CN102208459A - 基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，属于太阳能电池技术领域，本发明是在基板上自下而上依次沉积ZnO纳米线、硅基薄膜层、背电极层和封装材料层。本发明通过将ZnO纳米线复合到硅基薄膜太阳能电池内部，利用ZnO纳米线巨大的比表面积增大电池的受光面积，以及利用这些纳米线作为薄膜电池内部载流子的输送桥梁将载流子的迁移距离有几十微米减少至几百纳米，极大地提高了电池内部载流子收集效率，从而提高硅基薄膜电池的效率。

Description

基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池及制造方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体是基于ZnO纳米线的高效薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源无疑是人类生存与发展的基石，而随着传统能源的日益开发与枯竭，与之相对的却是社会发展对能源需求的剧增，能源短缺和能源供给问题已切实成为世界各国政府工作的当务之急。全球范围内能源紧缺的日益突出，使得可再生能源的开发利用备受关注，以可再生能源替代传统化石能源，解决能源短缺的同时，缓减环境污染问题。太阳能利用是绿色可再生能源中一个非常重要的一部分，自1893年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”以来，太阳能电池技术和太阳能电池产业迅速发展，围绕着如何提高太阳能电池效率、降低太阳能电池成本，各国对太阳能电池的研究日益深入。
借助于半导体工业的发展，晶体硅材料制备工艺相当成熟，并且晶体硅电池效率高，使得晶体硅在太阳能电池商业化的初始阶段占据着市场的主流地位；但随着薄膜电池的发展，成本低和环境无污染的优势，使得薄膜电池在市场份额中比率日益增加，业界均看好薄膜电池，尤其是硅基薄膜电池成为未来电池发展的主流。然而，目前硅基薄膜电池较低的效率限制了其工业发展的步伐。硅基薄膜电池中，微晶硅电池的理论效率为26%，非晶硅为24.3%，与晶硅电池理论效率相当，然而，实际生产过程中，微晶硅8.5%和非晶硅9.5%(初始)的效率远低于晶硅的18%(多晶硅)和24%(单晶硅)。这种差异主要源于硅基薄膜电池较低的光生载流子收集效率。禁带宽度为1.1eV的微晶硅和1.75eV非晶硅电池电流密度的理论值分别为43.6mA/cm2和21.1mA/cm2，而实际生产中的微晶硅和非晶硅薄膜电池的电流密度仅为20 mA/cm2和12 mA/cm2。而载流子的收集效率，又取决于电池结构、载流子迁移方式和迁移速率。以非晶硅薄膜电池为例，薄膜为无序结构，内部存在大量缺陷，光生载流子靠PN结形成的电场漂移，电子电导迁移率为10cm2/V·s，空穴电导迁移率为0.67 cm2/V·s，远低于晶硅，较低的迁移速率和大量缺陷的存在使载流子在迁移过程中部分复合消失。因此，提高硅基薄膜电池的效率，关键在于提高电池内部的电场强度和降低电池内部的缺陷。在效率较低的染敏电池和有机电池的研究中，人们先后将ZnO、TiO2、CdS、Mo等纳米线与薄膜电池复合，利用纳米线巨大的比表面积增大电池的受光面积，以及利用这些纳米线作为薄膜电池内部载流子的输送桥梁将载流子的迁移距离有几十微米减少至几百纳米，薄膜电池的短路电流急剧增大为原先的80倍以上，电池内部载流子收集效率极大提高，从而使电池效率提高至原先的20倍以上。然而，迄今为止，关于将纳米线复合到硅基薄膜电池的研究极少，这主要是由于合适的纳米线选取和制备比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池及制备方法。
为实现上述目的，本发明的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，是在基板上自下而上依次沉积ZnO纳米线、硅基薄膜层、背电极层和封装材料层构成。
作为上述基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的优选技术措施：所述ZnO纳米线的长度为500nm-2um，直径为50-80nm。所述的基板是氧化锡或氧化锌的透明导电氧化物玻璃。所述的硅基薄膜层为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。所述的背电极层为ZnO/Ag/Ti层、ZnO/Al层或ZnO层。所述的封装材料层为EVA/背板或PVB/钢化玻璃。
为实现上述目的，本发明的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法，是在基板上自下而上依次沉积ZnO纳米线、硅基薄膜层、背电极层和封装材料层，所述的ZnO纳米线按如下方法之一制备得到：
1)采用水热法制备
配制一定Zn2+浓度（0.01-0.05M）的Zn(NO3)2·6H2O去离子水溶液和等摩尔浓度的六次甲基四胺（HTM)的去离子水溶液，作为两种备用液体，然后将上述两种溶液混合搅拌0.5h得到实验用的水热胶体溶液。将洗净的透明导电玻璃基板浸入上述水热胶体溶液中，在95oC下水热皿中反应2h，将基板取出，用去离子水反复冲洗表面，去掉多余的离子和胺盐，在空气中烘干；
2)气相金属催化化学气相沉积的ZnO纳米线
实验中以高纯N2(99.99 %)作为保护气体和反应物的携带气体。将ZnO粉料(99．99 %)和石墨粉(99% )按1：1的摩尔比均匀混合并压制成源片。以透明导电玻璃基板作为衬底，在衬底上预先蒸镀一层厚度约2-5 nm 的金作为ZnO纳米线生长的催化剂。实验中将ZnO：石墨源片置于石英舟内，镀金的TCO玻璃基板放置于ZnO：石墨源片的气路下游2～10 cm。ZnO纳米线的制备条件为：生长时，石英管内为常压，N2的流量为100 sccm，为了使ZnO：石墨源片充分反应，首先在200℃氮气氛下对源片进行8 h的除气，然后将温度升至生长温度890℃，并在此温度下保温1 h。
作为上述基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法的优选技术措施：所述的硅基薄膜层(3)为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜，采用等离子化学气相沉积法或热丝化学气相沉积法制得。所述的基板(1)是氧化锡或氧化锌的透明导电氧化物玻璃。所述的背电极层(4)为ZnO/Ag/Ti层、ZnO/Al层或ZnO层。所述的封装材料层(5)为EVA/背板或PVB/钢化玻璃。
本发明的有益效果是：将ZnO纳米线复合到硅基薄膜太阳能电池内部，利用ZnO纳米线巨大的比表面积增大电池的受光面积，以及利用这些纳米线作为薄膜电池内部载流子的输送桥梁将载流子的迁移距离有几十微米减少至几百纳米，极大地提高了电池内部载流子收集效率，从而提高硅基薄膜电池的效率。
以ZnO纳米线制备PIN型硅基薄膜电池，ZnO薄膜作为TCO薄膜，在薄膜电池中广泛用作电池前电极和背电极，因此将ZnO纳米线复合到硅基薄膜电池内部，可以起到提高电池受光面积和作为电池内部载流子输送桥梁的作用，从而极大提高硅基薄膜电池的效率。
附图说明
图1是本发明太阳能电池的一种截面结构放大示意图。
图中标号说明：1-基板，2-ZnO纳米线，3-硅基薄膜层，4-背电极层，5-封装材料层。
具体实施方式
以下结合说明书附图通过实施例对本发明做进一步说明。
本发明的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，如图1所示，其是在基板1上自下而上依次沉积ZnO纳米线2、硅基薄膜层3、背电极层4和封装材料层5构成。进一步的：ZnO纳米线(2)的长度为500nm-2um，直径为50-80nm；基板1是氧化锡或氧化锌的透明导电氧化物玻璃；硅基薄膜层3为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜；背电极层4为ZnO/Ag/Ti层、ZnO/Al层或ZnO层；封装材料层5为EVA/背板或PVB/钢化玻璃。
实施例1：
1) 以氧化锡透明导电玻璃(F-SNO2)为基板1，采用水热法在基板1上制备ZnO纳米线/柱/钉；
2) 采用13.56MHZ的等离子体化学气相沉积在步骤1)制得的ZnO纳米线/柱/钉上沉积250-500nm厚的非晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3)用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上依次溅射20-100nm厚的ZnO、100-300nm厚的Ag、10-40nm厚的Ti形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的EVA（乙烯与醋酸乙烯共聚物）/背板，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例2：
1) 以氧化锌透明导电玻璃(Ag-ZnO)为基板1，采用水热法在基板1上制备ZnO纳米线/柱/钉；
2) 采用热丝化学气相沉积在步骤1)制得的ZnO纳米线/柱/钉上沉积250-500nm厚的非晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上依次溅射20-100nm厚的ZnO、100-300nm厚的Ag、10-40nm厚的Ti形成背电极层4；
4) 将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的EVA/背板，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例3：
1) 以氧化锡透明导电玻璃(F-SNO2)为基板1，采用金属催化化学气相沉积法在基板1上制备ZnO纳米线2；
2) 采用热丝化学气相沉积在步骤1)制得的ZnO纳米线上沉积3μm厚的微晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上依次溅射30-100nm厚的ZnO、2μm厚的Al形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的EVA/背板，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例4：
1) 以氧化锌透明导电玻璃(Ag-ZnO)为基板1，采用金属催化化学气相沉积法在基板1上制备ZnO纳米线2；
2) 采用13.56MHZ的等离子体化学气相沉积在步骤1)制得的ZnO纳米线2上沉积250-500nm厚的非晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上溅射600-800nm厚的ZnO形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的PVB（聚乙烯醇缩丁醛）/3mm钢化玻璃，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例5：
1) 以氧化锡透明导电玻璃(F-SNO2)为基板1，采用水热法在基板1上制备ZnO纳米线/柱/钉；
2) 采用70MHZ的等离子体化学气相沉积在步骤1)制得的ZnO纳米线/柱/钉上沉积的3μm厚微晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上依次溅射20-100nm厚的ZnO、100-300nm厚的Ag、10-40nm厚的Ti形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的EVA和背板，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例6：
1) 以氧化锌透明导电玻璃(AG-ZNO)为基板1，采用金属催化化学气相沉积法在基板1上制备ZnO纳米线2；
2) 采用70MHZ的等离子体化学气相沉积在步骤1)制得的ZnO纳米线2上沉积250-500nm厚的非晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的非晶硅薄膜上依次溅射20-100nm厚的ZnO、100-300nm厚的Ag、10-40nm厚的Ti形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的EVA和背板，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例7：
1) 以氧化锡透明导电玻璃(F-SNO2)为基板1，采用金属催化化学气相沉积法在基板1上制备ZnO纳米线2；
2) 采用70MHZ的等离子体化学气相沉积在步骤1)制得的氧化锌纳米线上沉积3μm厚的微晶硅晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上依次溅射600-800nm厚的ZnO形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的PVB和3mm钢化玻璃进，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
实施例8：
1) 以氧化锡透明导电玻璃(F-SNO2)为基板1，采用金属催化化学气相沉积法在基板1上制备ZnO纳米线2；
2) 采用13.56MHZ的等离子体化学气相沉积在步骤1)制得的氧化锌纳米线2上沉积250-500nm厚的非晶硅PIN层作为硅基薄膜层3；
3) 用磁控溅射法在步骤2)制得的硅基薄膜层3上依次溅射20-100nm厚的ZnO、100-300nm厚的Ag、10-40nm厚的Ti形成背电极层4；
4)将步骤3）制得的背电极层4上层压封装作为封装材料层5的EVA和背板，得到基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池。
本发明的太阳能电池，太阳光线透过基板1经氧化锌纳米线层2射向硅基薄膜层3，在硅基薄膜层3产生内建电场，背电极层4与硅基薄膜层相连，经导线连接引出电流。光线经过氧化锌纳米线层2，利用ZnO纳米线巨大的比表面积增大电池的受光面积，以及利用这些纳米线作为薄膜电池内部载流子的输送桥梁将载流子的迁移距离有几十微米减少至几百纳米，极大地提高了电池内部载流子收集效率，从而提高硅基薄膜电池的效率。
本发明的电池结构和制造方法不仅可以应用在如上所述的单结薄膜电池结构中，也可应用在叠层薄膜电池结构中，用作叠层电池的顶电池。

Claims (11)

1.基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，其特征是：在基板(1)上自下而上依次沉积ZnO纳米线(2)、硅基薄膜层(3)、背电极层(4)和封装材料层(5)构成。
2.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，其特征是：所述ZnO纳米线(2)的长度为500nm-2um，直径为50-80nm。
3.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，其特征是：所述的基板(1)是氧化锡或氧化锌的透明导电氧化物玻璃。
4.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，其特征是：所述的硅基薄膜层（3）为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，其特征是：所述的背电极层(4)为ZnO/Ag/Ti的三层结构、ZnO/Al的两层结构或ZnO单层结构。
6.根据权利要求1所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池，其特征是：所述的封装材料层(5)为EVA/背板两层结构或PVB/钢化玻璃两层结构。
7.基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法，其特征是：在基板(1)上自下而上依次沉积ZnO纳米线(2)、硅基薄膜层(3)、背电极层(4)和封装材料层(5)，所述的ZnO纳米线(2)采用水热法和气相金属催化化学气相沉积法制备。
8.根据权利要求7所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法，其特征是：所述的硅基薄膜层(3)为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜，采用等离子化学气相沉积法或热丝化学气相沉积法制得。
9.根据权利要求7所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法，其特征是：所述的基板(1)是氧化锡或氧化锌的透明导电氧化物玻璃。
10.根据权利要求7所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法，其特征是：所述的背电极层(4)为通过在线溅射系统制得的ZnO/Ag/Ti三层结构、ZnO/Al两层结构或ZnO单层结构。
11.根据权利要求7所述的基于ZnO纳米线的高效硅基薄膜太阳能电池的制造方法，其特征是：所述的封装材料层(5)为EVA/背板或PVB/钢化玻璃。
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