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一种高效纳米天线太阳能电池的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效纳米天线太阳能电池的制作方法。先用乙醇或丙酮有机溶剂与纳米硅粉按质量体积比纳米硅（g）：有机溶剂（ml）1:200比例配置悬浊液，采用旋涂法把浊液旋涂到金属衬底上进行衬底修饰；在800～1000℃温度，40～100Pa标准压强条件下在修饰衬底上一步生成硅-石墨烯-碳纳米管复合结构，形成太阳电池器件片；采用旋涂工艺或溅射或蒸发，在碳纳米管之间生成硅橡胶或碳化硅、氧化铝钝化层；然后运用电子束蒸发法、磁控溅射等方法在器件片上层沉积透明导电薄膜，最后以金属衬底和透明导电薄膜为电极得到高效纳米天线太阳能电池。本发明采用一步法直接生成纳米太阳能电池主体结构，制作方法简单、高效，节约原料与成本，适合大规模生产。

Description

一种高效纳米天线太阳能电池的制作方法
技术领域
本发明涉及一种高效纳米天线太阳能电池的制作方法，属于微电子与固体电子学、纳米科学技术领域。
背景技术
在现今太阳能电池领域，根据所用材料的不同，太阳能电池主要分为：硅太阳能电池、多元半导体化合物薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机聚合物太阳能电池、塑料太阳能电池等，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。由于硅材料生长成本高，能耗大污染重，且其效率受到限制，难以进一步提高。因此开发新型结构太阳能电池，成为太阳能电池领域研究热点。
近几年随着碳材料的应用越来越广，人们对碳材料在太阳能电池中的应用抱有极大兴趣。二维碳材料-石墨烯，有着非常优异的性能。石墨烯的热导率是铜的10倍，它透光性好，对光的吸收率只有2.3%，在电和磁性能方面具有很多奇特的性质，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高的电子迁移率。这些优异的特质使得石墨烯在晶体管、太阳能电池、超级电容器、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景，被认为具有替代半导体材料的潜质。一维碳材料-碳纳米管，具有良好的电学性能，对应不同太阳光波长的不同尺寸，碳纳米管可以作为整流天线把太阳光转化为直流电，很容易应用作为纳米天线太阳能电池中的“天线”。
纳米天线太阳能电池采用自上而下的制备工艺，传统的制备工艺在生长电池主体结构时，需要采用磁控溅射、刻蚀等复杂耗能工序，并且需要较多的硅半导体层，耗时耗能，并不能节省硅材料。如果能研究出一种工序简化并节约硅原料的方法，将大大推进纳米天线太阳能电池的发展及工业化普及。
发明内容
本发明公开了一种高效纳米天线太阳能电池的制作方法，其目的在于克服现有的太阳能电池制备方法工序复杂，需要较多的硅材料，耗能耗时等弊端。本发明采用一步法直接生成电池主体结构，既保持了纳米天线太阳能电池高效率、柔性好的优势，又大大简化工序，节约硅用量，节约成本。
本发明技术方案是这样实现的：
1、一种高效纳米天线太阳能电池制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
A)金属衬底修饰
选择金属箔作为衬底；选取乙醇或丙酮有机溶剂与纳米硅粉按质量体积比纳米硅（g）：有机溶剂（ml）1:200比例配置粒径为30～70nm纳米硅悬浊液，经超声分散处理后，采用旋涂法，将纳米硅浊液旋涂到所选用的金属衬底上，待有机溶剂挥发后得到纳米硅粉修饰的金属衬底；
B)电池器件片制作
以甲烷或乙醇或乙炔气体中的一种或几种作为碳源，在800～1000℃温度，40～100Pa标准压强下，与氢气混合，并用惰性气体作为保护气，采用等离子体增强化学气相沉积法，在经步骤A)修饰后的金属衬底上一步生成硅-石墨烯-碳纳米管复合结构太阳能电池器件片；
C)钝化层制作
采用旋涂或溅射或高真空热蒸发方法，在经步骤B）生成的太阳电池器件片上，碳纳米管之间沉积硅橡胶或二氧化硅或氧化铝中的一种或两种薄膜，作为太阳能电池器件片的钝化层；
D)窗口层制作
运用电子束蒸发或磁控溅射方法，在钝化层和碳纳米管的表面，沉积透明导电薄膜（ITO）或掺铝氧化锌(AZO)，作为窗口层；
E)对由上述步骤的得到的器件上表面抛光，使碳纳米管的横截面暴露出来，在横截面上采用旋涂烘烤或溅射或真空蒸发方法再次生成硅橡胶或氧化铝透明钝化层；
F)以铜或镍或铁金属箔衬底为背电极，上层透明导电薄膜为前电极，得到纳米天线太阳能电池。
用无水乙醇或丙酮作溶剂按比例（有机溶体积体积ml与硅粉质量g比例为200：1）配置粒径为30～70nm纳米硅悬浊液，超声1小时使其分散均匀。
以甲烷或乙醇或乙炔气体中的一种或几种作为碳源，采用等离子体增强化学气相沉积，在800～1000℃，40～100Pa标准压强下一次性生成金属箔-硅-石墨烯-碳纳米管复合结构器件片，把它作为纳米天线太阳能电池主体结构，并在其基础上进一步生长钝化层及窗口层；碳源气体与还原性氢气比例为1:2.5。反应时间为5～15分钟。
所述的金属箔衬底为铜、镍、铁金属箔中的一种。
本发明的有益效果是：在传统纳米天线太阳能电池制作方法的基础上，采用一步法一次性生成电池主体结构器件，不同于传统使用磁控溅射在半导体上，生长金属颗粒作催化剂，再生长碳纳米管的方法，本发明利用修饰的金属衬底，直接生成碳纳米管，并利用不同尺寸的纳米硅颗粒影响，生长不同尺寸的碳纳米管。本发明简化工序，大量节约成本。同时金属衬底又可作为背电极，硅颗粒-石墨烯混合网状层起到整流作用。
附图说明
图1为本发明实施例1的制作流程示意图；
图2是本发明实施例2的制作流程示意图。
1、铜箔，101、纳米硅粉，2、碳纳米管，102、石墨烯-硅混合物，3、硅橡胶钝化层，4、ZnO氧化锌透明导电薄膜。
A：镍箔，A-1：纳米硅粉，B：碳纳米管，A-2：石墨烯-硅混合物，C：二氧化硅钝化层，D：ZnO氧化锌透明导电薄膜。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用与相同的技术手段或相似变化，均应列入本发明的保护范围。
实施例1：
A)金属衬底修饰
如图1所示选用尺寸50x50mm铜箔1为衬底。按质量体积比纳米硅（g）：无水乙醇（ml）1:200比例，配置直径为70nm纳米硅浊液，，超声1小时使其分散均匀。超声时选择高频、25℃条件。将处理完的纳米硅溶液旋涂到铜箔1上。旋涂时采用低速200r/min、旋转10秒，高速1500r/min，旋转10秒。
B)电池器件片制作
采用化学气相沉积法，在800℃温度，40Pa标准压强下，以乙醇为碳源，生长石墨烯硅混合物102和碳纳米管2。整个过程通氢气做还原剂，流量50sccm。生长使用真空管式炉。
C)钝化层制作
采用旋涂法在生成的碳纳米管之间生成硅橡胶钝化层3。
D)窗口层制作
运用电子束蒸发，在硅橡胶钝化层3和碳纳米管2的表面，沉积ZnO透明导电薄膜4，作为窗口层。
E）对上述步骤得到的器件上表面抛光，在抛光后横截面上再次旋涂硅橡胶钝化层。
F)以铜箔衬底为背电极，上层ZnO透明导电薄膜4为前电极，得到纳米天线太阳能电池。
实施例2：
A)金属衬底修饰
按质量体积比纳米硅（g）：无水乙醇（ml）1:200比例，配置直径为30nm纳米硅浊液，超声1小时使其分散均匀。选择镍箔A作为金属衬底，采用浸泽-提拉法，在镍箔表面修饰粒径30nm纳米硅粉A-1颗粒。
B)电池器件片制作
以乙炔为碳源气体，在850℃，100Pa标准压强下，采用等离子体增强化学气相沉积法生长石墨烯-硅混合物A-2和碳纳米管B。整个过程通氢气做还原剂，流量50sccm。
C)钝化层制作
采用磁控溅射法在生成的碳纳米管B之间生成二氧化硅钝化层C。
D)窗口层制作
运用电子束蒸发，在二氧化硅钝化层C和碳纳米管B的表面，沉积ZnO透明导电薄膜D，作为窗口层。
E)对电池上表面抛光，在抛光后横截面上再次生长二氧化硅钝化层C。
F)以镍箔A衬底为背电极，上层ZnO透明导电薄膜D为前电极，得到纳米天线太阳能电池。
实施例3
该实施例具体步骤与实施例1相同，不同的是：
A）选择铁箔作为金属衬底。选择丙酮作为有机溶剂。按质量体积比纳米硅（g）：丙酮（ml）1:200比例，配置直径为50nm纳米硅浊液。
B）电池片器件制作时，条件为：甲烷作为碳源，在950℃温度，60Pa标准压强
C)最终得到的太阳能电池以铁箔衬底为背电极，上层ZnO透明导电薄膜为前电极。

Claims (4)

1.一种高效纳米天线太阳能电池制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
A)金属衬底修饰
选择铜、镍、铁金属箔中的一种作为金属衬底；选取乙醇或丙酮有机溶剂与纳米硅粉按质量体积比纳米硅（g）：有机溶剂（ml）1:200比例配置悬浊液，经超声分散处理后，采用旋涂法，将纳米硅浊液旋涂到所选用的金属衬底上，待有机溶剂挥发后得到纳米硅粉修饰的金属衬底；
B)电池器件片制作
以甲烷或乙醇或乙炔气体中的一种或几种作为碳源，在800～1000℃温度，40～100Pa标准压强下，与氢气混合，并用惰性气体作为保护气，采用等离子体增强化学气相沉积法，在经步骤A）修饰后的金属衬底上一步生成硅-石墨烯-碳纳米管复合结构太阳能电池器件片；
C)钝化层制作
采用旋涂或溅射或高真空热蒸发方法，在经步骤B）生成的太阳电池器件片上，碳纳米管之间沉积硅橡胶或二氧化硅或氧化铝中的一种或两种薄膜，作为太阳能电池器件片的钝化层；
D)窗口层制作
运用电子束蒸发或磁控溅射方法，在钝化层和碳纳米管的表面，沉积透明导电薄膜（ITO）或掺铝氧化锌（AZO），作为窗口层；
E)对由以上步骤得到的器件上表面抛光，使碳纳米管的横截面暴露出来，在横截面上采用旋涂烘烤或溅射或真空蒸发方法再次生成硅橡胶或氧化铝透明钝化层；
F)以所选择的金属衬底为背电极，上层透明导电薄膜为前电极，得到纳米天线太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的高效纳米天线太阳能电池制作方法，其特征在于：用乙醇或丙酮有机溶剂与纳米硅粉按质量体积比纳米硅（g）：有机溶剂（ml）1:200比例配置粒径为30～70nm纳米硅悬浊液，超声1小时使其分散均匀。
3.根据权利要求1所述的高效纳米天线太阳能电池制作方法，其特征在于：以甲烷或乙醇或乙炔气体中的一种或几种作为碳源，采用等离子体增强化学气相沉积，在800～1000℃，40～100Pa标准压强下一次性生成金属箔-硅-石墨烯-碳纳米管复合结构器件片，把它作为纳米天线太阳能电池主体结构，并在其基础上进一步生长钝化层及窗口层；碳源气体与还原性氢气比例为1:2.5。反应时间为5～15分钟。
4.根据权利要求1所述的高效纳米天线太阳能电池制作方法，其特征在于：所述的金属箔衬底为铜、镍、铁金属箔中的一种。
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