CN102368503A - 一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池及其制作方法。所述太阳能电池包括下电极、设于所述下电极上的硅片、沉积于所述硅片上的环状的绝缘层、沉积于所述硅片上且位于所述环状的绝缘层的环腔内的碘化亚铜颗粒、铺设于所述绝缘层、硅片和碘化亚铜颗粒上的碳纳米管薄膜以及设于所述碳纳米管上的环形的上电极。本发明提供上述太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：将上下表面设有下电极和环形绝缘层的的硅片置于Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液中进行刻蚀得到表面有铜颗粒的硅片；将上述硅片置于碘的乙醇溶液中进行卤化反应得到表面有碘化亚铜颗粒的硅片；在上述硅片上铺设所述碳纳米管薄膜；然后在所述碳纳米管薄膜上沉积上电极即得所述太阳能电池。

Description

一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池及其制作方法，属于太阳能电池和纳米材料应用技术领域。

背景技术

在全球倡导可持续发展的今天，可再生能源成为大家越来越关注的问题。太阳能作为其中一种可再生的清洁能源，在各个领域得到了相关的应用。其中，太阳能电池的应用尤为广泛，当前市场上的太阳能电池主要以单晶硅电池为主。单晶硅电池效率最高，但是单晶硅加工成本高，于是，探究一种单晶硅用量少，光电转换效率高的新型电池显得尤为重要。

近年来，纳米材料以其优异的性能得到了广泛关注。其中，碳纳米管作为一种具有优异的光学电学性能的纳米材料，在太阳能电池领域中发挥了重要的作用。Wei JQ等人于2007年发明了碳纳米管-硅异质结太阳能电池，并获得了国家发明专利(专利号：ZL200610169827.0)。在碳纳米管-硅异质结太阳能电池结构中，碳纳米管既充当了p型材料，又充当了透明导电的上电极，使得碳纳米管的性能得到了充分的体现(WeiJQ et al.，Nano letters 2007，7，2317-2321)。之后，研究人员(Li ZR，et al.，ACS Nano 2009，3，1407-1414；Jia Y et al.，Nano letters 2011，5，1901-1905)也在尝试用不同的方法对碳纳米管-硅异质结太阳能电池进行处理和改进，以进一步提高了电池效率。此外，ShuQK等人(Shu QK，et al.，Nano Letters，2009，9，4338-4342)在硅纳米线阵列和碳纳米管薄膜异质结太阳能电池的基础上，在硅纳米线阵列间引入了氧化还原电解质，得到异质结电池和光电化学电池的混合太阳能电池。

另一方面，碘化亚铜是一种宽禁带的p型半导体，具有良好的空穴传输性能。它作为空穴传输层和注入层，在光电传感器，染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池中得到广泛应用。Stakhira P等人(Stakhira P，et al.，Vacuum 2008，83，1129-1131)将碘化亚铜作为空穴注入层，得到了PET/ITO/CuI/Pc/Al结构的有机太阳能电池。Cheng CH等人(Cheng CH，et al.，Applied Physics Letters 2010，97，)将CuI缓冲层加入到ITO/CuPc/C60/Al结构中，使得有机太阳能电池效率提高了70％。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池及其制作方法，该太阳能电池具有较高的转化效率和量子效率。

本发明提供的一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池包括下电极、设于所述下电极上的硅片、沉积于所述硅片上的环状的绝缘层、沉积于所述硅片上且位于所述环状的绝缘层的环腔内的碘化亚铜颗粒、铺设于所述绝缘层、硅片和碘化亚铜颗粒上的碳纳米管薄膜以及设于所述碳纳米管薄膜上的环形的上电极。

上述的太阳能电池中，所述碘化亚铜的粒径可为20nm～1000nm，具体可为50nm、100nm或300nm；所述碳纳米管薄膜的厚度可为20nm～200nm，具体可为50nm、100nm或150nm；所述绝缘层的厚度可为100nm～300nm，具体可为200nm或300nm。

上述的太阳能电池中，所述硅片可为n型硅片。

上述的太阳能电池中，所述上电极可为Au或银胶；所述下电极可为Ti/Au或Ti/Pd/Ag；所述绝缘层可为SiO₂。

本发明还提供了上述太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：

(1)制备上下表面分别设有所述环状的绝缘层和下电极的硅片；

(2)将上述得到的硅片置于Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液中进行刻蚀得到表面有铜颗粒的硅片；

(3)将上述得到的表面有铜颗粒的硅片置于碘的乙醇溶液中进行卤化反应得到表面有碘化亚铜颗粒的硅片；

(4)在所述硅片、碘化亚铜和绝缘层上铺设所述碳纳米管薄膜；然后在所述碳纳米管薄膜上沉积所述环形的上电极即得所述太阳能电池。

上述的制作方法中，步骤(2)所述Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液中，Cu(NO₃)₂与HF的摩尔浓度均可为0.01mol/L～1mol/L，具体可为0.01mol/L～0.5mol/L、0.01mol/L、0.02mol/L、0.1mol/L或0.2mol/L。

上述的制作方法中，步骤(2)中所述刻蚀的时间可为0～5min，但不为0，具体可为20s、30s、5min。

上述的制作方法中，步骤(3)中所述碘的乙醇溶液的摩尔浓度可为0.001mol/L～1mol/L，具体可为0.001mol/L、0.01mol/L或1mol/L。

上述的制作方法中，步骤(3)中所述卤化反应的时间可为2min～10min，具体可为2min、6min或10min。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：1)本发明提供的太阳能电池中的碳纳米管薄膜是一种柔性薄膜，能够连续的覆盖在碘化亚铜颗粒和硅表面，构成异质结电池；2)碘化亚铜是一种宽禁带的半导体，不吸收可见光和红外光；3)碘化亚铜作为一种优良的空穴传输体，能够将异质结处产生的光生载流子中的空穴迅速导走，加快光生载流子的分离，减少了光生载流子复合的可能，从而提高了电池效率；4)碘化亚铜颗粒可以提高碳纳米管-硅异质结太阳能电池的量子效率，尤其是对低能量光子的量子效率效果明显；5)本发明提供的电池制作方法，工艺简单易行，成本低廉。通过该方法所制作的碘化亚铜颗粒增强的碳纳米管-硅异质结太阳能电池，在太阳能模拟器的标准光源(AM1.5，100mW/cm²)下测试，其转换效率可达到6.0％，相对于同等条件下制备的碳纳米管-硅异质结太阳能电池，转换效率提高了近20％，量子效率最大增幅达到了42％。

附图说明

图1为实施例1制作的碳纳米管-硅异质结太阳能电池的结构示意图，图中各标记如下：1碳纳米管薄膜层、2碘化亚铜颗粒、3上电极、4热氧化层、5硅片、6下电极。

图2为实施例1制作的碳纳米管-硅异质结太阳能电池的扫描电镜照片。

图3为实施例1制作的碳纳米管-硅异质结太阳能电池的电流密度-电压曲线。

图4为实施例2制作的碳纳米管-硅异质结太阳能电池的电流密度-电压曲线。

图5(a)为实施例3制作的碳纳米管-硅异质结太阳能电池与现有的碳纳米管-硅异质结太阳能电池的量子效率-光子能量曲线；5(b)为实施例3制作的碳纳米管-硅异质结太阳能电池的量子效率增长率-光子能量曲线。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、碳纳米管-硅异质结太阳能电池的制作

1)在n型硅片5表面通过热氧化的方法制备出厚度为300nm的SiO₂热氧化层；

2)采用光刻方法，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面，即得到上表面覆盖有环形的热氧化层4的硅片；

3)在硅片的下表面蒸镀Ti/Au层，与硅片下表面形成良好的欧姆接触，作为下电极6，即得到下表面沉积Ti/Au层和上表面沉积环形的热氧化层的硅片；

4)将步骤3)得到的硅片浸泡在Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液(其中，Cu(NO₃)₂的摩尔浓度为0.1mol/L，HF的摩尔浓度为0.2mol/L)中进行刻蚀20s，然后用去离子水漂洗干净得到表面沉积有铜颗粒的硅片；

5)将上述得到的沉积有铜颗粒的硅片浸泡在浓度为0.001mol/L的碘的乙醇溶液中进行卤化10min，然后用乙醇和去离子水漂洗干净得到表面沉积有碘化亚铜颗粒2的硅片，碘化亚铜颗粒2的粒径为100nm；

6)在上述得到的硅片上表面覆盖100nm厚的单壁碳纳米管薄膜1，然后在该单壁碳纳米管薄膜上沉积环形的上电极Au，即得到碘化亚铜颗粒增强的碳纳米管-异质结太阳能电池；其扫描电镜照片如图2所示。

7)将得到的碳纳米管-异质结太阳能电池在标准光源(AM1.5，100mW/cm²)下测试，测试条件为：开路电压：0.50V，短路电流：20.6mA/cm²，填充因子：58.4％；测得其电池转换效率为6.0％，其电流密度-电压曲线如图3所示。

实施例2、碳纳米管-硅异质结太阳能电池的制作

1)在n型硅片表面通过热氧化的方法制备出厚度为200nm的SiO₂热氧化层；

2)采用光刻方法，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面，即得到上表面覆盖有环形的热氧化层的硅片；

3)在硅片的下表面蒸镀Ti/Au层，与硅片表面形成良好的欧姆接触，作为下电极，即得到下表面沉积Ti/Au层和上表面沉积环形的热氧化层的硅片；

4)将步骤3)得到的硅片浸泡在Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液(其中，Cu(NO₃)₂的摩尔浓度为0.2mol/L，HF的摩尔浓度为0.1mol/L)中进行刻蚀30s，然后用去离子水漂洗干净得到表面沉积有铜颗粒的硅片；

5)将上述得到的沉积有铜颗粒的硅片浸泡在摩尔浓度为0.01mol/L的碘的乙醇溶液中进行卤化反应6min，然后用乙醇和去离子水漂洗干净得到表面沉积有碘化亚铜颗粒的硅片，碘化亚铜颗粒的粒径为300nm；

6)在上述得到的硅片上表面覆盖150nm厚的双壁碳纳米管薄膜，然后在该双壁碳纳米管薄膜上沉积环形的上电极Au，即得碘化亚铜颗粒增强的碳纳米管-异质结太阳能电池；

7)将得到的碳纳米管-异质结太阳能电池在标准光源(AM1.5，100mW/cm²)下测试，测试条件为：开路电压：0.50V，短路电流：21.9mA/cm²，填充因子：46.7％；测得其电池转换效率为5.1％，其电流密度-电压曲线如图4所示。

实施例3、碳纳米管-硅异质结太阳能电池的制作

1)在n型硅片表面通过热氧化的方法制备出厚度200nm的SiO₂热氧化层；

2)采用光刻方法，腐蚀掉硅片下表面的热氧化层，同时腐蚀掉硅片上表面中心区的热氧化层，露出硅的纯净表面，即得到上表面覆盖有环形的热氧化层的硅片；

3)在硅片的下表面蒸镀Ti/Au层，与硅片表面形成良好的欧姆接触，作为下电极，即得到下表面沉积Ti/Au层和上表面沉积环形的热氧化层的硅片；

4)将步骤3)得到的硅片浸泡在Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液(其中，Cu(NO₃)₂的摩尔浓度为0.01mol/L，HF的摩尔浓度为0.02mol/L)中进行刻蚀5min，然后用去离子水漂洗干净得到表面沉积有铜颗粒的硅片；

5)将上述得到的硅片浸泡在摩尔浓度为1mol/L的碘的乙醇溶液中进行卤化反应2min，然后用乙醇和去离子水漂洗干净得到表面沉积有碘化亚铜颗粒的硅片，碘化亚铜颗粒的粒径为50nm；

7)在上述得到的硅片上表面覆盖50nm厚的单壁碳纳米管薄膜，然后在该单壁碳纳米管薄膜上沉积环形的上电极Au，即得到碘化亚铜颗粒增强的碳纳米管-硅异质结太阳能电池；

8)将得到的碳纳米管-异质结太阳能电池分别在光电转化效率测试系统中测试量子效率，其量子效率-光子能量曲线如图5(a)所示，并计算碘化亚铜颗粒增强的碳纳米管-硅异质结太阳能电池相对于碳纳米管-硅异质结太阳能电池的量子效率增长率，其量子效率增长率-光子能量曲线如图5(b)所示，由该图可知，其量子效率增长率为5～40％。

Claims (9)

1.一种碳纳米管-硅异质结太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池包括下电极、设于所述下电极上的硅片、沉积于所述硅片上的环状的绝缘层、沉积于所述硅片上且位于所述环状的绝缘层的环腔内的碘化亚铜颗粒、铺设于所述绝缘层、硅片和碘化亚铜颗粒上的碳纳米管薄膜以及设于所述碳纳米管薄膜上的环形的上电极。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述碘化亚铜的粒径为20nm～1000nm；所述碳纳米管薄膜的厚度为20nm～200nm；所述绝缘层的厚度为100nm～300nm。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于：所述硅片为n型硅片。

4.根据权利要求1-3中任一所述的太阳能电池，其特征在于：所述上电极为Au或银胶；所述下电极为Ti/Au或Ti/Pd/Ag；所述绝缘层为SiO₂。

5.权利要求1-4中任一所述太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：

(1)制备上下表面分别设有所述环状的绝缘层和下电极的硅片；

(2)将上述得到的硅片置于Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液中进行刻蚀得到表面有铜颗粒的硅片；

(3)将上述得到的表面有铜颗粒的硅片置于碘的乙醇溶液中进行卤化反应得到表面有碘化亚铜颗粒的硅片；

(4)在所述硅片、碘化亚铜和绝缘层上铺设所述碳纳米管薄膜；然后在所述碳纳米管薄膜上沉积所述上电极即得所述太阳能电池。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述Cu(NO₃)₂与HF的混合水溶液中，Cu(NO₃)₂与HF的摩尔浓度均为0.01mol/L～1mol/L。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述刻蚀的时间为0～5min，但不为0。

8.根据权利要求5-7中任一所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述碘的乙醇溶液的摩尔浓度为0.001mol/L～1mol/L。

9.根据权利要求5-8中任一所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述卤化反应的时间为2min～10min。

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