用的材料，或者是所需组分的固态合金材料压制而成。

[0076] 本发明制备所述的纳米偶极子太阳能电池的制备方法之一包含以下步骤：

[0077] a)清洁覆盖有所述的第一透明导电电极层的玻璃衬底，然后在所述的玻璃衬底上溅射沉积CdTe和CdS的混合薄膜，所述的薄膜厚度范围为0.2—20μm，使用的靶材为CdS和CdTe按质量比在1:30—1:2.5范围混合后压制；

[0078] b)将沉积了CdTe和CdS混合薄膜的玻璃衬底置于CdCl2和空气的混合气体气氛中热处理5—120分钟，加热温度为350～650℃；

[0079] c)在CdCl2热处理后的薄膜表面再使用溅射方法沉积所述的第二导电电极层，形成所述的太阳能电池。

[0080] 在实施所述的步骤a)和b)的同时，在所述的第一透明导电电极层上施加极化电场，电压为10～3000V，使所沉积的CdTe和CdS混合薄膜置于电场之中。

[0081] 本发明制备所述的纳米偶极子太阳能电池的制备方法之二包含如下步骤：

[0082] a)清洁覆盖有所述的第二导电电极层的玻璃衬底，然后在所述的玻璃衬底上溅射沉积CdTe和CdS混合薄膜，所述的薄膜厚度范围为0.2—20μm，使用的靶材为CdS和CdTe按1:30—1:2.5(质量比)混合后压制的；

[0083] b)将沉积了CdTe和CdS的混合薄膜置于CdCl2蒸汽和空气的混合气体中热处理；热处理温度为350～650℃，保温时间为5—120分钟；

[0084] c)在步骤b)CdCl2热处理后的薄膜表面再沉积第一透明导电电极层，形成完整的太阳能电池。

[0085] 在实施所述的步骤a)和b)的同时，在所述的第一透明导电电极层上施加极化电场，电压为10～3000V，使所沉积的CdTe和CdS混合薄膜置于电场之中。

[0086] 以下为制备所述的太阳能电池的实施例。

[0087] 实施例1

[0088] 首先将99.999％的高纯ZnO:Al靶材安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将清洁的玻璃衬底送入热蒸发设备的真空腔室，并加热到200℃；对真空室抽真空至低于-44×10 Pa；真空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/
2
cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积1.0μm厚的ZnO:Al透明导电薄膜(TCO)，即第一透明导电电极层。

[0089] 再将CdS和CdTe按质量比1:30的比例混合，在6000N/cm2的压强下压制成混合靶材，将此混合靶材制成的靶安装到磁控溅射设备的靶位上。然后将沉积有第一透明导电电极层的玻璃衬底送入磁控溅射设备的真空腔室内，加热到250℃。对真空腔室抽真空至低-4于4×10 Pa。向真空腔室中充入氩气至2Pa。打开射频溅射电源，调节其输出功率至2.5W/
2
cm。靶与玻璃衬底之间的距离为10cm。在此工艺条件下溅射沉积0.2μm厚的CdSTe合金薄膜，制成由衬底、第一透明导电电极层和光伏效应层构成的太阳能电池薄膜坯层结构，如图5B中的150。

[0090] 如图5A所示，CdS电偶极子纳米颗粒200是一个极化的硫化镉分子，在正极212和负极214之间具有电场210。可以由一个或多个CdS电偶极子分子200形成n型CdS纳米颗粒120。正极212和负极214之间存在电偶极矩，其方向如箭头A所示。所述的太阳能电池薄膜坯层150包含许多个CdS纳米颗粒120。

[0091] 将所述的太阳能电池薄膜坯层结构150从溅射真空室中取出。图5C给出了电偶极子经CdCl2热处理后的同向排列，其中电偶极子排列也可以是相反方向，这取决于纳米偶极子颗粒的凝聚形成过程和加热温度的控制。如图5C所示，将纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150置于CdCl2中按热处理工艺160进行热处理，即在含有CdCl2 饱和蒸汽和干空气的混合气体中加热到350℃，并保温120分钟，从而形成部分同向排列的纳米颗粒太阳能电池150’。CdS电偶极子200在CdCl2处理工艺160中反应，以至于每个纳米颗粒120的电偶极矩以基本相同的方向排布。如图5C所示，纳米颗粒120通常的方向为远离第一透明导电电极层114。CdS电偶极子200在p型光伏介质122中的同向排列改善了功率输出和电池效率。完成如160或170的CdCl2热处理后，冷却到室温。

[0092] 然后将CdCl2热处理后的纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构送入该溅射设-4备的真空腔室，在蒸发坩埚中放入99.99％的高纯金；抽真空达到低于4×10 Pa；打开加热电源对蒸发坩埚供电直至金溶解；打开挡板对玻璃衬底蒸发沉积金，厚度为600nm，制备出第二导电电极层，完成所述的太阳能电池制备。

[0093] 实施例2

[0094] 将99.999％的高纯ZnO:Al靶材安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将清洁的玻-4璃衬底送入热蒸发设备的真空腔室，并加热到200℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；
2
真空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积1.0μm厚的ZnO:Al透明导电薄膜(TCO)，即第一透明导电电极层。

[0095] 将ZnTe和CdTe按质量比1:30的比例混合后，在10000N/cm2的压强下压制成混合靶材，将此混合靶材压制成的靶安装到磁控溅射设备的靶位上。然后将TCO导电玻璃衬-4底送入该溅射设备的真空腔室内，并加热到250℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；真空腔室中充入氩气Ar和氮气N2的混合气体至2Pa，混合气体的体积比为Ar:N2＝97:3；打开
2
射频溅射电源，调节该电源的输出功率至2.5W/cm。靶与玻璃衬底之间的距离为10cm。在此工艺条件下溅射沉积2.0μm厚的CdZnTe:N合金薄膜，制成纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150。

[0096] 将纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150的TCO薄膜加上1000V的直流电压，并将坯层结构暴露于CdCl2蒸汽和干空气的混合气体中加热到650℃，并保温10分钟，然后冷却到室温。由于ZnTe更容易形成高浓度p型掺杂而CdTe基本不受氮掺杂影响的特性，在CdTe光伏介质中形成氮掺杂的重p型ZnTe:N纳米偶极子颗粒。

[0097] 然后将CdCl2热处理后的纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构送入该溅射设-4备的真空腔室，在蒸发坩埚中放入99.99％的高纯金；抽真空达到低于4×10 Pa；打开加热电源对蒸发坩埚供电直至金溶解；打开挡板对玻璃衬底蒸发沉积金，厚度为600nm，制备出第二导电电极层，完成电池制备。

[0098] 实施例3

[0099] 将99.999％的高纯ZnO:Al靶材安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将清洁的玻-4璃衬底送入热蒸发设备的真空腔室，并加热到200℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；
2
真空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积1.0μm厚的ZnO:Al透明导电薄膜(TCO)，即第一透明导电电极层。

[0100] 将CdS和CdTe按质量比1:20的比例混合后，在1000N/cm2的压强下压制成混合靶材，将此混合材料制成的靶安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将TCO导电玻璃衬底送-4入该溅射设备的真空腔室，并加热到250℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；真空腔室中
2
充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积5μm厚的CdSTe合金薄膜，制成纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150。

[0101] 纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150置于CdCl2的干空气中加热到650℃，并保温5分钟，然后冷却到室温。

[0102] 然后将CdCl2热处理后的纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构送入该溅射设-4备的真空腔室，在蒸发坩埚中放入99.99％的高纯金；抽真空达到低于4×10 Pa；打开加热电源对蒸发坩埚供电直至金溶解；打开挡板对玻璃衬底蒸发沉积金，厚度为600nm，制备出第二导电电极层，完成电池制备。

[0103] 实施例4

[0104] 将清洁的玻璃衬底送入热蒸发设备的真空腔室，在蒸发坩埚中放入99.99％的高-4纯金；抽真空达到低于4×10 Pa；打开加热电源对蒸发坩埚供电直至金溶解；打开挡板对玻璃衬底蒸发沉积金，厚度为600nm。完成第二导电电极层的制备。

[0105] 将CdS和CdTe按质量比1:20的比例混合后，在1000N/cm2的压强下压制成混合靶材，将此混合材料制成的靶安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将沉积好金薄膜的玻璃-4衬底送入该溅射设备的真空腔室，并加热到250℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；真空
2
腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积2.0μm厚的CdSTe合金薄膜，制成纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构。

[0106] 将由衬底、第二导电电极层和光伏效应层构成的纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构的第二导电电极层—金薄膜加上10V的直流电压，并将坯层结构置于CdCl2的干空气中加热到550℃，并保温90分钟，然后冷却到室温。

[0107] 完成CdCl2热处理后，在太阳能电池上制备第一透明导电电极层，完成电池制备。将99.999％的高纯ZnO:Al靶材安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将CdCl2热处理后的纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构送入该溅射设备的真空腔室，并加热到200℃；对真-4
空室抽真空至低于4×10 Pa；真空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源
2
输出功率至2.5W/cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积1.0μm厚的ZnO:Al透明导电薄膜，制成纳米偶极子颗粒太阳能电池。

[0108] 实施例5

[0109] 将99.999％的高纯ZnO:Al靶材安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将清洁的不-4锈钢衬底送入该溅射设备的真空腔室，并加热到400℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；
2
真空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/cm，靶与不锈钢衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积1.0μm厚的ZnO:Al透明导电薄膜(TCO)，即第一透明导电电极层。

[0110] 将CdS和CdTe按质量比1:20的比例混合后，在1000N/cm2的压强下压制成混合靶材，将此混合材料制成的靶安装到磁控溅射设备的靶位上；然后将沉积好ZnO:Al的不锈-4钢衬底送入该溅射设备的真空腔室，并加热到300℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；真
2
空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率至2.5W/cm，靶与不锈钢衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积20μm厚的CdSTe合金薄膜，制成纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构。

[0111] 纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构置于CdCl2的干空气中加热到650℃，并保温5分钟，然后冷却到室温。

[0112] 然后将CdCl2热处理后的纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构送入安装好99.999％的高纯ZnO:Al靶材的溅射设备的真空腔室，并加热到400℃；对真空室抽真空-4
至低于4×10 Pa；真空腔室中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节该电源输出功率
2
至2.5W/cm，靶与不锈钢衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积1.0μm厚的ZnO:Al透明导电薄膜，在不透明衬底上制成纳米偶极子颗粒太阳能电池。

[0113] 实施例6

[0114] 首先制备纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150。将CdS和CdTe按质量比2
1:2.5的比例混合后，在6000N/cm的压强下压制成混合靶材，将此混合材料制成的靶安装到磁控溅射设备的溅射靶位上；然后将覆盖有第一透明导电电极层的玻璃衬底(TCO玻璃)-4
送入该溅射设备的真空腔室，并加热到250℃；对真空室抽真空至低于4×10 Pa；真空腔室
2
中充入氩气至2Pa；打开射频溅射电源，调节其输出功率至2.5W/cm，靶与玻璃衬底之间的距离为10cm；在此工艺条件下溅射沉积20μm厚的CdSTe合金薄膜，制成纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150。

[0115] 图5D给出了经过施加极化场的CdCl2处理后的电偶极子同向排列。其中电偶极子排列也可以是相反方向。如图5D所示，纳米偶极子颗粒太阳能电池薄膜坯层结构150可以在电场强化的CdCl2热处理工艺170中形成极化率更高的纳米偶极子颗粒太阳能电池150”。电场强化的CdCl2处理工艺170类似于CdCl2处理工艺160，但在进行CdCl2处理的同时在第一透明导电电极层114上施加极化电场，强度为3000V。极化电场施加在第一透明导电电极层114上，从而驱动CdS电偶极子200在光伏介质122中形成更加一致的同向排列。完成CdCl2热处理(如160或170)后，在太阳能电池上制备第二导电电极层，完成电池制备。

[0116] 图6所示为实施例1制备的纳米偶极子颗粒太阳能电池的性能，图6中比较了平面p-n结电池(传统电池)135和所述的纳米偶极子颗粒太阳能电池(混合薄膜)136的量子效率与波长的关系。光谱波段为430～850nm。图6给出了玻璃衬底和TCO层对太阳能电池整体效率的影响，它们会吸收一部分进入它们内部的光(玻璃吸收部分133、TCO吸收部分134)，因此降低了电池效率。然而，纳米颗粒太阳能电池在入射光的高能部分(即短波长处，大约430～550nm波段)137相比平面结电池表现出了很强的改善。平面p-n结电池在这一波段的损失138是由于CdS n型层的吸收引起的。因此可将更多的光转换成电，这种改善最终体现在了电池的输出上。

[0117] 图7A到9B给出了几组本发明制备的太阳能电池的测量数据，以说明CdCl2处理工艺对纳米偶极子颗粒太阳能电池及不含纳米偶极子的平面太阳能电池(图7B、8B和9B)性能的影响，CdCl2处理工艺对纳米偶极子颗粒太阳能电池性能的影响如图7A、8A和9A所示，CdCl2处理工艺对不含纳米偶极子的平面太阳能电池性能的影响如图7B、8B和9B所示。如图7所示，太阳能电池效率的平均值经CdCl2处理后都有所提升。从图中还看出，每次经CdCl2处理后，纳米偶极子颗粒太阳能电池相比不含纳米偶极子平面结电池都表现出了更窄和更一致的效率分布，两种样品表现出了几乎相差一倍的效率(6％与3.3％)，而纳米偶极子颗粒太阳能电池的良品率达到100％。因此，纳米颗粒太阳能电池更适宜大规模生产。

[0118] 图8A和8B给出了CdCl2处理时间对电池开路电压(Voc)的影响。从图中明显看出，图8A所示的纳米颗粒太阳能电池的开路电压比图8B所示的平面结太阳能电池的开路电压高很多。而两种电池在给定的CdCl2处理时间下，表现出了接近的短路电流。

[0119] 图10比较了平面结和纳米颗粒太阳能电池的入射能量与吸收系数与入射能量乘积的平方值之间的关系，包括了CdCl2处理前后的情况。吸收系数决定特定波长的光在太阳能电池中的注入深度。因此，高的吸收系数说明材料可以吸收更多的光能。对直接带隙材料(如CdTe、CdS)，当按吸收系数与入射能量之积的平方和入射能量的关系作图时，曲线可以给出线性部分。线性部分在能量轴上的截距是这种材料的带隙。带隙表征了产生自由电子发电的所需的最低光子能量，因此意味着吸收阈值。低带隙材料或结构相比高带隙的可以利用范围更宽的光谱。

[0120] 图10给出了纳米太阳能电池在CdCl2处理前的吸收率曲线250。曲线250没有给出明确的线性区域并且没给出很强的吸收边。因此，吸收阈值是渐变的，这限制了电池吸收入射能量产生自由电子的能力。曲线组260表明了CdCl2处理对纳米颗粒太阳能电池的关键性。尖锐的吸收边就是证据，说明带隙大约为1.486eV。通过比较，不含纳米偶极子的平面结电池的曲线组270给出了类似的线性区域并有明确的吸收边，但是带隙更高，大约为1.50eV。

[0121] 图11描述了使用本发明方法制备出的一个CdS纳米偶极子颗粒电池的电流-电压性能测试曲线，作为一个具体实例，其制备方法如上所述。虽然电池中没有p-n结结构，但是二极管的I-V特性明显。这说明电池中电偶极子颗粒形成的极化电场起到了与p-n结电场同样的单向导通作用。该电池具体测试性能为：

[0122]

[0123] 测试条件为：

[0124] 光谱 AM 1.5G2

[0125] 光强 100mW/cm

[0126] 电池温度 25℃。

[0127] 实施例7

[0128] 使用压电力显微镜表征本发明太阳能电池的样品，其方法是：在压电力显微镜中安装上导电探针，并将控制系统调整到测量模式；将本发明太阳能电池的样品放入压电力显微镜的导电探针下，并对探针加交变振荡电压，然后记录电池样品表面各个坐标位置探针随振荡电压的纵向位移和横向摆动信息；收集所述的电池样品表面各个坐标位置探针随振荡电压的纵向位移和横向摆动信息的同时，使用锁相放大器(Lock-in Amplifier)处理从压电力显微镜的光敏传感器获得的探针随振荡电压的纵向位移和横向摆动信号，从中过滤出与振荡电压源同频率的信号，去除噪音。对本发明的太阳能电池表面进行扫描，并绘制出电池薄膜表面各点的纵向位移或横向摆动信号随对应探针坐标的分布图；纳米偶极子颗粒的局部形变与振荡电压之间的相位差可提供电偶极子颗粒的局部极化方向信息，相位差对应探针坐标绘制出薄膜的向量压电效应分布图。

[0129] 图12A，图12B描述的是通过压电力显微镜(Piezoresponse Force Microscopy)的纵向压电效应(Vertical PFM)，即图12A，和横向压电效应(Lateral PFM)，即图12B，扫描获得纳米偶极子颗粒的尺寸、分布信息。同样的设备通过向量压电效应(Vector PFM)扫描还可以获得电偶极子的局部极化方向分布的信息。其原理是，通过压电力显微镜系统在接触模式下的导电探针300对薄膜表面施加一个振荡电压320,由于纳米偶极子颗粒120的压电特性会在这个局部偏压的影响下产生同样频率的形变震荡，而没有压电性能的光伏介质材料122则不会变化。因此对本发明的太阳能电池表面进行扫描，配合AFM扫描探针的位置，并绘制出电池薄膜表面各点的纵向位移或横向摆动信号随对应探针坐标的分布图，可以区分出纳米偶极子颗粒和光伏介质材料，并获得纳米偶极子颗粒的分布、尺寸、形状、电偶极矩等信息。绘制局部形变与振荡电压之间的相位差对应的探针坐标的分布图，即向量压电效应分布图，可提供电偶极子颗粒的电偶极矩方向的信息。

[0130] 纳米偶极子颗粒伸缩时会引起探针的纵向震荡，产生纵向压电效应图，即图12A；切向形变时会引起探针横向摆动，而产生横向压电效应图，即图12B。振动幅度则与极性强度成正比。探针的纵向位移和横向摆动都可以通过PFM系统的四相光敏传感器310放大得到，并记录下来形成扫描图。而且纳米偶极子颗粒的极化方向与外加偏压场方向不一致时，形变的相位会有相对滞后，因此这个相位差可以提供电偶极子极化方向的信息，称为向量压电效应图。因此，这种方法还可以提供每个纳米偶极子颗粒的极化方向，为建立这种电池的宏观输出特性(如开路电压)与其微观结构和电偶极子的分布、极化方向之间的量化关系。

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纳米偶极子太阳能电池及其制备方法

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