CN102280530A - 一种增加太阳电池光吸收的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增加太阳电池光吸收的方法，包括：在太阳电池受光面生长一层宽禁带氧化物纳米结构，所述的宽禁带氧化物为氧化锌、二氧化钛或二氧化锡，所述的纳米结构为直径10～100nm的纳米颗粒或单根纳米棒长度为30～300nm的纳米棒阵列。本发明的增加太阳电池光吸收的方法可在较宽太阳光谱范围内实现光反射损失的显著减少，使得太阳电池的效率显著提高。本发明方法工艺简单，能耗低，且与现有太阳电池生产工艺完全兼容，适合大规模产业化。

Description

一种增加太阳电池光吸收的方法
技术领域
本发明属于太阳能应用领域，尤其涉及一种增加太阳电池光吸收的方法。
背景技术
如何有效降低太阳电池的反射率，增加其光吸收是提高太阳电池效率的关键因素之一。在现有太阳电池的制备工艺中，大多采取先在电池表面进行织构，然后在织构表面沉积一层厚度为80～100nm的氮化硅薄膜作为减反射膜。此外，其它一些宽禁带薄膜材料，如二氧化钛、二氧化硅等也可以实现较好的减反射效果，见文献M.A.Green，in：Silicon Solar Cells：Advanced Principles and Practice，Bridge，Sydney，1995。还有一些报道采用多层膜结构进行减反射。但是，上述方法只能在很窄的波长区域内和很小的入射角变化范围内实现减反射功能。
发明内容
本发明提供了一种增加太阳电池光吸收的方法，可在较宽太阳光谱范围内实现光反射损失的显著减少，使得太阳电池的效率显著提高。
一种增加太阳电池光吸收的方法，包括：在太阳电池受光面生长一层宽禁带氧化物纳米结构，所述的宽禁带氧化物为氧化锌、二氧化钛或二氧化锡，所述的纳米结构为直径10～100nm的纳米颗粒或单根纳米棒长度为30～300nm的纳米棒阵列。
所述的太阳电池可以为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池或薄膜太阳电池。
所述的纳米结构为纳米颗粒时，所述的增加太阳电池光吸收的方法，包括以下步骤：
将颗粒直径为10～100nm的宽禁带氧化物纳米颗粒分散在水或醇溶剂中，形成宽禁带氧化物纳米颗粒的体积浓度为0.1％～8％的溶液，所述的宽禁带氧化物为氧化锌、二氧化钛或二氧化锡；
再将所述的溶液采用旋涂或滴涂的方式涂覆在太阳电池受光面，使所述的宽禁带氧化物纳米颗粒均匀分散在所述太阳电池受光面；
最后，将涂覆有所述的宽禁带氧化物纳米颗粒的太阳电池在空气中自然风干。
优选的技术方案中，所述旋涂时的转速为300～800rad/min。
所述的纳米结构为氧化锌纳米棒阵列时，所述的增加太阳电池光吸收的方法，包括以下步骤：
(1)将颗粒直径为10～100nm的氧化锌纳米颗粒分散在水或醇溶剂中，形成氧化锌纳米颗粒的体积浓度为0.1％～8％的溶液，在20～95℃将该溶液以旋涂的方式涂覆在太阳电池受光面，在太阳电池受光面形成一层氧化锌种子层，厚度为5～50nm；
或者，通过磁控溅射法在太阳电池受光面生长一层厚度为5～50nm的氧化锌种子层，衬底温度为100～300℃，沉积速率为1～10nm/min；
(2)将生长有所述氧化锌种子层的太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺(HMT，CAS号：100-97-0)组成的混合溶液中浸泡0.5-1小时，温度为20～95℃，在所述氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
(3)将生长有所述氧化锌纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。
优选的技术方案中，所述旋涂时的转速为300～800rad/min。
所述的纳米结构为二氧化钛纳米棒阵列或二氧化锡纳米棒阵列时，所述的增加太阳电池光吸收的方法，包括以下步骤：
(1)将颗粒直径为10～100nm的氧化锌纳米颗粒分散在水或醇溶剂中，形成氧化锌纳米颗粒的体积浓度为0.1％～8％的溶液，在20～95℃将该溶液以旋涂的方式涂覆在太阳电池受光面，在太阳电池受光面形成一层氧化锌种子层，厚度为5～50nm；
或者，通过磁控溅射法在太阳电池受光面生长一层厚度为5～50nm的氧化锌种子层，衬底温度为100～300℃，沉积速率为1～10nm/min；
(2)将生长有所述氧化锌种子层的太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺(HMT，CAS号：100-97-0)组成的混合溶液中浸泡0.5-1小时，温度为20～95℃，在所述氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
(3)通过磁控溅射法在所述氧化锌纳米棒阵列的表面沉积二氧化钛或二氧化锡薄膜，衬底温度为100～300℃，沉积速率为1～10nm/min；
(4)室温下用0.01～0.1摩尔/升的盐酸将所述氧化锌纳米棒阵列腐蚀掉，在太阳电池受光面上得到一层二氧化钛或二氧化锡纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
(5)将生长有所述二氧化钛或二氧化锡纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。
优选的技术方案中，所述旋涂时的转速为300～800rad/min。
本发明的增加太阳电池光吸收的方法，采取在太阳电池受光面生长一层宽禁带氧化物纳米结构来实现。当宽禁带氧化物纳米结构为宽禁带氧化物纳米颗粒时，其对入射光散射，可减少其反射，从而增加太阳电池的光吸收；当宽禁带氧化物纳米结构为宽禁带氧化物纳米棒阵列时，一方面由于纳米棒自身结构，可以实现折射率从顶部到底部由小到大的连续变化；另一方面，纳米棒阵列还可以实现对入射的太阳光的多次散射，从而可以在较宽波长范围内减少对入射光的反射，从而增加太阳电池的光吸收；此外，光的入射角也可以在很大范围内变化但不影响其减反射效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明的增加太阳电池光吸收的方法中所采用的宽禁带氧化物在自然界储量丰富，成本低廉。
(2)本发明的增加太阳电池光吸收的方法，具体说在太阳电池受光面生长于宽禁带氧化物纳米结构的方法及工艺简单，能耗低，且与现有太阳电池生产工艺完全兼容，适合大规模产业化。
附图说明
图1为在晶体硅太阳电池表面生长宽禁带氧化物纳米结构的示意图。
图2a和图2b为实施例5中在太阳电池受光面生长的氧化锌纳米棒阵列在不同放大倍数下的SEM照片。
图3为实施例4和5中在太阳电池受光面生长氧化锌纳米棒阵列后的电池片的反射率谱图以及未生长纳米结构的标准电池片的的反射率谱图的对比图。
图4为实施例4和5中在太阳电池受光面生长氧化锌纳米棒阵列后的电池片的外量子效率谱图以及未生长纳米结构的标准电池片的外量子效率谱图的对比图。
图5为实施例5中在太阳电池受光面生长氧化锌纳米棒阵列后的电池片在光照下的IV曲线以及未生长纳米结构的标准电池片的在光照下的IV曲线的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
将颗粒直径分布在80～100nm的氧化锌纳米颗粒分散在水中，形成氧化锌纳米颗粒的体积浓度为0.8％的溶液；再将该溶液在350rad/min的转速下以旋涂的方式涂覆在单晶硅太阳电池受光面，使氧化锌纳米颗粒均匀分散在单晶硅太阳电池受光面；最后，将涂覆有氧化锌纳米颗粒的单晶硅太阳电池在空气中自然风干。
对上述得到的产物进行了成分和结构表征，由XRD谱图和扫描电镜照片可见：在单晶硅太阳电池受光面生长有一层颗粒直径分布在80～100nm的氧化锌纳米颗粒。
其产物结构示意图如图1所示，在单晶硅太阳电池1受光面2生长有一层颗粒直径分布在80～100nm的氧化锌纳米颗粒3。
实施例2
将颗粒直径为60～80nm的二氧化钛纳米颗粒分散在水中，形成二氧化钛纳米颗粒的体积浓度为0.5％的溶液；再将该溶液采用滴涂的方式涂覆在多晶硅太阳电池受光面，使二氧化钛纳米颗粒均匀分散在多晶硅太阳电池受光面；最后，将涂覆有二氧化钛纳米颗粒的多晶硅太阳电池在空气中自然风干。
对上述得到的产物进行了成分和结构表征，由XRD谱图和扫描电镜照片可见：在多晶硅太阳电池受光面生长有一层颗粒直径分布在60～80nm的二氧化钛纳米颗粒。
实施例3
将颗粒直径分布在60～80nm的二氧化锡纳米颗粒分散在水中，形成二氧化锡纳米颗粒的体积浓度为0.5％的溶液；再将该溶液在350rad/min的转速下以旋涂的方式涂覆在薄膜太阳电池受光面，使二氧化锡纳米颗粒均匀分散在薄膜太阳电池受光面；最后，将涂覆有二氧化锡纳米颗粒的薄膜太阳电池在空气中自然风干。
对上述得到的产物进行了成分和结构表征，由XRD谱图和扫描电镜照片可见：在薄膜太阳电池受光面生长有一层颗粒直径分布在60～80nm的二氧化锡纳米颗粒。
实施例4
室温下，将颗粒直径为80～100nm的氧化锌纳米颗粒分散在乙醇中，形成氧化锌纳米颗粒的体积浓度为0.8％的乙醇溶液；
室温下，在350rad/min的转速下，将该溶液以旋涂的方式涂覆在单晶硅太阳电池受光面，在单晶硅太阳电池受光面上形成一层氧化锌种子层，厚度为～10nm；
将生长有上述氧化锌种子层的单晶硅太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺(HMT，CAS号：100-97-0)组成的混合溶液中浸泡30分钟，温度为90℃，在氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，将生长有上述氧化锌纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干，扫描电镜照片观察到纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm。由XRD谱图分析得出形成的纳米棒的成分为氧化锌。
实施例5
通过磁控溅射法在单晶硅太阳电池受光面生长一层厚度为～10nm的氧化锌种子层，溅射时，靶材为锌，在氩气和氧气的气氛下进行，氩气和氧气的流量比为30∶15，衬底温度为150℃，沉积速率为2nm/min，工作压强为8Pa，溅射功率为20W。
将生长有上述氧化锌种子层的单晶硅太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺(HMT，CAS号：100-97-0)组成的混合溶液中浸泡45分钟，温度为90℃，在氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，将生长有上述氧化锌纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。
对上述得到的产物进行了成分和结构表征，扫描电镜照片如图2a和2b所示，可以观察到纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm。由XRD谱图分析得出形成的纳米棒的成分为氧化锌。
实施例6
通过磁控溅射法在单晶硅太阳电池受光面生长一层厚度为～10nm的氧化锌种子层，溅射时，靶材为锌，在氩气和氧气的气氛下进行，氩气和氧气的流量比为30∶15，衬底温度为150℃，沉积速率为2nm/min，工作压强为8P，溅射功率为20W。
将生长有上述氧化锌种子层的单晶硅太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺(HMT，CAS号：100-97-0)组成的混合溶液中浸泡30分钟，温度为90℃，在氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
通过磁控溅射法在上述氧化锌纳米棒阵列的表面沉积二氧化钛薄膜，将二氧化钛包覆在氧化锌纳米棒阵列表面；沉积二氧化钛薄膜时，靶材为钛，在氩气和氧气的气氛下进行，氩气和氧气的流量比为30∶15，衬底温度为300℃，沉积速率为1.5nm/min，工作压强为5Pa，溅射功率为20W。
在室温下将上述太阳电池在浓度为0.01摩尔/升的稀盐酸浸泡1秒，将氧化锌纳米棒阵列腐蚀掉，在太阳电池受光面上得到一层二氧化钛纳米棒阵列，将生长有上述二氧化钛纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。扫描电镜照片观察到纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm。由XRD谱图分析得出形成的纳米棒的成分为二氧化钛。
实施例7
通过磁控溅射法在单晶硅太阳电池受光面生长一层厚度为～10nm的氧化锌种子层，溅射时，靶材为锌，在氩气和氧气的气氛下进行，氩气和氧气的流量比为30∶15，衬底温度为150℃，沉积速率2nm/min，工作压强为8Pa，溅射功率为20W。
将生长有上述氧化锌种子层的单晶硅太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺(HMT，CAS号：100-97-0)组成的混合溶液中浸泡30分钟，温度为90℃，在氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
通过磁控溅射法在上述氧化锌纳米棒阵列的表面沉积二氧化锡薄膜，将二氧化锡包覆在氧化锌纳米棒阵列表面；沉积二氧化锡薄膜时，靶材为锡，在氩气和氧气的气氛下进行，氩气和氧气的流量比为30∶15，衬底温度为200℃，沉积速率为1.5nm/min，工作压强为5Pa，溅射功率为20W。
在室温下将上述太阳电池在浓度为0.01摩尔/升的稀盐酸浸泡2秒，将氧化锌纳米棒阵列腐蚀掉，在太阳电池受光面上得到一层二氧化锡纳米棒阵列，将生长有上述二氧化锡纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。扫描电镜照片观察到纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm。由XRD谱图分析得出形成的纳米棒的成分为二氧化锡。
性能测试：
以下将以实施例4和5的增加太阳电池光吸收的方法中得到的受光面生长有氧化锌纳米棒阵列的太阳电池为例来进行性能测试。
采用可见-紫外分光光度计分别对上述实施例4和5中得到的单晶硅太阳电池的反射率进行测试，反射率曲线分别如图3中曲线C和曲线D所示。为了对比，同时还测试了未在受光面上生长氧化锌纳米棒阵列的标准单晶硅太阳电池的反射率，反射率曲线如图3中曲线B所示。
由图3中各曲线对比，可以发现，实施例4和5得到的受光面生长有氧化锌纳米棒阵列的单晶硅太阳电池的反射率在整个测试光谱范围内显著降低，尤其是实施例5，在可见光范围内反射率可以降到4％以下。
分别对上述实施例4和5中得到的单晶硅太阳电池的外量子效率进行测试，外量子效率曲线分别如图4中曲线C和曲线D所示。为了对比，同时还测试了未在受光面上生长氧化锌纳米棒阵列的标准单晶硅太阳电池的外量子效率，外量子效率曲线如图4中曲线B所示。
由图4中各曲线对比，可以发现，实施例4和5得到的受光面生长有氧化锌纳米棒阵列的标准单晶硅太阳电池的外量子效率有明显提高，尤其在长波长范围内。图4中外量子效率变化范围与图3中反射率变化范围相对应。
对上述实施例5中得到的单晶硅太阳电池在标准太阳光模拟器(AM1.5，光照强度100mW/cm2，25℃)下进行IV测试，测试结果如图5中曲线C所示，为了对比，同时还对未在受光面上生长氧化锌纳米棒阵列的标准单晶硅的太阳电池进行了同样的IV测试，测试结果如图5中曲线B所示。由图5中各曲线对比，可以发现，实施例5得到的受光面生长有氧化锌纳米棒阵列的标准单晶硅太阳电池的效率较未在受光面上生长氧化锌纳米棒阵列的标准单晶硅太阳电池的效率增加了近20％。
通过以上性能测试的数据，可以看出，上述各实施例中得到的受光面生长宽禁带氧化物纳米结构的太阳电池的反射率可以显著降低，而与之对应的量子效率以及电池效率会显著增加。可见，本发明方法显著增加了太阳电池光吸收。

Claims (8)

1.一种增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，包括：在太阳电池受光面生长一层宽禁带氧化物纳米结构，所述的宽禁带氧化物为氧化锌、二氧化钛或二氧化锡，所述的纳米结构为直径10～100nm的纳米颗粒或单根纳米棒长度为30～300nm的纳米棒阵列。
2.如权利要求1所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，所述的太阳电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池或薄膜太阳电池。
3.如权利要求1或2所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将颗粒直径为10～100nm的宽禁带氧化物纳米颗粒分散在水或醇溶剂中，形成宽禁带氧化物纳米颗粒的体积浓度为0.1％～8％的溶液，所述的宽禁带氧化物为氧化锌、二氧化钛或二氧化锡；
再将所述的溶液采用旋涂或滴涂的方式涂覆在太阳电池受光面，使所述的宽禁带氧化物纳米颗粒均匀分散在所述太阳电池受光面；
最后，将涂覆有所述的宽禁带氧化物纳米颗粒的太阳电池在空气中自然风干。
4.如权利要求3所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，所述的旋涂的转速为300～800rad/min。
5.如权利要求1或2所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将颗粒直径为10～100nm的氧化锌纳米颗粒分散在水或醇溶剂中，形成氧化锌纳米颗粒的体积浓度为0.1％～8％的溶液，在20～95℃将所述的溶液以旋涂的方式涂覆在太阳电池受光面，在太阳电池受光面形成一层氧化锌种子层，厚度为5～50nm；
或者，通过磁控溅射法在太阳电池受光面生长一层厚度为5～50nm的氧化锌种子层，衬底温度为100～300℃，沉积速率为1～10nm/min；
(2)将生长有所述氧化锌种子层的太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺组成的混合溶液中浸泡0.5-1小时，温度为20～95℃，在所述氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
(3)将生长有所述氧化锌纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。
6.如权利要求5所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，所述的旋涂的转速为300～800rad/min。
7.如权利要求1或2所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将颗粒直径为10～100nm的氧化锌纳米颗粒分散在水或醇溶剂中，形成氧化锌纳米颗粒的体积浓度为0.1％～8％的溶液，在20～95℃将所述的溶液以旋涂的方式涂覆在太阳电池受光面，在太阳电池受光面形成一层氧化锌种子层，厚度为5～50nm；
或者，通过磁控溅射法在太阳电池受光面生长一层厚度为5～50nm的氧化锌种子层，衬底温度为100～300℃，沉积速率为1～10nm/min；
(2)将生长有所述氧化锌种子层的太阳电池在由浓度为0.1摩尔/升的硝酸锌和浓度为0.1摩尔/升的六次甲基四胺成的混合溶液中浸泡0.5-1小时，温度为20～95℃，在所述氧化锌种子层诱导下，在太阳电池受光面生长一层氧化锌纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
(3)通过磁控溅射法在所述氧化锌纳米棒阵列的表面沉积二氧化钛或二氧化锡薄膜，衬底温度为100～300℃，沉积速率为1～10nm/min；
(4)室温下用0.01～0.1摩尔/升的盐酸将所述氧化锌纳米棒阵列腐蚀掉，在太阳电池受光面上得到一层二氧化钛或二氧化锡纳米棒阵列，单根纳米棒长度为30～300nm；
(5)将生长有所述二氧化钛或二氧化锡纳米棒阵列的太阳电池在空气中自然风干。
8.如权利要求7所述的增加太阳电池光吸收的方法，其特征在于，所述的旋涂的转速为300～800rad/min。
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